Scattering Integral Equations for Diffusive Waves. Detection of Objects Buried in Diffusive Media in the Presence of Interfaces
J. Ripoll, M. Nieto-Vesperinas
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机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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Transmission channels for light in absorbing random media: from diffusive to ballistic-like transport
虽然光的吸收在自然界和应用中无处不在，但问题仍然是吸收如何改变随机介质中的传输通道。数值研究了光吸收对二维无序波导中最大透射通道和最小反射通道的影响。在弱吸收区，当系统长度小于扩散吸收长度时，最大透射通道由扩散输运主导，并且它相当于最小反射通道。它的频率带宽由潜在的准模宽度决定。然而，当吸收较强时，光在最大透射通道中的输运经历急剧转变，成为弹道式输运。它的频率带宽随着吸收而增加，并且精确的缩放随着样品的实现而变化。最小反射通道变得不同于最大透射通道，并且变得由吸收主导。与直觉相反，我们在一些样品中观察到最小反射本征值随吸收而增加。我们的结果表明，强吸收将随机介质中的开放通道从扩散型转变为弹道型。
Self-suppression of the Giant CARS Background for Detection of Buried Interface with Sub-monolayer Sensitivity
在过去的几十年里，新的实验技术的发展推动了复杂系统界面科学的研究取得了显著的进展。尽管相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）在许多领域取得了成功，但其用于解决界面问题的实施受到来自本体的巨大共振和非共振背景的阻碍。在这里，我们已经开发了一种新的CARS计划，能够通过至少$10^5$倍的非共振和共振体贡献的抑制探测掩埋界面。该方法利用了在布鲁斯特角附近产生的前向和后向CARS之间的自相消干涉。因此，我们能够解决的振动光谱的亚单层界面物种浸泡在周围的介质中具有巨大的CARS响应。我们希望我们的方法不仅开辟了涉及非极性分子的接口的询问的机会，但也有利于其他非线性光学光谱技术在促进信号与背景噪声比。
Generalized Time-Reversal for Pulse Control in Diffusive Media
本文提出广义时间反转框架，通过最大化捕获和反转波能量确定最优源图案，在二维扩散波导中实现峰值传输功率35倍提升，为强散射介质短脉冲控制提供新方法。
Fluctuations and correlations of transmission eigenchannels in diffusive media
扩散系统的传输本征通道的选择性激发使得能够操纵其内能分布。然而，到目前为止，本征通道的空间分布的波动和相关性仍然是未知的。在这里，我们表明，高传输本征通道的深度配置文件表现出低的实现到实现的波动。此外，我们的实验和数值研究揭示了通道间的相关性，这是低传输本征通道的存在。由于高传输本征通道是鲁棒的，并且独立于其他本征通道，因此它们可以可靠地将能量传递到混浊介质的深处。
Surface lattice solitons in diffusive nonlinear media
研究了非对称扩散非线性光折变介质中由光晶格压印支撑的表面孤子的性质。这种孤子只存在于晶格谱的有限间隙中。与无晶格几何形状相反，只有当非线性将光偏转到材料表面时才存在表面波，表面晶格孤子存在于扩散会导致光束弯曲的设置中。
Spectral Width of Maximum Deposition Eigenchannels in Diffusive Media
本研究通过二维扩散系统数值模拟，发现最大沉积本征通道的谱宽随目标深度呈弱非单调变化，且比紧聚焦更敏感，沉积增强以谱宽变窄为代价，吸收可增宽谱宽。
Tight focusing of polychromatic waves using angular spectrum compensation in spatially dispersive media
