圖一

據奧地利維也納技術大學官網近日報道，該校研究人員開發出一種新方法，可以專(zhuan) 門修改激光束，以便在複雜、無序的環境中準確地傳(chuan) 遞所需的信息。這項新技術可以應用於(yu) 非常不同的領域，甚至可以用在不同類型的波中。

激光束可用於(yu) 精確地測量物體(ti) 的位置或速度。

然而，一般來說，這種測量需要有關(guan) 物體(ti) 的清晰、無障礙的視圖（這個(ge) 先決(jue) 條件並不總是會(hui) 被滿足）。例如生物醫學中，科研人員需要檢查結構，然而這些結構卻會(hui) 嵌入到不規則的複雜環境中。在那樣的環境中，激光束會(hui) 發生偏轉、散射和折射，因此通常無法從(cong) 測量中獲得有用數據。烏(wu) 特勒支大學（荷蘭(lan) ）和維也納技術大學（奧地利維也納）的研究人員展示，他們(men) 在如此複雜的環境中也可以獲得有意義(yi) 的結果。有一種方法可以專(zhuan) 門修改激光束，以便在複雜、無序的環境中準確地傳(chuan) 遞所需的信息，不僅(jin) 是近似地傳(chuan) 遞信息，而且能以物理上的最佳方式傳(chuan) 遞信息：大自然不允許使用相幹激光來獲得更高的精度。這項新技術可以應用於(yu) 非常不同的領域，甚至可以用在不同類型的波中。相關(guan) 論文現在已經刊登在科學雜誌《自然·物理學》（Nature Physics）上。

當光線被無序的結構偏轉時，評估目標的位置會(hui) 變得困難。這項新研究提出了一個(ge) 方法，使我們(men) 可以在如此具有挑戰性的情況下，達到最優(you) 的評估精度。

圖二

維也納技術大學的斯泰凡·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(men) 思考一下，例如，目前正用於(yu) 檢測引力波的巨大LIGO設施。在這個(ge) 設施中，你將激光束發射到鏡子上，並以極高的精度測量激光與(yu) 鏡子之間的距離變化。”因為(wei) 激光束是通過超高真空發送的，所以效果才能很好。任何幹擾，無論有多小，都需要避免。但是，當你麵對無法消除的幹擾時，該怎麽(me) 辦？烏(wu) 特勒支大學的阿爾拉德·莫斯克（Allard Mosk）表示：“讓我們(men) 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(wei) 一條直線。光波會(hui) 發生變化和散射，所以我們(men) 無法用肉眼準確地看到窗戶另一側(ce) 的物體(ti) 。”這個(ge) 情況與(yu) 檢查生物組織內(nei) 的微小物體(ti) 非常相似：雜亂(luan) 的環境會(hui) 幹擾光束。簡單、規則、筆直的激光束就變成了複雜的波形，向各個(ge) 方向偏轉。可是，如果你確切地知道幹擾環境會(hui) 對光束造成什麽(me) 影響，則可以逆轉這種情況：然後有可能創造出一種複雜的波形，而不是簡單、筆直的激光束，該激光束可以根據受到的幹擾和撞擊轉化為(wei) 所需的形狀，從(cong) 而帶來最佳的效果。這項研究的第一作者多裏安·布歇特（Dorian Bouchet）解釋說：“要實現這一目標，你甚至不需要確切地知道幹擾是什麽(me) 。首先通過係統發送一組試驗波，就足以研究它們(men) 是如何被係統所改變的。”圖2所示：這個(ge) 最優(you) 方案在入射激光束上印刻一個(ge) 圖案，從(cong) 而在物體(ti) 上產(chan) 生最大的信息輸出，使我們(men) 可以精確地測量物體(ti) 的位置，而不是采用筆直的普通激光束來評估在一個(ge) 混亂(luan) 環境內(nei) 隱藏的物體(ti) 的位置。

激光雷達的光波示意圖

參與(yu) 這項工作的科學家們(men) 共同開發了一個(ge) 數學程序，然後這個(ge) 程序可用於(yu) 從(cong) 該測試數據中計算出最佳波：“你可以證明，對於(yu) 各種測量來說，某些波可以傳(chuan) 遞最大的信息，例如，某個(ge) 物體(ti) 所在的空間坐標。”以隱藏在一塊渾濁的玻璃板後麵的物體(ti) 為(wei) 例：有一個(ge) 最佳的光波可用於(yu) 獲取有關(guan) 該物體(ti) 是向右還是向左移動一點的最大量信息。這個(ge) 波看起來複雜且無序，但隨後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(ti) ，並向實驗測量設備返回盡可能多的信息量。烏(wu) 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，從(cong) 而表征了介質的散射行為(wei) ，然後計算出最佳波，以便分析板後的物體(ti) 。他們(men) 取得了成功，精度在納米範圍內(nei) 。然後，研究團隊進行進一步測量，以測試其新方法的局限性：激光束中的光子數量被大大減少，以查看是否仍可得到有意義(yi) 的結果。通過這種方式，他們(men) 能夠展示該方法不僅(jin) 有效，而且在物理意義(yi) 上甚至是最佳的。阿爾拉德·莫斯克解釋道：“我們(men) 發現，該方法的精度不僅(jin) 受到所謂的量子噪聲的限製。光線是由光子組成的這一事實引起了這種噪聲，我們(men) 對此無能為(wei) 力。但是在量子物理學允許我們(men) 對相幹激光束進行控製的範圍內(nei) ，我們(men) 實際上可以計算出最佳光波以測量不同的事物。不僅(jin) 是物體(ti) 的位置，還有物體(ti) 的運動或旋轉方向。”價(jia) 值這些成果是在半導體(ti) 結構納米級成像項目的背景下獲得的，這個(ge) 項目由大學與(yu) 工業(ye) 夥(huo) 伴合作開展。這項新技術可能的應用領域包括：微生物學以及計算機芯片的生產(chan) ，在這些領域中極其精確的測量都是必不可少的。