Metrology of polarization of light at the speckle scale: Histograms of degree of polarization, spatial depolarization and temporal repolarization
Métrologie de la polarisation de la lumière à l'échelle du grain de speckle: histogrammes du degré de polarisation, dépolarisation spatiale et repolarisation temporelle
Résumé
Polarimetric techniques knew a recent rise, especially in the field of satellite imaging and biomedical, optics. These techniques are extended to the case of the disordered media, for applications related to the imaging scattering medium. In this context the unified theories appeared, combining temporal and spatial coherence, and depolarization… The team CONCEPT at Fresnel Institute, established in 2012, is now closely involved in the study of the polarization state of the scattered light within the speckle size. New results have been highlighted, such as the multi-scale spatial depolarization, the temporal enpolarization phenomena, and the spectral depolarization. The predominance of these effects is naturally related to the speckle origin (surface, bulk), but also to the absorption levels and the structural properties (roughness, heterogeneities) of disordered media. However, most of these studies are theoretical, and few experiments were previously able to reinforce the predictions. This statement is related to the extreme difficulty of accurately measuring the polarization of light across the speckle grain. Our thesis had the aim to address this gap in, and we were able to develop a procedure to extract the optical polarization states, and the degree of polarization (DOP), inside of the speckle grain. Consequently, the polarization is here extracted for each pixel of a CCD matrix, which leads first to highlight a cloud of points more or less extended on the Poincaré sphere. DOP histograms are then used as genuine signatures of disordered media. We see, depending on the nature of the samples, memory effects on polarization (case of surfaces) or a spectral depolarization and temporal repolarization (in the case of transparent volumes) of light. To our knowledge these experimental results are original; they may find applications in the fields of satellite imagery and space, biomedical or biophotonics, lighting, environment...
Les techniques polarimétriques ont connu un récent essor, notamment dans le domaine de l’imagerie satellitaire ou du biomédical. Ces techniques se sont étendues au cas des milieux désordonnés, pour des applications liées à l’imagerie en milieu diffusant. Dans ce contexte, des théories unifiées sont apparues, mêlant cohérence temporelle et spatiale, dépolarisation… L’équipe CONCEPT de l’Institut Fresnel, créée en 2012, est aujourd’hui étroitement impliquée dans l’étude de la polarisation dans le speckle de la lumière diffusée. Des résultats nouveaux ont été mis en évidence, comme la dépolarisation spatiale multi-échelle, les phénomènes de repolarisation temporelle, la dépolarisation spectrale. La prédominance de ces effets est naturellement liée à l’origine du speckle (surface, volume), mais aussi aux niveaux d’absorption désordonnés. Toutefois la plupart de ces études sont de nature théorique, et peu d’expériences étaient jusque-là capables de conforter les prédictions. Ce constat est lié à l’extrême difficulté de mesurer avec précision la polarisation de la lumière à l’échelle du grain de speckle. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse avaient ainsi pour but de remédier à cette lacune, et nous ont amenés à développer une procédure optique pour extraire les états de polarisation, et le degré de polarisation (DOP), à l’échelle du grain de speckle. En conséquence la polarisation est ici extraite pour chaque pixel d’une matrice CCD, ce qui amène tout d’abord à mettre en évidence des nuages de points plus ou moins étendus sur la sphère de Poincaré. Les histogrammes de DOP sont ensuite utilisés comme véritables signatures des milieux désordonnés. On assiste, selon la nature des échantillons, à des effets mémoire sur la polarisation (cas des surfaces), ou à une dépolarisation spectrale et une repolarisation temporelle (cas des volumes transparents) de la lumière. A notre connaissance ces résultats expérimentaux sont originaux ; ils peuvent trouver des applications dans les domaines de l’imagerie satellitaire et du spatial, du biomédical ou de la biophotonique, l’éclairage, l’environnement…
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