建立了一种基于角谱补偿的波紧聚焦的一般方法。我们应用的方法单色，多色和扩散波。扩散波和单色波可以在自由空间中形成空间局部化的波，而多色波形成光片或非衰减的行进倏逝模，其被限制在介质中的亚波长区域，其中频率取决于波矢量。我们建议我们的补偿方法和惯性，相对论坐标系之间的频率变换之间的类比。
Angle-dependence of the frequency correlation in random photonic media: the diffusive regime and its breakdown near localization
光在复杂光子介质中的频率相关性作为表征光扩散的动力学方面的工具是令人感兴趣的。我们在这里证明，频率相关性显示出显着的角度依赖性在传输和反射的几何形状。使用宽带白光超连续谱，这种角度依赖性的特点和理论解释的介质外的传播效应和相干后向散射的组合。我们报告的相干后向散射贡献的散射强度，这是不能解释的扩散理论的强烈依赖。我们的研究结果表明，相干后向散射的频率相关形成了一个敏感的探针附近的本地化的扩散制度的崩溃。
Coherent enhancement of optical remission in diffusive media
从地壳到人类大脑，在各种扩散介质中，汇款波被用于传感和成像。分离光源和检测器增加了再发射光的穿透深度，但迅速降低了信号强度，导致差的信噪比。在这里，我们的实验和数值模拟表明，波前整形的激光束入射在扩散样品上，使一个数量级的缓解增强，具有高达10个运输平均自由路径的穿透深度。我们开发了一个理论模型，预测最大缓解增强。我们的分析揭示了一个显着的改善，在汇款波的灵敏度，局部变化的吸收深处扩散介质。这项工作说明了潜在的相干波前控制的非侵入性扩散波成像应用，如扩散光学断层扫描和功能性近红外光谱。
Hidden Black: Coherent Enhancement of Absorption in Strongly-scattering Media
我们表明，弱吸收，强散射（白色）介质可以非常强烈地吸收在其强散射带宽内的任何频率，通过优化输入电磁场。对于均匀吸收，随机矩阵理论的结果表明，介质的反射率可以被抑制一个因子~（l_a/lN^2），其中N是入射通道数，l，l_a分别是弹性和吸收平均自由程。因此，可以将吸收率从百分之几增加到> 99%。对于埋在非吸收散射介质中的局部弱吸收体，我们发现了一个大的但有界的增强。
Delivering Broadband Light Deep Inside Diffusive Media
本文提出宽带沉积矩阵以优化单个输入波前，证明在短相干时间下仍可向散射介质深处的扩展目标实现六倍能量增强，并确立其基本极限。
Detection of a diffusive cloak via second-order statistics
我们提出了一个方案来检测Schittny等人提出的扩散斗篷[Science 345，427（2014）]。我们利用光的漫射是一种忽略波干涉的近似的事实。强度相关的长程贡献是敏感的路径交叉点和介质内的干扰的位置，允许一个检测的大小和位置，包括深度，扩散斗篷。我们的研究结果还表明，它是可能的，分别操纵的一阶和二阶统计的波在混浊介质中的传播。
Real-Time Recognition of Vortex Beams Modes Through Random Diffusive at the Speed of Light
本文提出一种基于深度学习的全光学方案，能以光速零能耗识别通过随机散射介质传播的涡旋光束模式，为复杂环境下的光通信应用提供重要指导。
Theoretical optimal modulation frequencies for scattering parameter estimation and ballistic photon filtering in diffusive media
本文从理论上定量分析了强度调制光用于混浊介质散射特性估计和弹道光子鉴别的效率。使用调制光子传输的扩散模型，并考虑噪声正交解调方案，最小方差界估计的参数的兴趣解析推导和分析。方差最小化的最佳调制频率的存在示出和其演化与中介介质的属性推导和研究。此外，定义了一个度量来量化弹道光子过滤的效率，当通过混浊介质成像时可以寻求该效率。这个度量的分析推导表明，达到显着的弹道歧视所需的最小调制频率仅取决于在一个高度散射介质的线性方式减少的散射系数的介质。
