Laserstralen kunnen worden gebruikt om de positie of snelheid van een object nauwkeurig te meten. Normaal gesproken, echter, een duidelijke, vrij zicht op dit object is vereist - en aan deze voorwaarde wordt niet altijd voldaan. In de biogeneeskunde, bijvoorbeeld, structuren worden onderzocht, die zijn ingebed in een onregelmatige, ingewikkelde omgeving. Daar, de laserstraal wordt afgebogen, verstrooid en gebroken, waardoor het vaak onmogelijk is om bruikbare gegevens uit de meting te halen.

Echter, Universiteit Utrecht (Nederland) en TU Wien (Wenen, Oostenrijk) hebben nu kunnen aantonen dat zelfs in dergelijke gecompliceerde omgevingen zinvolle resultaten kunnen worden verkregen. Inderdaad, er een manier is om de laserstraal specifiek aan te passen zodat deze precies de gewenste informatie in het complex levert, ongeordende omgeving - en niet slechts bij benadering, maar op een fysiek optimale manier:meer precisie laat de natuur niet toe met coherent laserlicht. De nieuwe technologie kan in zeer verschillende toepassingsgebieden worden gebruikt, zelfs met verschillende soorten golven, en is nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurfysica .

De stofzuiger en het badkamerraam

"Je wilt altijd de best mogelijke meetnauwkeurigheid bereiken - dat is een centraal element van alle natuurwetenschappen, " zegt Stefan Rotter van TU Wien. "Laten we denken, bijvoorbeeld, van de enorme LIGO-faciliteit, die wordt gebruikt om zwaartekrachtsgolven te detecteren:daar, je stuurt laserstralen op een spiegel, en veranderingen in de afstand tussen de laser en de spiegel worden met extreme precisie gemeten." Dit werkt alleen zo goed omdat de laserstraal door een ultrahoog vacuüm wordt gestuurd. Elke storing, maakt niet uit hoe klein, te vermijden is.

Maar wat kunt u doen als u te maken heeft met verstoringen die niet weg te nemen zijn? "Laten we ons een paneel van glas voorstellen dat niet perfect transparant is, maar ruw en ongepolijst als een badkamerraam", zegt Allard Mosk van de Universiteit Utrecht. "Licht kan door, maar niet in een rechte lijn. De lichtgolven worden veranderd en verstrooid, dus we kunnen met het blote oog een object aan de andere kant van het raam niet nauwkeurig zien." De situatie is vrij gelijkaardig als je kleine objecten in biologisch weefsel wilt onderzoeken:de ongeordende omgeving verstoort de lichtstraal. De eenvoudige, gewone rechte laserstraal wordt dan een gecompliceerd golfpatroon dat in alle richtingen wordt afgebogen.

De optimale golf

Echter, als je precies weet wat de storende omgeving met de lichtstraal doet, je kunt de situatie omkeren:dan is het mogelijk om een ​​ingewikkeld golfpatroon te creëren in plaats van het simpele, rechte laserstraal, die door de verstoringen precies de gewenste vorm krijgt en precies daar raakt waar het het beste resultaat kan opleveren. "Om dit te behalen, je hoeft niet eens precies te weten wat de verstoringen zijn, "Dorian Bouchet, legt de eerste auteur van de studie uit. "Het is voldoende om eerst een reeks proefgolven door het systeem te sturen om te bestuderen hoe ze door het systeem worden veranderd."

De wetenschappers die bij dit werk betrokken waren, ontwikkelden samen een wiskundige procedure die vervolgens kan worden gebruikt om de optimale golf uit deze testgegevens te berekenen:"Je kunt aantonen dat er voor verschillende metingen bepaalde golven zijn die een maximum aan informatie leveren, zoals, bijv. op de ruimtelijke coördinaten waarop een bepaald object zich bevindt."

Neem bijvoorbeeld een object dat verstopt zit achter een troebele ruit:er is een optimale lichtgolf die gebruikt kan worden om zoveel mogelijk informatie te krijgen of het object iets naar rechts of iets naar links is bewogen. Deze golf ziet er ingewikkeld en ongeordend uit, maar wordt vervolgens door de troebele ruit zodanig aangepast dat deze precies op de gewenste manier bij het object aankomt en de grootst mogelijke hoeveelheid informatie teruggeeft aan het experimentele meetapparaat.

Laserexperimenten in Utrecht

Dat de methode echt werkt, werd experimenteel bevestigd aan de Universiteit Utrecht:laserstralen werden door een ongeordend medium in de vorm van een troebele plaat gestuurd. Het verstrooiingsgedrag van het medium werd daardoor gekarakteriseerd, vervolgens werden de optimale golven berekend om een ​​object buiten de plaat te analyseren - en dit is gelukt, met een precisie in het nanometerbereik.

Vervolgens voerde het team verdere metingen uit om de grenzen van hun nieuwe methode te testen:het aantal fotonen in de laserstraal werd aanzienlijk verminderd om te zien of men dan nog steeds een zinvol resultaat krijgt. Op deze manier, ze konden aantonen dat de methode niet alleen werkt, maar is zelfs fysiek optimaal:"We zien dat de precisie van onze methode alleen wordt beperkt door de zogenaamde kwantumruis, " legt Allard Mosk uit. "Deze ruis komt voort uit het feit dat licht uit fotonen bestaat - daar is niets aan te doen. Maar binnen de grenzen van wat de kwantumfysica ons toestaat te doen voor een coherente laserstraal, we kunnen eigenlijk de optimale golven berekenen om verschillende dingen te meten. Niet alleen de positie, maar ook de beweging of de draairichting van objecten."

Deze resultaten werden verkregen in het kader van een programma voor beeldvorming op nanometerschaal van halfgeleiderstructuren, waarin universiteiten samenwerken met de industrie. Inderdaad, mogelijke toepassingsgebieden voor deze nieuwe technologie zijn microbiologie maar ook de productie van computerchips, waar uiterst nauwkeurige metingen onontbeerlijk zijn.