江蘇鐳射聯盟導讀：如何測量一個目標物體，尤其是你在肉眼的條件下不能觀察到的物體？來自維也納工業大學（TU Wien）的研究人員及其合作者利用新型鐳射技術的特殊光波結合一個數學程式的演算法實現了這一可能。.霧裡看花花非花，水中望月難捉月的囧境就不再有。

鐳射束可以用來精確的測量目標物體的位置或速度，見圖1所示。通常來說，一個清晰的，自由視野的目標物體是精確測量的前提，而實際上在很多場合這一測量的基本前提是很難滿足的。在生物醫學的應用環境中，結構一般植入在一個不規則的，複雜的環境中，從而造成該結構非常難以使用鐳射來進行測量，呈現出的不規則會造成偏轉、散射和折射，造成收集到的資訊不能準備的被反應出來。

圖1 鐳射雷達進行測量時的光波示意圖

來自維也納工業大學（TU Wien）和烏特勒支大學（Utrecht University）的研究人員發展了一種以鐳射技術為基礎的辦法透過紊亂的和複雜的介質來收集資料，使用的辦法是透過一個數學程式來實現的。

圖2 該成果的藝術渲染圖

圖解：當光別一個無序的結構反射時，此時的目標物體的位置，它就變得難以測量和估計。在這一研究中，一個新的辦法可以使得我們能夠達到最佳化估計後的目標物體的精確位置這一挑戰性的情景。

紊亂的結構，如混濁的窗格玻璃會改變光的傳播路徑，使得光很難獲得其背後的目標的準確資訊，來自維也納工業大學和烏特勒支大學的研究人員透過一種數學程式，使得高度精確的測量成為可能。

你需要經常獲得最佳和最有可能是最精確的測量，這是所有自然科學所追求的中心元素，來自維也納工業大學的Stefan Rotter 說到，讓我們思考一下，例如，大型的LIGO裝置，是一個用來探測引力波的裝置。在這裡，你發射鐳射束到一個鏡子上，改變鐳射和鏡子之間的距離就可以精確的測量出其距離來。

圖3：光學相干散射測量的原理圖（左圖）和光學的實驗裝置的設定（右圖）

由於超高真空環境的緣故，光穿過的時候不受干擾，使得高精度的測量成為可能。

讓我們想象一下一個玻璃平板並不是完全透明的情形，但其粗糙度和未被拋光的表面像一個浴室裡面所使用的玻璃， 烏特勒支大學的Allard Mosk說到，光可以穿過它，但並不是以一條直線的形式穿過的。光波就會發生改變和散射，因此我們不能精確的透過肉眼看到玻璃裡面乃至另外一邊的目標物體。

研究人員透過識別特定的變化來確定，這一特定的變化透過光束來實現的，他們在實質上透過製造出來的一個複雜的波的模式來改變周圍的狀態，該光波的模式透過在穿過它的時候轉換成一個理想的形狀。

為了實現這一目標，你甚至不必需要真實的知道紊亂到底是什麼樣的，論文的第一作者Dorian Bouchet說到，只需要傳送一套實驗性質的波來穿過系統進行研究它在透過系統時如何改變的就足夠了。

研究人員正在聯合發展一套數學程式的辦法來進行計算來自測試資料的光波。

你可以發現不同的測量需要不同的波來驅動一個儘可能最大限度的資訊，例如，在一個特定目標物體的空間座標中的位置，Bouchet 說到。

烏特勒支大學的科學家們正在對混濁窗格玻璃進行測試，這一玻璃同浴室所使用的窗戶玻璃非常相似。在表徵其在介質中的散射行為的時候，研究人員可以計算出光波來分析出玻璃背後的目標，最終，獲得奈米尺度範圍的精度的資訊。

為了測試這一技術的極限，研究人會員顯著的減少光子的數量來進行測試。他們發現他們仍然可以獲得比較精確的結果。

我們發現我們這一辦法的精度只會受到一種稱之為量子噪聲的限制，Mosk說到，這一噪音起源於光所組成的光子——目前對這一噪音還無能為力。但基於量子物理的極限，使得我們可以為相干鐳射做點事情，我們可以確實計算光波來測量不同的事物——不僅僅是目標物體的運動，同時還可以對其旋轉方向也可以進行測量。

這一研究成果發表在近期發表的頂可能《Nature Physics》上。

文章來源：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)。