Anisotropic diffusive transport: connecting microscopic scattering and macroscopic transport properties
利用扩散理论对各向异性混浊介质中的辐射转移进行了模拟。微观散射特性之间关系的理论（即，一个任意微分散射截面）和宏观扩散张量，在独立散射体的限制，提出。该理论是伴随着能够执行计算的数值方法。此外，一个边界条件适用于建模系统的各向异性辐射。结果表明，各向异性扩散理论，当基于这些发展，确实可以描述辐射转移在各向异性混浊介质。更具体地说，据报道，各向异性扩散方程的解在稳态和时域中都与蒙特卡罗模拟非常一致。这与以前的工作相反，在这个问题上，不适当的边界条件和/或不正确的微观散射特性和扩散张量之间的关系造成了模拟和扩散理论之间的分歧。因此，目前的工作证伪了以前的说法，即各向异性扩散理论不能描述各向异性辐射转移，而不是开放的准确定量扩散为基础的建模各向异性混浊材料。
Fluctuations in a diffusive medium with gain
我们提出了一个随机模型放大，扩散介质，例如，随机激光。从一个简单的随机行走模型出发，导出了能量场的随机偏微分方程，其中包含一个乘性的随机平流项，从而得到能量场本身的幂律分布和非线性分布。维数分析表明，这样的功能是更有可能被观察到足够小的样本，并在较低的空间维度。
Focusing through random media: eigenchannel participation number and intensity correlation
利用随机矩阵计算，我们证明了散射波通过随机介质的最大聚焦强度与透射散斑图背景的对比度为μ N =1 + N_{eff}，其中Neff是透射矩阵的本征通道参与数。对于扩散波，N_{eff}是强度相关度κ的倒数。聚焦光束相对于系综平均强度的轮廓用归一化空间场关联函数的平方、F（Δr）和κ表示。这些结果在微波实验中得到证实，并提供了最佳聚焦和成像极限的参数。
Invariance property in scattering media and absorption
在本文中，我们处理的扩散介质特性框架的平均路径长度的不变性（IP）的问题的吸收的影响。我们表明，IP是一个重要的问题，规范，但不阻止搜索的吸收最大化的散射特性。我们发现，散射可能会增加吸收，甚至是有害的，这取决于介质的几何形状和照明条件。
Depth-Targeted Energy Deposition Deep Inside Scattering Media
在基础物理和实际应用中的一个巨大挑战是克服波扩散，将能量沉积到扩散系统内部的目标区域。虽然已知相干控制入射波前允许漫射系统内的衍射限制聚焦，但在许多应用中，目标显著大于这种聚焦，并且最大可传递能量仍然未知。在这里，我们介绍了“沉积矩阵”，它映射到其内部场分布的输入波前，并从理论上预测在任何深度的能量沉积的最终限制。例如，最大可获得的能量增强发生在3/4漫射系统的厚度处：无论其散射强度如何。在实验上，我们测量的沉积矩阵和激发其本征态，以增强/抑制扩展的目标区域内的能量。我们的理论分析表明，这种增强/抑制的结果从选择性传输本征信道激励和建设/相消干涉这些通道之间。
Optimizing light storage in scattering media with the dwell-time operator
我们证明了无序介质中光能量存储的最优控制可以通过波前整形来实现。为了这个目的，我们建立了一个运营商的停留时间从散射矩阵，并在扩散制度，其中介质的厚度$L$远大于平均自由程$\ell$的数值和解析表征其完整的本征值分布。我们发现，分布有一个有限的支持，最大停留时间大于最可能的值的一个因素$(L/\ell)^2\gg 1 $。这表明，最高停留时间本征态比介质的开放通道沉积更多的能量。最后，我们表明，驻留时间运营商可以用来存储在复杂介质中的共振目标的能量。
Weak localisation enhanced ultrathin scattering media
具有低折射率对比度的散射介质的明亮白色外观和潜在的辐射传输现象吸引了科学家十多年。这种系统的例子是Cyphochilus属的甲虫的鳞片、光子网络结构或无序布拉格堆叠（DBS）。虽然先前的研究将尺度中的高效散射与尺度内网络和漫射光传输的各向异性联系起来，但相干辐射传播动力学仍然没有得到解释。在这里，我们确定不同的相干光传输制度，使用时间和空间分辨相干光散射光谱。至少20%的收集的散射光来自弱局部随机光子模式，与迄今为止假设的仅漫射光传输相反。弱局域化在微亮散射介质中的重要作用的识别为有效的散射光学材料建立了一个新的设计范例。
