Лазерные лучи можно использовать для точного измерения положения или скорости объекта. Однако обычно требуется четкий, беспрепятственный обзор этого объекта, и это условие не всегда выполняется. В биомедицине, например, исследуются структуры, встроенные в нерегулярную, сложную среду. Там лазерный луч отклоняется, рассеивается и преломляется, что часто делает невозможным получение полезных данных измерения.
Тем не менее, Утрехтский университет (Нидерланды) и Технический университет Вены (Вена, Австрия) смогли показать, что значимые результаты могут быть получены даже в таких сложных условиях. Действительно, есть способ специально модифицировать лазерный луч, чтобы он доставлял именно нужную информацию в сложной, неупорядоченной среде - и не просто приблизительно, а физически оптимальным образом: природа не позволяет достичь большей точности с когерентным лазерным светом.. Новую технологию можно использовать в самых разных областях применения, даже с разными типами волн, и теперь она была представлена в научном журнале «Nature Physics».
Пылесос и окно в ванной
«Вы всегда хотите достичь максимально возможной точности измерений - это центральный элемент всех естественных наук», - говорит Стефан Роттер из TU Wien. «Давайте подумаем, например, об огромной установке LIGO, которая используется для обнаружения гравитационных волн: вы направляете лазерные лучи на зеркало, и изменения расстояния между лазером и зеркалом измеряются с предельной точностью». Это работает так хорошо только потому, что лазерный луч отправляется через сверхвысокий вакуум. Следует избегать любых нарушений, даже самых незначительных.
Но что вы можете сделать, когда имеете дело с нарушениями, которые невозможно устранить? «Давайте представим стеклянную панель, которая не является идеально прозрачной, а шероховатой и неполированной, как окно в ванной», - говорит Аллард Моск из Утрехтского университета. «Свет может проходить, но не по прямой линии. Световые волны изменяются и рассеиваются, поэтому мы не можем точно увидеть объект по другую сторону окна невооруженным глазом». Аналогичная ситуация, когда вы хотите исследовать крошечные объекты внутри биологической ткани: неупорядоченная среда мешает световому лучу. Простой, обычный прямой лазерный луч затем становится сложной волновой структурой, которая отклоняется во всех направлениях.
Оптимальная волна
Однако, если вы точно знаете, что возмущающая среда делает со световым лучом, вы можете изменить ситуацию: тогда можно создать сложную волновую картину вместо простого прямого лазерного луча, который трансформируется в точно желаемую форму из-за возмущений и попадает именно туда, где это может дать наилучший результат.«Для этого вам даже не нужно точно знать, что это за нарушения», - объясняет Дориан Буше, первый автор исследования. «Достаточно сначала отправить через систему набор пробных волн, чтобы изучить, как они изменяются системой».
Ученые, участвовавшие в этой работе, совместно разработали математическую процедуру, которую затем можно использовать для расчета оптимальной волны на основе этих тестовых данных: «Вы можете показать, что для различных измерений существуют определенные волны, которые доставляют максимум информации как, например, по пространственным координатам, в которых находится тот или иной объект."
Возьмем, к примеру, объект, спрятанный за мутным оконным стеклом: существует оптимальная световая волна, с помощью которой можно получить максимальное количество информации о том, сдвинулся ли объект немного вправо или немного левее. Эта волна выглядит сложной и неупорядоченной, но затем видоизменяется мутным стеклом таким образом, что достигает объекта именно нужным образом и возвращает экспериментальному измерительному прибору максимально возможное количество информации.
Лазерные эксперименты в Утрехте
Тот факт, что метод действительно работает, был подтвержден экспериментально в Утрехтском университете: лазерные лучи направлялись через неупорядоченную среду в виде мутной пластины. Тем самым характеризовалось рассеивающее поведение среды, затем рассчитывались оптимальные волны для анализа объекта за пределами пластины - и это удалось с точностью в нанометровом диапазоне.
Затем команда провела дальнейшие измерения, чтобы проверить пределы своего нового метода: количество фотонов в лазерном луче было значительно уменьшено, чтобы увидеть, получает ли он по-прежнему значимый результат. Таким образом им удалось показать, что метод не только работает, но даже оптимален в физическом смысле: «Мы видим, что точность нашего метода ограничена только так называемым квантовым шумом», - объясняет Аллард Моск. «Этот шум возникает из-за того, что свет состоит из фотонов - с этим ничего нельзя поделать. Но в пределах того, что квантовая физика позволяет нам делать для когерентного лазерного луча, мы действительно можем рассчитать оптимальные волны для измерения разных вещей. Не только положение, но и движение или направление вращения объектов."
Эти результаты были получены в рамках программы визуализации полупроводниковых структур в нанометровом масштабе, в рамках которой университеты сотрудничают с промышленностью. Действительно, возможные области применения этой новой технологии включают микробиологию, а также производство компьютерных микросхем, где необходимы чрезвычайно точные измерения.