Multiply scattered waves through a spatially random medium : entropy production and depolarization

(Received 12 February 1992, accepted in final form 31 July 1992)

Abstract
This paper deals with the depolarization and decoherence effects of an incident pure state of polarization and of arbitrary state of coherence by a linear scattering medium which changes randomly with position. Using symmetry arguments and a maximum entropy principle we deduce the general form of the Mueller matrix describing the scattering medium which is consistent with the explicit computation done in the context of the Bethe-Salpeter equation handled in the diffusion approximation. The main result expresses the output degree of polarization and degree of spatial coherence as a function of the number of scattering events. From these results, two main conclusions can be drawn. The first is that the entropy production per scattering due to the irreversible process of depolarization is an exponentially decreasing function of the number of scattering events. The second result obtained is that full depolarization of linearly polarized light by Rayleigh scatterers requires more scattering events (typically a factor-of-2) than are required for a circularly polarized lightwave.

Résumé
Dans cette étude, on considère les phénomènes de dépolarisation et de décohérence d'un faisceau d'ondes planes incident, d'état pur de polarisation et d'état arbitraire de cohérence, par intéraction avec un milieu diffusant désordonné. Par des arguments de symétrie et un principe d'entropie maximum, nous déduisons la forme de la matrice de Mueller caractérisant le milieu diffusant qui est en accord avec le calcul explicite basé sur l'équation de Bethe-Salpeter traitée dans l'approximation de la diffusion. Le résultat principal exprime les degrés de polarisation et de cohérence spatiale en fonction du nombre de diffusions. Deux faits saillants sont à noter. Le premier exprime la décroissance exponentielle de la production d'entropie due à l'irréversibilité du processus de dépolarisation, en fonction du nombre de diffusions. Le second indique que la dépolarisation complète d'un faisceau incident polarisé linéairement par des diffuseurs de type Rayleigh nécessite davantage de diffusions (facteur 2) que pour une polarisation circulaire.