Cross density of states and mode connectivity: Probing wave localization in complex media
我们引入模式连通性作为连接给定频率处两点的波动方程本征模数量的度量。基于对电磁波在无序介质中散射的数值模拟，我们证明了连通性区分扩散和安德森局域制度。对于实际的测量，连接性编码在二阶相干函数，其特征在于由两个非相干的经典或量子偶极源发射的强度。分析适用于所有的过程中，空间局域模式建立，并对各种波。
Plasmon Induced Delocalized Second-Harmonic Generation Towards Buried-Interface Spectroscopy
研究通过等离子体极化子介导的非局域二次谐波生成，实现了对埋界面的高灵敏度探测，展示了单束激发下多层样品的广泛应用潜力。
Transverse localization of transmission eigenchannels
传输本征通道是扩散介质中相干波输运的基石，选择性激发单个本征通道可以导致不同的输运行为。一个重要的，但了解甚少的属性是每个本征通道，这是关键的耦合进出it.here，我们发现，传输本征通道的无序板具有本地化的入射和传出的配置文件，即使在远离安德森局域化的扩散制度。这种横向局部化是由互易性、空间模式的局部耦合和散射波的非局部相关性的组合引起的。实验上，我们观察到这样的本地化，尽管有限的照明区域的签名。我们的研究结果揭示了本征通道的内在特性，在开放的平板几何形状，通常用于通过混浊介质的成像和能量传输的应用程序。
Pathlengths of open channels in multiple scattering media
我们报告的光谱宽度的光学测量开放的传输通道中的三维扩散介质。通过使用重复的数字光学相位共轭有效地耦合到开放的传输通道来增强通过样品的光传输。通过提高透射率、固定入射波前和扫描激光波长等方法研究了其光谱特性。通过测量透射场来提取场的关联函数和总透射的增强。我们发现，优化的总传输导致显着增加的场关联函数的频率宽度。此外，我们发现，增强的传输持续在一个更大的频率带宽。这个结果表明，在扩散制度的开放通道是光谱宽得多，比以前的测量在本地化制度建议。
Creating high-contrast patterns in multiple-scattering media via wavefront shaping
针对波前整形中长程关联降低目标对比度的问题，通过引入对比度算符与差分算符并利用其本征态操控非局域强度关联，在强散射介质中实现了高对比度图案创建与目标能量递送。
Energy-leaky modes in partially measured scattering matrices of disordered media
本文研究了由复杂介质散射矩阵的不完全测量引起的能量漏模。由于光学系统的数值孔径有限，在漫射状态下访问理论上预测的完美传输信道在实验上具有挑战性。通过对散射矩阵进行数值模拟，我们证明了TM中未收集传输的漏模提供了比测量预测的更强的能量传输。另一方面，在RM的部分测量中源自未收集的反射的泄漏模式强烈地抑制通过零反射通道的能量传输，将传输增强限制为在有限的光学系统中不超过5倍的增强。我们的研究提供了有用的见解，通过散射介质的能量传输的有效控制和实际计划的最终限制。
Diffusion of light in semitransparent media
光漫射通常与厚的不透明介质有关。事实上，多重散射是必要的扩散制度的发病和这样的条件一般不符合几乎透明的介质。尽管如此，在足够长的时间，在一个无限的薄板运输仍然是由一个多散射过程，其完整的表征是缺乏。在本文中，我们表明，经过短暂的瞬态，透射强度的均方宽度仍然表现出一个简单的线性增加随时间的扩散理论预测，即使在光学厚度低至1。有趣的是，这种线性增长预测不依赖于板的厚度，也不依赖于其折射率对比度，但这种简单的近似在弹道扩散制度的准确性还没有调查到目前为止。通过蒙特卡罗模拟，我们发现明确的证据表明，边界条件发挥了积极的作用，在重新定义的扩散系数的渐近值直接修改的统计分布在这种介质中的光传输。在这方面，我们证明了需要区分一组内在的和有效的输运参数，其关系和相互作用与边界条件仍有待充分理解。
Local diffusion theory of localized waves in open media
