Information optimale sur l'invisible

Les faisceaux laser peuvent être utilisés pour mesurer avec précision la position ou la vitesse d'un objet. Normalement, cependant, une vue claire et dégagée de cet objet est requise - et cette condition préalable n'est pas toujours satisfaite. En biomédecine, par exemple, on examine des structures qui sont intégrées dans un environnement irrégulier et compliqué. Là, le faisceau laser est dévié, diffusé et réfracté, ce qui rend souvent impossible l'obtention de données utiles à partir de la mesure.

Cependant, les chercheurs 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 afin qu'il délivre exactement les informations souhaitées même dans un environnement complexe et désordonné - et pas seulement approximativement, mais de 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.

"Vous voulez toujours obtenir la meilleure précision de mesure possible - c'est un élément central des sciences naturelles", explique Stefan Rotter de TU Wien. « Pensons, par exemple, à l'énorme installation LIGO, qui sert à détecter les ondes gravitationnelles. Là, vous envoyez des faisceaux laser sur un miroir et les changements de distance entre le laser et le miroir sont mesurés avec une extrême précision. Cela ne fonctionne que si bien parce que le faisceau laser est envoyé dans un ultra-vide. Toute perturbation, aussi minime soit-elle, doit être évitée.

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

Cependant, si vous savez exactement ce que l'environnement perturbateur fait au faisceau lumineux, vous pouvez inverser la situation. Ensuite, il est possible de créer un motif d'onde compliqué, qui se transforme exactement en la forme nécessaire pour corriger les perturbations, et frappe exactement là où il peut fournir le meilleur résultat. Pour y parvenir, vous n'avez même pas besoin de savoir exactement quelles sont les perturbations, il suffit d'envoyer d'abord un ensemble d'ondes d'essai à travers le système pour étudier comment elles sont modifiées par le système.

Les chercheurs ont développé une procédure mathématique qui peut ensuite être utilisée pour calculer la vague optimale à partir de ces données de test. On peut montrer que pour différentes mesures il y a certaines ondes qui délivrent un maximum d'informations comme, par exemple, sur les coordonnées spatiales auxquelles se situe un certain objet.

Prenons un objet caché derrière une vitre trouble :il existe une onde lumineuse optimale qui permet d'obtenir le maximum d'informations pour savoir si l'objet s'est déplacé un peu vers la droite ou un peu vers la gauche. Cette onde semble compliquée et désordonnée mais est ensuite modifiée par la vitre trouble de telle sorte qu'elle arrive à l'objet exactement de la manière souhaitée et renvoie le plus d'informations possible à l'appareil de mesure expérimental.

Le fait que la méthode fonctionne réellement a été confirmé expérimentalement à l'Université d'Utrecht (Utrecht, Pays-Bas). Les faisceaux laser étaient dirigés à travers un milieu désordonné sous la forme d'une plaque trouble. Le comportement diffusant du milieu a ainsi été caractérisé. Ensuite, les ondes optimales ont été calculées afin d'analyser un objet au-delà de la plaque - 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 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. Ils ont constaté que la précision de leur méthode n'est limitée que par ce que l'on appelle le bruit quantique. 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 permet pour un faisceau laser cohérent, nous pouvons en fait calculer les ondes optimales pour mesurer différentes choses. Non seulement la position, mais aussi le mouvement ou le sens de rotation des objets.