雾里看花水中望月
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江苏激光联盟导读：
如何测量一个目标物体，尤其是你在肉眼的条件下不能观察到的物体？来自维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员及其合作者利用新型激光技术的特殊光波结合一个数学程序的算法实现了这一可能。.雾里看花花非花，水中望月难捉月的囧境就不再有。
激光束可以用来精确的测量目标物体的位置或速度，见图1所示。通常来说，一个清晰的，自由视野的目标物体是精确测量的前提，而实际上在很多场合这一测量的基本前提是很难满足的。在生物医学的应用环境中，结构一般植入在一个不规则的，复杂的环境中，从而造成该结构非常难以使用激光来进行测量，呈现出的不规则会造成偏转、散射和折射，造成收集到的信息不能准备的被反应出来。
图1. 激光雷达进行测量时的光波示意图
来自维也纳工业大学（TU Wien）和乌特勒支大学（Utrecht University）的研究人员发展了一种以激光技术为基础的办法通过紊乱的和复杂的介质来收集数据，使用的办法是通过一个数学程序来实现的。
图2 该成果的艺术渲染图
▲图解：当光别一个无序的结构反射时，此时的目标物体的位置，它就变得难以测量和估计。在这一研究中，一个新的办法可以使得我们能够达到优化估计后的目标物体的精确位置这一挑战性的情景。
紊乱的结构，如混浊的窗格玻璃会改变光的传播路径，使得光很难获得其背后的目标的准确信息，来自维也纳工业大学和乌特勒支大学的研究人员通过一种数学程序，使得高度精确的测量成为可能。
你需要经常获得最佳和最有可能是最精确的测量，这是所有自然科学所追求的中心元素，来自维也纳工业大学的Stefan Rotter 说到，让我们思考一下，例如，大型的LIGO装置，是一个用来探测引力波的装置。在这里，你发射激光束到一个镜子上，改变激光和镜子之间的距离就可以精确的测量出其距离来。
图3：光学相干散射测量的原理图（左图）和光学的实验装置的设置（右图）
由于超高真空环境的缘故，光穿过的时候不受干扰，使得高精度的测量成为可能。
让我们想象一下一个玻璃平板并不是完全透明的情形，但其粗糙度和未被抛光的表面像一个浴室里面所使用的玻璃， 乌特勒支大学的Allard Mosk说到，光可以穿过它，但并不是以一条直线的形式穿过的。光波就会发生改变和散射，因此我们不能精确的通过肉眼看到玻璃里面乃至另外一边的目标物体。
研究人员通过识别特定的变化来确定，这一特定的变化通过光束来实现的，他们在实质上通过制造出来的一个复杂的波的模式来改变周围的状态，该光波的模式通过在穿过它的时候转换成一个理想的形状。
为了实现这一目标，你甚至不必需要真实的知道紊乱到底是什么样的，论文的第一作者Dorian Bouchet说到，只需要发送一套实验性质的波来穿过系统进行研究它在通过系统时如何改变的就足够了。
研究人员正在联合发展一套数学程序的办法来进行计算来自测试数据的光波。
你可以发现不同的测量需要不同的波来驱动一个尽可能最大限度的信息，例如，在一个特定目标物体的空间坐标中的位置，Bouchet 说到。
乌特勒支大学的科学家们正在对混浊窗格玻璃进行测试，这一玻璃同浴室所使用的窗户玻璃非常相似。在表征其在介质中的散射行为的时候，研究人员可以计算出光波来分析出玻璃背后的目标，最终，获得纳米尺度范围的精度的信息。
为了测试这一技术的极限，研究人会员显著的减少光子的数量来进行测试。他们发现他们仍然可以获得比较精确的结果。
我们发现我们这一办法的精度只会受到一种称之为量子噪声的限制，Mosk说到，这一噪音起源于光所组成的光子——目前对这一噪音还无能为力。但基于量子物理的极限，使得我们可以为相干激光做点事情，我们可以确实计算光波来测量不同的事物——不仅仅是目标物体的运动，同时还可以对其旋转方向也可以进行测量。
这一研究成果发表在近期发表的顶可能《Nature Physics》上。
文章来源：Bouchet, D., Rotter, S. & Mosk, A.P. Maximum information states for coherent scattering measurements. Nat. Phys. (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01137-4和TU Wien，Johann Riemensberger (EPFL)。
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