用激光方法克服无序介质的限制

来自TU Wien和Utrecht University的研究人员开发出一种激光依赖的方法，并且利用数学算法通过无序和复杂的介质收集数据。在生物医学等环境中，嵌入不规则并且复杂环境中的结构可能难以用光进行测量;不规则性可能会导致光的偏转、散射和折射，这会使收集到的信息不准确。

无序的结构如不透明的玻璃窗格可以改变光的路径，使得很难获得它们后面的物体的准确信息，虽然由TU Wien和Utrecht University开发的数学程序可以进行高度精确的测量。TU Wien供图。

"你总是希望达到最好的测量精度，这是所有自然科学的核心要素，"来自TU Wien的Stefan Rotter说。"让我们想想，例如巨大的LIGO设施，这是用来检测引力波的设备。在那里，你将激光束发送到镜子上，激光和镜子之间距离的变化可以非常精确地进行测量。由于超高真空环境，光在传播中不受干扰，使其测量具有很高的精度。“

Utrecht University的Allard Mosk说："让我们想象一下，玻璃面板不是完全透明的，而是粗糙没有抛光过的，就像浴室的窗户。"光可以通过，但不是在一条直线上传播。光波被改变和散射，所以我们无法用肉眼准确地看到窗户另一边的物体。”研究人员确定，通过识别光束的具体变化，他们可以通过创建一个复杂的波模式来实现它。波模式随后由无序的介质转化为所需的形状。"为了达到这个目的，你甚至不需要知道究竟是什么干扰，" Dorian Bouchet是这项研究论文的第一作者，他说："首先通过系统发送一组试验波来研究系统如何更改它们就足够了。研究人员共同开发了一个数学程序可用于从测试数据中计算出最佳波。你可以计算出对于各种各样的测量，某些波提供了最大的信息，例如在某个物体所位于的空间坐标上。”

Utrecht University的科学家用不透明的玻璃窗格测试了这项技术，这类似于浴室窗户中使用的玻璃板。在表征介质的散射行为时，研究人员能够计算出最佳波来分析玻璃后面的物体，并最终实现纳米精度的信息。为了测试这项技术的极限，研究人员显著减少了光子的数量。他们发现仍然能够达到准确的结果。"我们注意到，这种方法的精度只受到所谓的量子噪声的干扰，"Mosk说，"这种噪音来源于光束是由光子组成的事实。对于这个事实，我们什么也做不了。但是在量子物理学允许的范围内，我们可以对相干激光束做一些事情。例如我们可以计算出最优波来测量不同的东西，不仅是位置，还有物体的运动或旋转方向。“

这项研究成果发表在《Nature Physics》上。(www.doi.org/10.1038/s41567-020-01137-4).