我们报告了准一维开放介质中局域波静态输运的第一性原理研究。我们发现，这种运输，占主导地位的无序诱导的共振传输，显示出新颖的扩散行为。我们的分析预测完全证实了数值模拟。我们表明，流行的自洽本地化理论[van Tiggelen，{ \it et. al.}，物理修订版信函\textbf{84}，4333（2000）]仅在无序引起的谐振传输可忽略时才有效。我们的发现为开放介质中安德森局域化的研究开辟了一个新的方向。
Physics-based neural network for non-invasive control of coherent light in scattering media
通过复杂介质（例如生物组织或雾）的光学成像由于光散射而具有挑战性。在多次散射机制中，波前整形提供了一种有效的方法来检索信息;它依赖于测量不同光学波前的传播如何受到散射的影响。基于这一原理，几种波前整形技术被成功开发，但它们中的大多数是高度侵入性的，并且仅限于原理验证实验。在这里，我们建议使用神经网络方法来非侵入性地表征和控制介质内的光散射，并检索隐藏在其中的物体的信息。与最近提出的大多数方法不同，我们的神经网络的结构及其层，连接节点和激活函数具有真正的物理意义，因为它模仿了光在我们的光学系统中的传播。它使用实验测量的输入/输出数据集进行训练，该数据集由一系列入射光模式和相应的相机快照构建。我们将我们的基于物理的神经网络应用于epi配置的荧光显微镜，并通过数值模拟和实验证明其性能。这种灵活的方法可以包括物理先验，我们表明，它可以应用于其他系统，例如，非线性或相干对比机制。
Hydrodynamic and field-theoretic approaches of light localization in open media
许多复杂系统在大尺度下表现出流体动力学（或宏观）行为，其特征在于诸如粒子数密度、温度和压力之类的变量服从一组流体动力学（或宏观）方程。对于复杂开放介质中的波，是否也存在流体动力学描述？这是波局部化研究中一个长期存在的基本问题。实际上，如果它确实存在，由于它的简单性，宏观方程比复杂的波局部化微观理论更容易掌握，特别是对实验者来说。本文件有两个目的。一方面，它专门审查了这一问题最近取得的重大进展。我们发现，在随机开放介质中的波能量密度服从一个高度非常规的宏观扩散方程的尺度远大于弹性平均自由程。扩散系数是不均匀的空间，最引人注目的是，作为一个函数的界面的距离，它显示了新的单参数标度捕捉罕见的高透射状态，占主导地位的本地化波的长时间传输的影响。我们回顾这一新的宏观扩散现象的方面。另一方面，它致力于审查开放介质中的光局域化的超对称场论。特别是，我们回顾其应用在建立上述非常规扩散现象的微观理论。
Getting beneath the surface of opaque media: universal structure of transmission eigenchannels
由于探索不透明材料的愿望通常会受到波的多次散射的阻碍，因此注意力集中在波场的传输矩阵上。该矩阵给出了传输和电导的最充分的帐户，并使传输通量的控制，但是，它不能解决样品内的传输矩阵的本征通道的空间分布的基本问题。在这里，我们得到了一个普遍的表达式的平均配置的能量的传输本征通道的扩散波的辅助本地化长度确定相应的传输本征值。每个本征通道的空间分布被示出为广义扩散方程的解。这些结果揭示了传输本征通道的丰富结构，使波的传播和能量分布的随机介质中的控制。
Imaging dynamics beneath turbid media via parallelized single-photon detection
通过动态散射介质的非侵入性光学成像具有许多重要的生物医学应用，但仍然是一个具有挑战性的任务。虽然标准的漫射成像方法测量光学吸收或荧光发射，但也公认的是，散射相干光的时间相关性非常像光学强度那样漫射通过组织。然而，迄今为止，很少有作品旨在通过实验测量和处理这种时间相关数据，以证明去相关动力学的深层组织视频重建。在这项工作中，我们利用单光子雪崩二极管（SPAD）阵列相机，同时监测散斑波动的时间动态的单光子水平从12个不同的幻影组织表面位置通过定制的光纤束阵列提供。然后，我们应用深度神经网络将获取的单光子测量值转换为快速去相关组织模型下的散射动态视频。我们证明了重建图像的瞬时（0.1-0.4s）动态事件发生到8毫米以下的解相关组织模型与毫米级分辨率，并强调我们的模型可以灵活地扩展到监测内埋的幻影血管流速的能力。
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