维也纳研究人员开发新型激光测量方法可攻克复杂介质数据收集难题

2021-02-03 15:04

来自乌特勒支大学（荷兰）和维也纳技术大学（奥地利维也纳）的研究人员利用数学程序开发了一种基于激光的测量方法，可以用来从测试数据中计算出最佳波，用于无序和复杂的介质的数据收集。

一般来说，这种测量需要有关物体的清晰、无障碍的视图。比如在生物医学中，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。

研究人员使用一块浑浊的玻璃板测试了这项技术。乌特勒支大学的Allard Mosk说：＂光可以通过玻璃，但无法直线通过。一块玻璃板，它并不是像看上去那样完全透明，而是像浴室的窗户一样粗糙和不抛光。光波通过玻璃时会被改变和散射，所以我们无法用肉眼准确地看到窗户另一边的物体。＂

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。

在表征介质的散射行为时，研究人员能够计算出分析玻璃后面物体的最佳波，并得到了可以精确到纳米范围的信息。为了测试该技术的极限，研究人员大幅减少了光子的数量。他们发现，他们仍然能够得到精确的结果，这个结果在物理意义上甚至是最佳的。

Mosk说：＂我们看到，我们的方法的精度只受到所谓的量子噪声的限制。这种噪声来自于光由光子组成的事实，我们对此对此无能为力。但在量子物理学允许我们对相干激光束所做的限制内，我们实际上可以计算出最佳的波来测量不同的东西－－不仅是位置，而且是物体的运动或旋转方向。＂

这个研究的意义在于，科学家门找到了一种方法，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。

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要的。