Исследователи нашли способ исказить лазерный свет, чтобы выжить в путешествии через беспорядочные препятствия.
Ключевые выводы
- Лазеры отлично подходят для измерения, если они могут четко видеть цель.
- В биомедицинских приложениях на пути объектов, нуждающихся в измерении, часто встречаются неупорядоченные вещи.
- Новая техника использует этот беспорядок для создания индивидуального оптимального лазерного луча.
Лазеры могут производить удивительно точные измерения. Бесценные для точного конструирования и производства, они также позволяют биомедицинским исследователям и врачам точно определять положение и движение микроскопических объектов, от клеток до тканей и крошечных биологических структур. То есть когда лазером можно попасть прямым выстрелом в цель, что зачастую невозможно. В человеческом теле, например, эти объекты могут быть частично скрыты, расположены внутри или даже за сложными затемняющими веществами.
Теперь ученые из Утрехтского университета (Нидерланды) и Технического университета Вены в Австрии разработали классный способ изменить лазеры, чтобы они могли отражаться прямо через такие поля искажения, достигая другой стороны как «оптимальная волна».” достаточно цел, чтобы приступить к работе.
Их новая система описана в журнале Nature Physics.
При работе с лазерами или любыми другими измерительными инструментами «вы всегда хотите достичь наилучшей возможной точности измерений - это центральный элемент всех естественных наук», - говорит соавтор статьи Стефан Роттер из TU Wien. в пресс-релизе. Для этого идеально подходит высокосфокусированный лазерный луч. Однако провести его через неупорядоченный барьер, не нарушая целостность луча, - непростая задача.
Исследователи описывают проблему на примере матового стекла, которое можно встретить в окне ванной комнаты. Аллан Моск из Утрехтского университета, еще один соавтор, объясняет: «Давайте представим стеклянную панель, которая не идеально прозрачна, а шероховатая и неполированная, как окно в ванной». Чтобы люди не видели ванную, «Свет может проходить, но не по прямой линии. Световые волны искажаются и рассеиваются, поэтому мы не можем точно увидеть объект по ту сторону окна невооруженным глазом».
Это мало чем отличается от того, что происходит, когда ученый пытается исследовать какой-нибудь крошечный объект внутри биологической ткани. Беспорядок между учёным и объектом превращает концентрированный лазерный луч в сложную волновую структуру, которая рассеивается на пути сквозь визуальный барьер.
Исследователи обнаружили, что они могут модифицировать свет лазера в ожидании того, как он будет проходить через неупорядоченную среду, чтобы он достиг своей цели с другой стороны с достаточной когерентностью для проведения точных измерений.
Хотя эта оптимальная волна может и не быть чистым, первозданным лазерным светом, тем не менее, это всего лишь световая волна, необходимая для успешного прохождения через этот конкретный барьер. Исследователи смогли разработать математическую процедуру, которая дает им искажение, необходимое для создания такой волны. Говорит первый автор Дориан Буше, также из Утрехтского университета: «Можно показать, что для различных измерений существуют определенные волны, которые доставляют максимум информации, например, о пространственных координатах, в которых находится определенный объект».
Буше добавляет: «Чтобы достичь этого, вам даже не нужно точно знать, что такое помехи. Достаточно сначала отправить через систему набор пробных волн, чтобы изучить, как они меняются под действием [этого].»
Возвращаясь к примеру с застекленным окном в ванной, система должна определить оптимальную световую волну, которая может пройти через неупорядоченное стекло, и при этом точно измерить движение человека за стеклом.
Исследователи подтвердили, что их формула работала в экспериментах в Утрехте, в которых им удалось провести измерения в наномасштабе с помощью лазера, который успешно прошел через мутную пластину, играющую роль неупорядоченной среды. Они также пробовали все более и более простые лазерные лучи - уменьшая количество используемых фотонов - чтобы увидеть, как далеко они смогут продвинуть свою систему. Они обнаружили, что даже с самым простым из возможных лазером он по-прежнему работает удовлетворительно.
Говорит Моск: «Мы видим, что точность нашего метода ограничена только так называемым квантовым шумом. Этот шум возникает из-за того, что свет состоит из фотонов - с этим ничего нельзя поделать». Тем не менее, говорит он, «в пределах того, что квантовая физика позволяет нам делать для когерентного лазерного луча, мы действительно можем рассчитать оптимальные волны для измерения различных вещей. Не только положение, но и движение или направление вращения объектов».