Лазерные измерительные техники для скрытых структур

Лазерные лучи могут использоваться для точного измерения положения или скорости объекта. Обычно, однако, требуется чистый, беспрепятственный вид на этот объект — и это условие не всегда выполняется. В биомедицине, например, исследуются структуры, встроенные в неправильную, сложную среду. Там лазерный луч отклоняется, рассеивается и преломляется, часто делая невозможным получение полезных данных из измерения.

Однако исследователи теперь смогли показать, что значимые результаты можно получить даже в таких сложных средах. Действительно, существует способ специально модифицировать лазерный луч так, что он доставляет именно желаемую информацию даже в сложной, беспорядочной среде — и не просто приближенно, а физически оптимальным образом. Природа не позволяет большей точности с когерентным лазерным светом. Новая технология может использоваться в совершенно разных областях применения, даже с разными типами волн.

«Вы всегда хотите достичь наилучшей возможной точности измерения — это центральный элемент естественных наук», — говорит Стефан Роттер из TU Wien. «Подумайте, например, об огромном объекте LIGO, который используется для обнаружения гравитационных волн. Там вы посылаете лазерные лучи на зеркало, и изменения расстояния между лазером и зеркалом измеряются с экстремальной точностью». Это работает так хорошо только потому, что лазерный луч проходит через ультравысокий вакуум. Любое нарушение, как бы ничтожно мало оно ни было, должно быть избегнуто.

Но что можно сделать, когда вы имеете дело с нарушениями, которые нельзя устранить? Представьте панель стекла, которая не полностью прозрачна, а шершавая и неполированная, как окно в ванной. Свет может проходить, но не в прямой линии. Световые волны изменяются и рассеиваются, поэтому мы не можем точно увидеть объект по другую сторону окна невооруженным глазом. Ситуация довольно похожа, когда вы хотите исследовать крошечные объекты внутри биологической ткани: беспорядочная среда нарушает лазерный луч. Простой, регулярный прямой лазерный луч тогда становится сложным волновым узором, отклоняющимся во все стороны.

Однако, если вы точно знаете, что делает нарушающая среда с лазерным лучом, вы можете обратить ситуацию. Тогда возможно создать сложный волновой узор, который преобразуется в именно нужную форму для коррекции нарушений и попадает туда, где он может дать лучший результат. Для достижения этого вам даже не нужно точно знать, что такое нарушения, достаточно сначала послать набор пробных волн через систему, чтобы изучить, как они изменяются системой.

Исследователи разработали математическую процедуру, которую затем можно использовать для расчета оптимальной волны из этих тестовых данных. Можно показать, что для различных измерений существуют определенные волны, которые доставляют максимум информации, таких как, например, пространственные координаты, в которых расположен определенный объект.

Возьмите объект, скрытый за мутной панелью стекла: существует оптимальная световая волна, которую можно использовать для получения максимального количества информации о том, сместился ли объект немного вправо или немного влево. Эта волна выглядит сложной и беспорядочной, но затем модифицируется мутной панелью таким образом, что она прибывает к объекту именно желаемым образом и возвращает наибольшее возможное количество информации к экспериментальному измерительному аппарату.

Тот факт, что метод действительно работает, был подтвержден экспериментально в Утрехтском университете (Утрехт, Нидерланды). Лазерные лучи направлялись через беспорядочную среду в виде мутной пластины. Рассеивающее поведение среды было таким образом охарактеризовано. Затем оптимальные волны рассчитывались для анализа объекта за плитой — это увенчалось успехом, с точностью в нанометровом диапазоне.

Затем команда провела дополнительные измерения, чтобы проверить пределы своего метода. Количество фотонов в лазерном луче было значительно снижено, чтобы увидеть, получается ли тогда еще значимый результат. Таким образом, они смогли показать, что метод не только работает, но и оптимален в физическом смысле. Они обнаружили, что точность их метода ограничена только так называемым квантовым шумом. Этот шум возникает из-за того, что свет состоит из фотонов — ничего нельзя с этим поделать. Но в пределах того, что позволяет квантовая физика для когерентного лазерного луча, мы действительно можем рассчитать оптимальные волны для измерения разных вещей. Не только положение, но также движение или направление вращения объектов.