Técnicas de medición láser para estructuras ocultas

Los haces láser pueden usarse para medir con precisión la posición o velocidad de un objeto. Normalmente, sin embargo, se requiere una vista clara y sin obstáculos de este objeto — y este prerrequisito no siempre se satisface. En biomedicina, por ejemplo, se examinan estructuras que están incrustadas en un entorno irregular y complicado. Allí, el haz láser es desviado, dispersado y refractado, a menudo haciendo imposible obtener datos útiles de la medición.

Sin embargo, los investigadores han podido demostrar que se pueden obtener resultados significativos incluso en entornos tan complicados. De hecho, hay una forma de modificar específicamente el haz láser para que entregue exactamente la información deseada incluso en un entorno complejo y desordenado — y no solo aproximadamente, sino de una manera físicamente óptima. La naturaleza no permite más precisión con luz láser coherente. La nueva tecnología puede usarse en campos de aplicación muy diferentes, incluso con diferentes tipos de ondas.

"Siempre quieres lograr la mejor precisión de medición posible — ese es un elemento central de las ciencias naturales", dice Stefan Rotter de TU Wien. "Pensemos, por ejemplo, en la enorme instalación LIGO, que se usa para detectar ondas gravitacionales. Allí, envías haces láser a un espejo, y los cambios en la distancia entre el láser y el espejo se miden con extrema precisión." Esto solo funciona tan bien porque el haz láser se envía a través de un vacío ultra-alto. Cualquier perturbación, por pequeña que sea, debe evitarse.

Pero, ¿qué puedes hacer cuando tratas con perturbaciones que no pueden eliminarse? Imagina un panel de vidrio que no es perfectamente transparente, sino rugoso y sin pulir como una ventana de baño. La luz puede pasar, pero no en línea recta. Las ondas de luz se alteran y dispersan, así que no podemos ver con precisión un objeto al otro lado de la ventana a simple vista. La situación es bastante similar cuando quieres examinar objetos diminutos dentro de tejido biológico: el entorno desordenado perturba el haz de luz. El simple haz láser recto y regular se convierte en un patrón de onda complicado que se desvía en todas direcciones.

Sin embargo, si sabes exactamente qué está haciendo el entorno perturbador al haz de luz, puedes revertir la situación. Entonces es posible crear un patrón de onda complicado, que se transforma en exactamente la forma necesaria para corregir las perturbaciones, y llega justo donde puede entregar el mejor resultado. Para lograr esto, ni siquiera necesitas saber exactamente cuáles son las perturbaciones, es suficiente enviar primero un conjunto de ondas de prueba a través del sistema para estudiar cómo son cambiadas por el sistema.

Los investigadores desarrollaron un procedimiento matemático que luego puede usarse para calcular la onda óptima a partir de estos datos de prueba. Se puede mostrar que para varias mediciones hay ciertas ondas que entregan un máximo de información, como, por ejemplo, sobre las coordenadas espaciales en las que se encuentra un cierto objeto.

Toma un objeto escondido detrás de un panel de vidrio turbio: hay una onda de luz óptima que puede usarse para obtener la máxima cantidad de información sobre si el objeto se ha movido un poco a la derecha o un poco a la izquierda. Esta onda se ve complicada y desordenada pero es luego modificada por el panel turbio de tal manera que llega al objeto exactamente de la manera deseada y devuelve la mayor cantidad posible de información al aparato de medición experimental.

El hecho de que el método realmente funcione fue confirmado experimentalmente en la Universidad de Utrecht (Utrecht, Países Bajos). Haces láser fueron dirigidos a través de un medio desordenado en forma de una placa turbia. El comportamiento de dispersión del medio fue caracterizado. Luego se calcularon las ondas óptimas para analizar un objeto más allá de la placa — esto tuvo éxito, con precisión en el rango nanométrico.

Luego el equipo realizó más mediciones para probar los límites de su método. El número de fotones en el haz láser se redujo significativamente para ver si aún se obtiene un resultado significativo. De esta manera, pudieron mostrar que el método no solo funciona sino que es incluso óptimo en un sentido físico. Encontraron que la precisión de su método solo está limitada por el llamado ruido cuántico. Este ruido resulta del hecho de que la luz consiste en fotones — nada se puede hacer al respecto. Pero dentro de los límites de lo que la física cuántica permite para un haz láser coherente, podemos realmente calcular las ondas óptimas para medir diferentes cosas. No solo la posición, sino también el movimiento o la dirección de rotación de objetos.