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解決方案

新型激光技術(shù):可測量半透明玻璃背后物體的精確位置

星之球科技 來源:中國航空報2021-02-02 我要評論(0 )   

圖一據(jù)奧地利維也納技術(shù)大學官網(wǎng)近日報道,該校研究人員開發(fā)出一種新方法,可以專門修改激光束,以便在復雜、無序的環(huán)境中準確地傳遞所需的信息。

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圖一

據(jù)奧地利維也納技術(shù)大學官網(wǎng)近日報道,該校研究人員開發(fā)出一種新方法,可以專門修改激光束,以便在復雜、無序的環(huán)境中準確地傳遞所需的信息。這項新技術(shù)可以應用于非常不同的領(lǐng)域,甚至可以用在不同類型的波中。

激光束可用于精確地測量物體的位置或速度。

然而,一般來說,這種測量需要有關(guān)物體的清晰、無障礙的視圖(這個先決條件并不總是會被滿足)。例如生物醫(yī)學中,科研人員需要檢查結(jié)構(gòu),然而這些結(jié)構(gòu)卻會嵌入到不規(guī)則的復雜環(huán)境中。在那樣的環(huán)境中,激光束會發(fā)生偏轉(zhuǎn)、散射和折射,因此通常無法從測量中獲得有用數(shù)據(jù)。烏特勒支大學(荷蘭)和維也納技術(shù)大學(奧地利維也納)的研究人員展示,他們在如此復雜的環(huán)境中也可以獲得有意義的結(jié)果。有一種方法可以專門修改激光束,以便在復雜、無序的環(huán)境中準確地傳遞所需的信息,不僅是近似地傳遞信息,而且能以物理上的最佳方式傳遞信息:大自然不允許使用相干激光來獲得更高的精度。這項新技術(shù)可以應用于非常不同的領(lǐng)域,甚至可以用在不同類型的波中。相關(guān)論文現(xiàn)在已經(jīng)刊登在科學雜志《自然·物理學》(Nature Physics)上。

當光線被無序的結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)時,評估目標的位置會變得困難。這項新研究提出了一個方法,使我們可以在如此具有挑戰(zhàn)性的情況下,達到最優(yōu)的評估精度。

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圖二

維也納技術(shù)大學的斯泰凡·羅特(Stefan Rotter)表示:“你一直想獲得盡可能最佳的測量精度(這是所有自然科學的核心要素)。讓我們思考一下,例如,目前正用于檢測引力波的巨大LIGO設施。在這個設施中,你將激光束發(fā)射到鏡子上,并以極高的精度測量激光與鏡子之間的距離變化?!币驗榧す馐峭ㄟ^超高真空發(fā)送的,所以效果才能很好。任何干擾,無論有多小,都需要避免。但是,當你面對無法消除的干擾時,該怎么辦?烏特勒支大學的阿爾拉德·莫斯克(Allard Mosk)表示:“讓我們想象一下,一塊玻璃板不是完全透明的,而是像浴室窗戶那樣粗糙。光可以穿過,但不能成為一條直線。光波會發(fā)生變化和散射,所以我們無法用肉眼準確地看到窗戶另一側(cè)的物體?!边@個情況與檢查生物組織內(nèi)的微小物體非常相似:雜亂的環(huán)境會干擾光束。簡單、規(guī)則、筆直的激光束就變成了復雜的波形,向各個方向偏轉(zhuǎn)??墒?,如果你確切地知道干擾環(huán)境會對光束造成什么影響,則可以逆轉(zhuǎn)這種情況:然后有可能創(chuàng)造出一種復雜的波形,而不是簡單、筆直的激光束,該激光束可以根據(jù)受到的干擾和撞擊轉(zhuǎn)化為所需的形狀,從而帶來最佳的效果。這項研究的第一作者多里安·布歇特(Dorian Bouchet)解釋說:“要實現(xiàn)這一目標,你甚至不需要確切地知道干擾是什么。首先通過系統(tǒng)發(fā)送一組試驗波,就足以研究它們是如何被系統(tǒng)所改變的。”圖2所示:這個最優(yōu)方案在入射激光束上印刻一個圖案,從而在物體上產(chǎn)生最大的信息輸出,使我們可以精確地測量物體的位置,而不是采用筆直的普通激光束來評估在一個混亂環(huán)境內(nèi)隱藏的物體的位置。

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激光雷達的光波示意圖

參與這項工作的科學家們共同開發(fā)了一個數(shù)學程序,然后這個程序可用于從該測試數(shù)據(jù)中計算出最佳波:“你可以證明,對于各種測量來說,某些波可以傳遞最大的信息,例如,某個物體所在的空間坐標?!币噪[藏在一塊渾濁的玻璃板后面的物體為例:有一個最佳的光波可用于獲取有關(guān)該物體是向右還是向左移動一點的最大量信息。這個波看起來復雜且無序,但隨后被渾濁的窗戶玻璃進行了修改,使其以所需的精確方式到達物體,并向?qū)嶒灉y量設備返回盡可能多的信息量。烏特勒支大學通過實驗證實了該方法確實有效:激光束穿過混濁玻璃板形式的無序介質(zhì),從而表征了介質(zhì)的散射行為,然后計算出最佳波,以便分析板后的物體。他們?nèi)〉昧顺晒?,精度在納米范圍內(nèi)。然后,研究團隊進行進一步測量,以測試其新方法的局限性:激光束中的光子數(shù)量被大大減少,以查看是否仍可得到有意義的結(jié)果。通過這種方式,他們能夠展示該方法不僅有效,而且在物理意義上甚至是最佳的。阿爾拉德·莫斯克解釋道:“我們發(fā)現(xiàn),該方法的精度不僅受到所謂的量子噪聲的限制。光線是由光子組成的這一事實引起了這種噪聲,我們對此無能為力。但是在量子物理學允許我們對相干激光束進行控制的范圍內(nèi),我們實際上可以計算出最佳光波以測量不同的事物。不僅是物體的位置,還有物體的運動或旋轉(zhuǎn)方向。”價值這些成果是在半導體結(jié)構(gòu)納米級成像項目的背景下獲得的,這個項目由大學與工業(yè)伙伴合作開展。這項新技術(shù)可能的應用領(lǐng)域包括:微生物學以及計算機芯片的生產(chǎn),在這些領(lǐng)域中極其精確的測量都是必不可少的。 


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