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Que se passe-t-il lorsqu’une lumière cohérente passe au travers d’un matériau désordonné diffusant, ou est réfléchie par ce même matériau ? Un phénomène d’interférence complexe entre les ondes ayant suivi des chemins différents crée un motif d’intensité a priori aléatoire, appelé figure de “speckle”, et que l’on observe en transmission comme en réflexion. Ces speckles constituent une barrière de précision pour de nombreuses applications, par exemple en imagerie optique biomédicale, ou encore lors des observations spatiales à partir de télescopes terrestres.
Étant donné que les trajectoires que suivent la lumière réfléchie et la lumière transmise sont a priori très différentes, il est naturel de penser que les deux figures de speckle sont totalement indépendantes. Ceci suggère qu’il est impossible d’obtenir de l’information sur la lumière transmise à partir de mesure de lumière réfléchie, et vice versa. Cependant, de récents travaux ont montré que parmi le très grand nombre de chemins possibles pour la lumière dans le matériau, un petit nombre est commun à la réflexion et à la transmission. Ceci génère une corrélation statistique faible, mais de longue portée spatiale, et qui relie ainsi les figures de speckle réfléchies et transmises.
Une collaboration internationale formée d’équipes de l’Institut Langevin (ESPCI Paris, Université PSL, CNRS) et de l’Université d’Exeter a permis de démontrer expérimentalement l’existence de cette corrélation d’intensité, initialement prédite théoriquement à l’Institut Langevin. Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review X.
Les chercheurs ont utilisé un laser Hélium-Néon, et ont envoyé le faisceau sur un milieu diffusant composé de glycérol et de particules de dioxyde de titane en suspension. Ils ont mesuré les figures de « speckles » à la fois en transmission et en réflexion. En étudiant une large gamme d’épaisseurs et d’opacités d’échantillons, ils sont parvenus à montrer que pour une grande densité optique (milieu très diffusant), les profils d’intensité en transmission et en réflexion présentent une forte corrélation négative à longue portée, c’est à dire qu’une fluctuation positive de l’intensité lumineuse d’un coté est associée à une fluctuation négative de l’autre coté. Pour des systèmes plus fins, la corrélation est positive.
La présence d’une corrélation statistique, et plus généralement d’information entre la lumière transmise et la lumière réfléchie, est une très bonne nouvelle. En effet celle-ci prouve qu’il est possible a priori d’agir de manière contrôlée sur le speckle transmis en ne mesurant que des informations réfléchies, ouvrant alors la voie à de nouvelles techniques d’imagerie non invasives à travers des milieux complexes.
Publication associée :
Starshynov, Panaguia-Diaz, Fayard, Goetschy, Pierrat, Carminati and Bertolotti., Non-Gaussian Correlations between Reflected and Transmitted Intensity Patterns Emerging from Opaque Disordered Media, Physical Review X 8, 021041 (2018)
DOI :https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021041
Contact :
ESPCI Paris : Rémi Carminati - remi.carminati@espci.fr
University of Exeter : Jacopo Bertolotti - j.bertolotti@exeter.ac.uk