Optimal information om det usynlige

Laserstråler kan bruges til præcist at måle et objekts position eller hastighed. Normalt, imidlertid, en klar, uhindret udsyn til dette objekt er påkrævet - og denne forudsætning er ikke altid opfyldt. I biomedicin, for eksempel, strukturer undersøges, som er indlejret i en uregelmæssig, kompliceret miljø. der, laserstrålen afbøjes, spredt og brudt, ofte gør det umuligt at få brugbare data fra målingen.

Imidlertid, Utrecht University (Holland) og TU Wien (Wien, Østrig) har nu været i stand til at vise, at meningsfulde resultater kan opnås selv i så komplicerede miljøer. Ja, der er en måde at specifikt modificere laserstrålen, så den leverer præcis den ønskede information i komplekset, uordentligt miljø - og ikke kun ca. men på en fysisk optimal måde:Naturen tillader ikke mere præcision med sammenhængende laserlys. Den nye teknologi kan bruges i vidt forskellige anvendelsesområder, selv med forskellige typer bølger, og er nu blevet præsenteret i det videnskabelige tidsskrift Naturfysik .

Støvsugeren og badeværelsesvinduet

"Du ønsker altid at opnå den bedst mulige målenøjagtighed - det er et centralt element i alle naturvidenskaber, " siger Stefan Rotter fra TU Wien. "Lad os tænke, for eksempel, af det enorme LIGO-anlæg, som bliver brugt til at detektere gravitationsbølger:Der, du sender laserstråler på et spejl, og ændringer i afstanden mellem laseren og spejlet måles med ekstrem præcision." Dette fungerer kun så godt, fordi laserstrålen sendes gennem et ultrahøjt vakuum. Enhver forstyrrelse, lige meget hvor lille, skal undgås.

Men hvad kan du gøre, når du har at gøre med forstyrrelser, der ikke kan fjernes? "Lad os forestille os et glaspanel, der ikke er helt gennemsigtigt, men ru og upoleret som et badeværelsesvindue" siger Allard Mosk fra Utrecht University. "Lys kan passere igennem, men ikke i en lige linje. Lysbølgerne ændres og spredes, så vi kan ikke nøjagtigt se en genstand på den anden side af vinduet med det blotte øje." Situationen er ret ens, når man vil undersøge bittesmå genstande inde i biologisk væv:det uordnede miljø forstyrrer lysstrålen. Den enkle, almindelig lige laserstråle bliver så til et kompliceret bølgemønster, der afbøjes i alle retninger.

Den optimale bølge

Imidlertid, hvis du ved præcis, hvad det forstyrrende miljø gør ved lysstrålen, du kan vende situationen om:Så er det muligt at skabe et kompliceret bølgemønster i stedet for det simple, lige laserstråle, som bliver forvandlet til præcis den ønskede form på grund af forstyrrelserne og rammer lige dér, hvor det kan levere det bedste resultat. "For at opnå dette, du behøver ikke engang at vide præcis, hvad forstyrrelserne er, "Dorian Bouchet, den første forfatter til undersøgelsen forklarer. "Det er nok først at sende et sæt prøvebølger gennem systemet for at studere, hvordan de ændres af systemet."

Forskerne, der er involveret i dette arbejde, udviklede i fællesskab en matematisk procedure, som derefter kan bruges til at beregne den optimale bølge ud fra disse testdata:"Du kan vise, at for forskellige målinger er der visse bølger, der leverer et maksimum af information som, f.eks., på de rumlige koordinater, hvor et bestemt objekt er placeret."

Tag for eksempel en genstand, der er skjult bag en grumset glasrude:Der er en optimal lysbølge, der kan bruges til at opnå den maksimale mængde information om, hvorvidt objektet har bevæget sig lidt til højre eller lidt til venstre. Denne bølge ser kompliceret og uordnet ud, men modificeres da af den uklare rude på en sådan måde, at den kommer til genstanden på nøjagtig den ønskede måde og returnerer størst mulig information til det eksperimentelle måleapparat.

Lasereksperimenter i Utrecht

Det faktum, at metoden faktisk virker, blev bekræftet eksperimentelt på Utrecht Universitet:Laserstråler blev rettet gennem et uordnet medium i form af en uklar plade. Mediets spredningsadfærd blev derved karakteriseret, så blev de optimale bølger beregnet for at analysere et objekt ud over pladen - og det lykkedes, med en præcision i nanometerområdet.

Derefter udførte holdet yderligere målinger for at teste grænserne for deres nye metode:Antallet af fotoner i laserstrålen blev reduceret betydeligt for at se, om man så stadig får et meningsfuldt resultat. På denne måde de var i stand til at vise, at metoden ikke kun virker, men er endda optimal i fysisk forstand:"Vi ser, at præcisionen af ​​vores metode kun er begrænset af den såkaldte kvantestøj, " forklarer Allard Mosk. "Denne støj skyldes det faktum, at lys består af fotoner - det kan der ikke gøres noget ved. Men inden for grænserne af, hvad kvantefysikken tillader os at gøre for en sammenhængende laserstråle, vi kan faktisk beregne de optimale bølger til at måle forskellige ting. Ikke kun stillingen, men også bevægelsen eller rotationsretningen af ​​genstande."

Disse resultater blev opnået i forbindelse med et program til nanometer-skala billeddannelse af halvlederstrukturer, hvor universiteterne samarbejder med industrien. Ja, mulige anvendelsesområder for denne nye teknologi omfatter mikrobiologi, men også produktion af computerchips, hvor ekstremt præcise mål er uundværlige.