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新突破:激光束可追踪高速粒子轨迹

  在未来追踪任何微粒或许会变得更容易,即使它们的速度快如步枪子弹。德国马普光学研究院(Max Planck Institute for the Science of Light)研究员Christoph Marquardt 和 Gerd Leuchs研究发现,可以通过径向偏振激光束来追踪这些微粒。在径向偏振光中,光波的振动平面就像车轮的辐条一样。当研究人员把微粒放入这种径向偏振光中,它们能够以每秒数十亿次的效率测量光束的偏振来确定微粒的位置。科学家研究得出,激光束的偏振和其空间结构交融在一起。到目前为止,高速物体的路径仅能通过昂贵的高速摄像机进行观测。而且观测也只是一瞬间。

  缠绕态通常是在处理量子力学,非经典物理学时,我们的思维必须掌握的一个有趣的难点。两颗纠缠粒子的特性互相影响,并无任何延时---即使距离较远,影响也存在。但是,经典物理学也有一个模拟量子力学缠绕态的试验。德国马普光学研究院Gerd Leuchs部门的研究员Christoph Marquardt指出:“在径向偏振光束中,偏振与电磁场的空间分布有关。令人吃惊的是,这种关系的数学描述与量子力学缠绕态类似。”

  但是经典缠绕态并不像量子力学缠绕态那样诡异。尽管径向偏振光束的两个特性是密不可分的,但是在较远距离的情况下彼此之间似乎并无任何影响;而这和量子力学缠绕态恰恰相反---即使距离较远,影响也存在。相比之下,经典缠绕态仅仅适用于光束之内。然而它依然有一个实际用途:Christoph Marquardt带领团队的物理学家通过偏振和位置的关系,可以决定以正确角度通过激光束的粒子的位置。而由于每秒可以对光束偏振进行数十亿次的测量,埃尔朗根研究人员甚至可以对以非常快速度飞过激光束的粒子进行追踪。Christoph Marquardt表示:“我们可以通过测量偏振,来对以任何速度移动的粒子进行追踪。”

  通过试验证明运动传感器的工作原理

  我们可以解释所发生的的一切,而无需借助经典缠绕态的数学公式。对径向偏振进行详细观察就足够了。物理学家一般用箭头代表偏振光波。比如说在一个偏振光束图中,箭头就像花环一样围绕着光束中心。每个从光束中心伸出的箭头,都会有另外一个箭头与之相对。也就是说所有的偏振平均为零。

  但是如果偏振方向都被屏蔽到某个点,相应的箭头就失去了“对手”,就会出现净偏振(net polarization);此时每个穿过光束的微粒轨迹就会有所不同。因此只有在当微粒的大约尺寸明确的情况下,才能利用激光束来准确的确定粒子的轨迹。这是因为一个小球体飞过光束附近所留下的偏振轨迹与较大的球体在较远距离经过光束中心时留下的轨迹相似。

  埃尔朗根研究人员通过实验证明了他们的光学运动传感器的工作原理。他们所利用的是直径为一毫米的金属球,并记录下该金属球在激光束中的偏振轨迹。最后,他们还测试了传感器对激光束中出现物体的反应速度。

  经典缠绕态激光束能改善LIDAR技术

  Christoph Marquardt表示:“在这些测试中,新技术展现出了其相比目前用于追踪超快速物体轨迹的方法的优越性。”尽管高速摄像机每秒钟能记录数十亿计的图像,但是他们的成本昂贵,持续时间也只是一瞬间。同时,短脉冲光束也已经被用来记录粒子的轨迹,而且时间分辨率也很高。这是通过更改激光脉冲拍摄粒子以较小增量运动后的图像延时来达到的。这就意味着不仅要知道粒子何时开始运动,而且运动过程也需要不断以相同方式重复进行。

  埃尔朗根研究人员研发的这项技术就没有上述缺陷。参与该项目的Stefan Berg-Johansen指出:“我们可以为研究设想几个应用方法,不仅仅因为该技术相对简单,而且成本较低;如果我们需要使用额外的或者不同类型的激光束,我们甚至可以追踪三维粒子的运动轨迹。”可以通过径向偏振光束来记录光学镊子紧紧抓住的粒子的运动轨迹。也就是说,粒子的运动轨迹可以通过热运动表现出来。最后,当今已经在科学和工程领域被用来测量距离和速度的LIDAR技术,可以通过经典缠绕激光束进行改善。LIDAR技术可以在激光束的方向上测量距离以及运动轨迹;埃尔朗根研究方法也可以通过简单的方式记录横向运动的轨迹。(文/Oscar译)

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