导读

据奥地利维也纳技术大学官网近日报道，该校研究人员开发出一种新方法，可以专门修改激光束，以便在复杂、无序的环境中准确地传递所需的信息。这项新技术可以应用于非常不同的领域，甚至可以用在不同类型的波中。

背景激光束可用于精确地测量物体的位置或速度。

激光雷达的光波示意图（图片来源：Johann Riemensberger）

然而，一般来说，这种测量需要有关物体的清晰、无障碍的视图（这个先决条件并不总是会被满足）。例如生物医学中，科研人员需要检查结构，然而这些结构却会嵌入到不规则的复杂环境中。在那样的环境中，激光束会发生偏转、散射和折射，因此通常无法从测量中获得有用数据。创新近日，乌特勒支大学（荷兰）和维也纳技术大学（奥地利维也纳）的研究人员展示，他们在如此复杂的环境中也可以获得有意义的结果。有一种方法可以专门修改激光束，以便在复杂、无序的环境中准确地传递所需的信息，不仅是近似地传递信息，而且能以物理上的最佳方式传递信息：大自然不允许使用相干激光来获得更高的精度。这项新技术可以应用于非常不同的领域，甚至可以用在不同类型的波中。相关论文现在已经刊登在科学杂志《自然·物理学》（Nature Physics）上。

下图所示：当光线被无序的结构偏转时，评估目标的位置会变得困难。这项新研究提出了一个方法，使我们可以在如此具有挑战性的情况下，达到最优的评估精度。

（图片来源：维也纳技术大学）

技术维也纳技术大学的斯泰凡·罗特（Stefan Rotter）表示：“你一直想获得尽可能最佳的测量精度（这是所有自然科学的核心要素）。让我们思考一下，例如，目前正用于检测引力波的巨大 LIGO 设施。在这个设施中，你将激光束发射到镜子上，并以极高的精度测量激光与镜子之间的距离变化。”因为激光束是通过超高真空发送的，所以效果才能很好。任何干扰，无论有多小，都需要避免。但是，当你面对无法消除的干扰时，该怎么办？乌特勒支大学的阿尔拉德·莫斯克（Allard Mosk）表示：“让我们想象一下，一块玻璃板不是完全透明的，而是像浴室窗户那样粗糙。光可以穿过，但不能成为一条直线。光波会发生变化和散射，所以我们无法用肉眼准确地看到窗户另一侧的物体。” 这个情况与检查生物组织内的微小物体非常相似：杂乱的环境会干扰光束。简单、规则、笔直的激光束就变成了复杂的波形，向各个方向偏转。可是，如果你确切地知道干扰环境会对光束造成什么影响，则可以逆转这种情况：然后有可能创造出一种复杂的波形，而不是简单、笔直的激光束，该激光束可以根据受到的干扰和撞击转化为所需的形状，从而带来最佳的效果。这项研究的第一作者多里安·布歇特（Dorian Bouchet）解释说：“要实现这一目标，你甚至不需要确切地知道干扰是什么。首先通过系统发送一组试验波，就足以研究它们是如何被系统所改变的。”下图所示：这个最优方案在入射激光束上印刻一个图案，从而在物体上产生最大的信息输出，使我们可以精确地测量物体的位置（见底部图像），而不是采用笔直的普通激光束来评估在一个混乱环境内隐藏的物体的位置。（见顶部图像）。

（图片来源：维也纳技术大学）

参与这项工作的科学家们共同开发了一个数学程序，然后这个程序可用于从该测试数据中计算出最佳波：“你可以证明，对于各种测量来说，某些波可以传递最大的信息，例如，某个物体所在的空间坐标。”以隐藏在一块浑浊的玻璃板后面的物体为例：有一个最佳的光波可用于获取有关该物体是向右还是向左移动一点的最大量信息。这个波看起来复杂且无序，但随后被浑浊的窗户玻璃进行了修改，使其以所需的精确方式到达物体，并向实验测量设备返回尽可能多的信息量。乌特勒支大学通过实验证实了该方法确实有效：激光束穿过混浊玻璃板形式的无序介质，从而表征了介质的散射行为，然后计算出最佳波，以便分析板后的物体。他们取得了成功，精度在纳米范围内。然后，研究团队进行进一步测量，以测试其新方法的局限性：激光束中的光子数量被大大减少，以查看是否仍可得到有意义的结果。通过这种方式，他们能够展示该方法不仅有效，而且在物理意义上甚至是最佳的。阿尔拉德·莫斯克解释道：“我们发现，该方法的精度不仅受到所谓的量子噪声的限制。光线是由光子组成的这一事实引起了这种噪声，我们对此无能无力。但是在量子物理学允许我们对相干激光束进行控制的范围内，我们实际上可以计算出最佳光波以测量不同的事物。不仅是物体的位置，还有物体的运动或旋转方向。”价值这些成果是在半导体结构纳米级成像项目的背景下获得的，这个项目由大学与工业伙伴合作开展。这项新技术可能的应用领域包括：微生物学以及计算机芯片的生产，在这些领域中极其精确的测量都是必不可少的。

关键词

物理、激光、测量

参考资料

【1】Dorian Bouchet, Stefan Rotter, Allard P. Mosk. Maximum information states for coherent scattering measurements. Nature Physics, 2021; DOI: 10.1038/s41567-020-01137-4