Techniques de mesure laser pour structures cachées

Les faisceaux laser peuvent être utilisés pour mesurer précisément la position ou la vitesse d'un objet. Normalement, cependant, une vue claire et non obstruée de cet objet est requise — et ce prérequis n'est pas toujours satisfait. En biomédecine, par exemple, on examine des structures qui sont incorporées dans un environnement irrégulier et compliqué. Là, le faisceau laser est dévié, diffusé et réfracté, rendant 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 de tels environnements compliqués. En effet, il existe un moyen de modifier spécifiquement le faisceau laser pour qu'il délivre exactement l'information désirée même dans un environnement complexe et désordonné — et pas seulement approximativement, mais d'une manière physiquement optimale. La nature n'autorise pas plus de précision avec la lumière laser cohérente. La nouvelle technologie peut être utilisée dans des domaines d'application très différents, même avec différents types d'ondes.

« Vous voulez toujours atteindre la meilleure précision de mesure possible — c'est un élément central des sciences naturelles », dit Stefan Rotter de TU Wien. « Pensez, par exemple, à l'énorme installation LIGO, qui est utilisée pour 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 précision extrême. » Cela ne fonctionne si bien que parce que le faisceau laser est envoyé à travers un vide ultra-élevé. Toute perturbation, si petite soit-elle, doit être évitée.

Mais que pouvez-vous faire lorsque vous avez affaire à des perturbations qui ne peuvent pas être éliminées ? 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, mais pas en ligne droite. Les ondes lumineuses sont altérées et diffusées, donc 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 quand vous voulez examiner de minuscules objets à l'intérieur de tissus biologiques : l'environnement désordonné perturbe le faisceau lumineux. Le faisceau laser simple, régulier et droit 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. Il est alors possible de créer un motif d'onde compliqué, qui se transforme en exactement la forme nécessaire pour corriger les perturbations, et frappe juste là où il peut délivrer le meilleur résultat. Pour y parvenir, vous n'avez même pas besoin de savoir exactement quelles sont les perturbations, il suffit d'abord d'envoyer 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 l'onde optimale à partir de ces données de test. On peut montrer que pour diverses mesures, il existe certaines ondes qui délivrent un maximum d'informations, telles que, par exemple, sur les coordonnées spatiales auxquelles un certain objet est situé.

Prenez un objet caché derrière une vitre trouble : il existe une onde lumineuse optimale qui peut être utilisée pour obtenir la quantité maximale d'informations sur le fait que l'objet a bougé un peu à droite ou un peu à gauche. Cette onde a l'air compliquée et désordonnée mais est ensuite modifiée par la vitre trouble de telle manière qu'elle arrive à l'objet exactement de la manière désirée et renvoie la plus grande quantité possible d'informations 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). 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 été ainsi caractérisé. Ensuite, les ondes optimales ont été calculées afin d'analyser un objet au-delà de la plaque — cela a réussi, avec une précision dans la gamme nanométrique.

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 obtenait encore 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 trouvé que la précision de leur méthode n'est limitée que par ce qu'on appelle le bruit quantique. Ce bruit résulte du fait que la lumière consiste en photons — rien ne peut être fait à ce sujet. 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 la direction de rotation des objets.