Les faisceaux laser peuvent être utilisés pour mesurer avec précision la position ou la vitesse d'un objet. Normalement, cependant, un clair, une vue dégagée sur cet objet est requise et cette condition préalable n'est pas toujours satisfaite. En biomédecine, par exemple, les structures sont examinées, qui sont encastrés dans un irrégulier, environnement compliqué. Là, le faisceau laser est dévié, dispersé et réfracté, rendant souvent impossible l'obtention de données utiles à partir de la mesure.

Cependant, Université d'Utrecht (Pays-Bas) et TU Wien (Vienne, Autriche) ont maintenant pu montrer que des résultats significatifs peuvent être obtenus même dans des environnements aussi complexes. En effet, il existe un moyen de modifier spécifiquement le faisceau laser pour qu'il délivre exactement l'information souhaitée dans le complexe, environnement désordonné - et pas seulement approximativement, mais d'une manière physiquement optimale :la nature ne permet pas plus de précision avec une lumière laser cohérente. La nouvelle technologie peut être utilisée dans des domaines d'application très différents, même avec différents types de vagues, et a maintenant été présenté dans la revue scientifique Physique de la nature .

L'aspirateur et la fenêtre de la salle de bain

"Vous voulez toujours obtenir la meilleure précision de mesure possible - c'est un élément central de toutes les sciences naturelles, " dit Stefan Rotter de TU Wien. " Pensons, par exemple, de l'immense installation LIGO, qui est utilisé pour détecter les ondes gravitationnelles :Là, vous envoyez des rayons laser sur un miroir, et les changements de distance entre le laser et le miroir sont mesurés avec une extrême précision. peu importe sa taille, est à éviter.

Mais que pouvez-vous faire lorsque vous faites face à des perturbations qui ne peuvent pas être supprimées ? " Imaginons un panneau de verre qui n'est pas parfaitement transparent, mais rugueux et non poli comme une fenêtre de salle de bain », explique Allard Mosk de l'Université d'Utrecht. « La lumière peut traverser, mais pas en ligne droite. Les ondes lumineuses sont altérées et dispersées, nous ne pouvons donc pas voir avec précision un objet de l'autre côté de la fenêtre à l'œil nu. » La situation est assez similaire lorsque vous voulez examiner de minuscules objets à l'intérieur d'un tissu biologique :l'environnement désordonné perturbe le faisceau lumineux. le faisceau laser droit régulier devient alors un motif d'onde compliqué qui est dévié dans toutes les directions.

La vague optimale

Cependant, si vous savez exactement ce que l'environnement perturbateur fait au faisceau lumineux, vous pouvez inverser la situation :alors il est possible de créer un motif d'onde compliqué au lieu du simple, faisceau laser droit, qui se transforme exactement en la forme souhaitée en raison des perturbations et frappe là où il peut donner le meilleur résultat. « Pour y parvenir, vous n'avez même pas besoin de savoir exactement quelles sont les perturbations, " Dorian Bouchet, explique le premier auteur de l'étude. "Il suffit d'envoyer d'abord une série d'ondes d'essai à travers le système pour étudier comment elles sont modifiées par le système."

Les scientifiques impliqués dans ce travail ont développé conjointement une procédure mathématique qui peut ensuite être utilisée pour calculer l'onde optimale à partir de ces données de test :« Vous pouvez montrer que pour différentes mesures, il existe certaines ondes qui fournissent un maximum d'informations comme, par exemple., sur les coordonnées spatiales auxquelles se trouve un certain objet."

Prenons par exemple un objet caché derrière une vitre trouble :il existe une onde lumineuse optimale qui permet d'obtenir le maximum d'informations sur le fait que l'objet s'est déplacé un peu vers la droite ou un peu vers la gauche. Cette vague a l'air compliquée et désordonnée, mais est ensuite modifié par la vitre trouble de telle sorte qu'il arrive à l'objet exactement de la manière souhaitée et renvoie le plus grand nombre d'informations possible à l'appareil de mesure expérimental.

Expériences laser à Utrecht

Le fait que la méthode fonctionne réellement a été confirmé expérimentalement à l'Université d'Utrecht :des faisceaux laser ont été dirigés à travers un milieu désordonné sous la forme d'une plaque trouble. Le comportement de diffusion du milieu a ainsi été caractérisé, puis les ondes optimales ont été calculées afin d'analyser un objet au-delà de la plaque - et cela a réussi, avec une précision de l'ordre du nanomètre.

Ensuite, l'équipe a effectué d'autres mesures pour tester les limites de leur nouvelle méthode :le nombre de photons dans le faisceau laser a été considérablement réduit pour voir si l'on obtient alors toujours un résultat significatif. De cette façon, ils ont pu montrer que la méthode non seulement fonctionne, mais est même optimale au sens physique :« On voit que la précision de notre méthode n'est limitée que par le bruit dit quantique, " explique Allard Mosk. " Ce bruit résulte du fait que la lumière est constituée de photons, on ne peut rien y faire. Mais dans les limites de ce que la physique quantique nous permet de faire pour un faisceau laser cohérent, nous pouvons en fait calculer les vagues optimales pour mesurer différentes choses. Non seulement le poste, mais aussi le mouvement ou le sens de rotation des objets."

Ces résultats ont été obtenus dans le cadre d'un programme d'imagerie nanométrique de structures semi-conductrices, dans lequel les universités collaborent avec l'industrie. En effet, les domaines d'application possibles de cette nouvelle technologie incluent la microbiologie mais aussi la production de puces informatiques, où des mesures extrêmement précises sont indispensables.