閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
深度解讀

新型激光技術(shù):可測(cè)量半透明玻璃背后物體的精確位置!

星之球科技 來(lái)源:環(huán)球創(chuàng)新智慧2021-01-26 我要評(píng)論(0 )   

導(dǎo)讀據(jù)奧地利維也納技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道,該校研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法,可以專門修改激光束,以便在復(fù)雜、無(wú)序的環(huán)境中準(zhǔn)確地傳遞所需的信息。

導(dǎo)讀

據(jù)奧地利維也納技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道,該校研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法,可以專門修改激光束,以便在復(fù)雜、無(wú)序的環(huán)境中準(zhǔn)確地傳遞所需的信息。這項(xiàng)新技術(shù)可以應(yīng)用于非常不同的領(lǐng)域,甚至可以用在不同類型的波中。

背景激光束可用于精確地測(cè)量物體的位置或速度。

激光雷達(dá)的光波示意圖(圖片來(lái)源:Johann Riemensberger)

然而,一般來(lái)說(shuō),這種測(cè)量需要有關(guān)物體的清晰、無(wú)障礙的視圖(這個(gè)先決條件并不總是會(huì)被滿足)。例如生物醫(yī)學(xué)中,科研人員需要檢查結(jié)構(gòu),然而這些結(jié)構(gòu)卻會(huì)嵌入到不規(guī)則的復(fù)雜環(huán)境中。在那樣的環(huán)境中,激光束會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、散射和折射,因此通常無(wú)法從測(cè)量中獲得有用數(shù)據(jù)。創(chuàng)新近日,烏特勒支大學(xué)(荷蘭)和維也納技術(shù)大學(xué)(奧地利維也納)的研究人員展示,他們?cè)谌绱藦?fù)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(fù)雜、無(wú)序的環(huán)境中準(zhǔn)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(lái)獲得更高的精度。這項(xiàng)新技術(shù)可以應(yīng)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(xué)雜志《自然·物理學(xué)》(Nature Physics)上。

下圖所示:當(dāng)光線被無(wú)序的結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)時(shí),評(píng)估目標(biāo)的位置會(huì)變得困難。這項(xiàng)新研究提出了一個(gè)方法,使我們可以在如此具有挑戰(zhàn)性的情況下,達(dá)到最優(yōu)的評(píng)估精度。

(圖片來(lái)源:維也納技術(shù)大學(xué))

技術(shù)維也納技術(shù)大學(xué)的斯泰凡·羅特(Stefan Rotter)表示:“你一直想獲得盡可能最佳的測(cè)量精度(這是所有自然科學(xué)的核心要素)。讓我們思考一下,例如,目前正用于檢測(cè)引力波的巨大 LIGO 設(shè)施。在這個(gè)設(shè)施中,你將激光束發(fā)射到鏡子上,并以極高的精度測(cè)量激光與鏡子之間的距離變化?!币?yàn)榧す馐峭ㄟ^(guò)超高真空發(fā)送的,所以效果才能很好。任何干擾,無(wú)論有多小,都需要避免。但是,當(dāng)你面對(duì)無(wú)法消除的干擾時(shí),該怎么辦?烏特勒支大學(xué)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(guò),但不能成為一條直線。光波會(huì)發(fā)生變化和散射,所以我們無(wú)法用肉眼準(zhǔn)確地看到窗戶另一側(cè)的物體。” 這個(gè)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(huì)干擾光束。簡(jiǎn)單、規(guī)則、筆直的激光束就變成了復(fù)雜的波形,向各個(gè)方向偏轉(zhuǎn)??墒?,如果你確切地知道干擾環(huán)境會(huì)對(duì)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(fù)雜的波形,而不是簡(jiǎn)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(lái)最佳的效果。這項(xiàng)研究的第一作者多里安·布歇特(Dorian Bouchet)解釋說(shuō):“要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),你甚至不需要確切地知道干擾是什么。首先通過(guò)系統(tǒng)發(fā)送一組試驗(yàn)波,就足以研究它們是如何被系統(tǒng)所改變的?!毕聢D所示:這個(gè)最優(yōu)方案在入射激光束上印刻一個(gè)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(cè)量物體的位置(見(jiàn)底部圖像),而不是采用筆直的普通激光束來(lái)評(píng)估在一個(gè)混亂環(huán)境內(nèi)隱藏的物體的位置。(見(jiàn)頂部圖像)。

(圖片來(lái)源:維也納技術(shù)大學(xué))

參與這項(xiàng)工作的科學(xué)家們共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)程序,然后這個(gè)程序可用于從該測(cè)試數(shù)據(jù)中計(jì)算出最佳波:“你可以證明,對(duì)于各種測(cè)量來(lái)說(shuō),某些波可以傳遞最大的信息,例如,某個(gè)物體所在的空間坐標(biāo)?!币噪[藏在一塊渾濁的玻璃板后面的物體為例:有一個(gè)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(dòng)一點(diǎn)的最大量信息。這個(gè)波看起來(lái)復(fù)雜且無(wú)序,但隨后被渾濁的窗戶玻璃進(jìn)行了修改,使其以所需的精確方式到達(dá)物體,并向?qū)嶒?yàn)測(cè)量設(shè)備返回盡可能多的信息量。烏特勒支大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法確實(shí)有效:激光束穿過(guò)混濁玻璃板形式的無(wú)序介質(zhì),從而表征了介質(zhì)的散射行為,然后計(jì)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量,以測(cè)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(guò)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(shí)引起了這種噪聲,我們對(duì)此無(wú)能無(wú)力。但是在量子物理學(xué)允許我們對(duì)相干激光束進(jìn)行控制的范圍內(nèi),我們實(shí)際上可以計(jì)算出最佳光波以測(cè)量不同的事物。不僅是物體的位置,還有物體的運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)方向?!眱r(jià)值這些成果是在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)納米級(jí)成像項(xiàng)目的背景下獲得的,這個(gè)項(xiàng)目由大學(xué)與工業(yè)伙伴合作開(kāi)展。這項(xiàng)新技術(shù)可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括:微生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)芯片的生產(chǎn),在這些領(lǐng)域中極其精確的測(cè)量都是必不可少的。

關(guān)鍵詞

物理、激光、測(cè)量

參考資料

【1】Dorian Bouchet, Stefan Rotter, Allard P. Mosk. Maximum information states for coherent scattering measurements. Nature Physics, 2021; DOI: 10.1038/s41567-020-01137-4

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

制造業(yè)激光激光技術(shù)
免責(zé)聲明

① 凡本網(wǎng)未注明其他出處的作品,版權(quán)均屬于激光制造網(wǎng),未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用。獲本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使 用,并注明"來(lái)源:激光制造網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)責(zé)任。
② 凡本網(wǎng)注明其他來(lái)源的作品及圖片,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé),版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)內(nèi)容可能涉嫌侵犯其合法權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)向本網(wǎng)提出書(shū)面權(quán)利通知,并提供身份證明、權(quán)屬證明、具體鏈接(URL)及詳細(xì)侵權(quán)情況證明。本網(wǎng)在收到上述法律文件后,將會(huì)依法盡快移除相關(guān)涉嫌侵權(quán)的內(nèi)容。

網(wǎng)友點(diǎn)評(píng)
0相關(guān)評(píng)論
精彩導(dǎo)讀