Lasermeettechnieken voor verborgen structuren

Laserstralen kunnen gebruikt worden om de positie of snelheid van een object nauwkeurig te meten. Normaal gesproken is er echter een heldere, onbelemmerde zichtlijn op dit object vereist — en deze voorwaarde is niet altijd vervuld. In de biomedicine worden bijvoorbeeld structuren onderzocht die in een irreguliere, gecompliceerde omgeving ingesloten zijn. Daar wordt de laserstraal afgebogen, verstrooid en gebroken, wat het vaak onmogelijk maakt om nuttige data uit de meting te verkrijgen.

Echter, onderzoekers hebben nu laten zien dat zinvolle resultaten verkregen kunnen worden zelfs in dergelijke gecompliceerde omgevingen. Er is namelijk een manier om de laserstraal specifiek te modificeren zodat het precies de gewenste informatie levert zelfs in een complexe, ongestructureerde omgeving — en niet alleen benaderingsgewijs, maar op een fysiek optimale manier. De natuur laat niet meer precisie toe met coherente laserlicht. De nieuwe technologie kan in heel verschillende toepassingsgebieden gebruikt worden, zelfs met verschillende typen golven.

"Je wilt altijd de best mogelijke meetnauwkeurigheid bereiken — dat is een centraal element van de natuurwetenschappen," zegt Stefan Rotter van TU Wien. "Laten we denken, bijvoorbeeld, aan de enorme LIGO-faciliteit, die gebruikt wordt om zwaartekwergolven te detecteren. Daar stuurt u laserstralen naar een spiegel, en veranderingen in de afstand tussen de laser en de spiegel worden met extreme precisie gemeten." Dit werkt zo goed omdat de laserstraal door een ultra-hoog vacuüm wordt gestuurd. Elke storing, hoe klein ook, moet vermeden worden.

Maar wat kunt u doen als u te maken heeft met storingen die niet verwijderd kunnen worden? Stel u een glasplaat voor die niet perfect transparant is, maar ruw en ongepolijst als een badkamerraam. Licht kan erdoorheen, maar niet in een rechte lijn. De lichtgolven worden gewijzigd en verstrooid, zodat we een object aan de andere kant van het raam niet nauwkeurig met het blote oog kunnen zien. De situatie is heel vergelijkbaar als u kleine objecten in biologisch weefsel wilt onderzoeken: de ongestructureerde omgeving stoort de lichtstraal. De eenvoudige, regelmatige rechte laserstraal wordt dan een ingewikkeld golvenpatroon dat in alle richtingen afgebogen wordt.

Echter, als u precies weet wat de storende omgeving met de lichtstraal doet, kunt u de situatie omkeren. Dan is het mogelijk om een ingewikkeld golvenpatroon te creëren, dat getransformeerd wordt in precies de vorm die nodig is om de storingen te corrigeren, en precies daar aankomt waar het het beste resultaat kan leveren. Om dit te bereiken, hoeft u niet eens precies te weten wat de storingen zijn, het is voldoende om eerst een set proefgolven door het systeem te sturen om te bestuderen hoe ze door het systeem worden gewijzigd.

De onderzoekers hebben een wiskundige procedure ontwikkeld die vervolgens gebruikt kan worden om de optimale golf uit deze testdata te berekenen. Het kan aangetoond worden dat voor verschillende metingen er bepaalde golven zijn die een maximum aan informatie leveren, zoals bijvoorbeeld over de ruimtelijke coördinaten waarop een bepaald object zich bevindt.

Neem een object dat verstopt zit achter een troebel glasraam: er is een optimale lichtgolf die gebruikt kan worden om het maximale hoeveelheid informatie te verkrijgen over of het object een beetje naar rechts of een beetje naar links is bewogen. Deze golf ziet er ingewikkeld en ongestructureerd uit, maar wordt door het troeble glas zo gewijzigd dat het bij het object aankomt op precies de gewenste manier en de grootste mogelijke hoeveelheid informatie teruggeeft aan het experimentele meetapparaat.

Het feit dat de methode daadwerkelijk werkt, werd experimenteel bevestigd aan Utrecht University (Utrecht, Nederland). Laserstralen werden gericht door een ongestructureerd medium in de vorm van een troebele plaat. Het verstrooiingsgedrag van het medium werd daarbij gekarakteriseerd. Vervolgens werden de optimale golven berekend om een object achter de plaat te analyseren — dit slaagde, met een precisie in de nanometer-reeks.

Vervolgens voerde het team verdere metingen uit om de grenzen van hun methode te testen. Het aantal fotonen in de laserstraal werd significant verlaagd om te zien of men dan nog een zinvol resultaat krijgt. Op deze manier lieten ze zien dat de methode niet alleen werkt, maar zelfs optimaal is in een fysieke zin. Ze vonden dat de precisie van hun methode alleen beperkt wordt door de zogenaamde quantum noise. Deze ruis ontstaat doordat licht uit fotonen bestaat — er is niets aan te doen. Maar binnen de grenzen van wat kwantumfysica toelaat voor een coherente laserstraal, kunnen we daadwerkelijk de optimale golven berekenen om verschillende dingen te meten. Niet alleen de positie, maar ook de beweging of de draairichting van objecten.