在未來追蹤任何微粒或許會變得更容易，即使它們的速度快如步槍子彈。德國馬普光學研究院（Max Planck Institute for the Science of Light）研究員Christoph Marquardt 和 Gerd Leuchs研究發(fā)現(xiàn)，可以通過徑向偏振激光束來追蹤這些微粒。在徑向偏振光中，光波的振動平面就像車輪的輻條一樣。當研究人員把微粒放入這種徑向偏振光中，它們能夠以每秒數(shù)十億次的效率測量光束的偏振來確定微粒的位置?？茖W家研究得出，激光束的偏振和其空間結(jié)構(gòu)交融在一起。到目前為止，高速物體的路徑僅能通過昂貴的高速攝像機進行觀測。而且觀測也只是一瞬間。
纏繞態(tài)通常是在處理量子力學，非經(jīng)典物理學時，我們的思維必須掌握的一個有趣的難點。兩顆糾纏粒子的特性互相影響，并無任何延時---即使距離較遠，影響也存在。但是，經(jīng)典物理學也有一個模擬量子力學纏繞態(tài)的試驗。德國馬普光學研究院Gerd Leuchs部門的研究員Christoph Marquardt指出：“在徑向偏振光束中，偏振與電磁場的空間分布有關。令人吃驚的是，這種關系的數(shù)學描述與量子力學纏繞態(tài)類似。”
但是經(jīng)典纏繞態(tài)并不像量子力學纏繞態(tài)那樣詭異。盡管徑向偏振光束的兩個特性是密不可分的，但是在較遠距離的情況下彼此之間似乎并無任何影響；而這和量子力學纏繞態(tài)恰恰相反---即使距離較遠，影響也存在。相比之下，經(jīng)典纏繞態(tài)僅僅適用于光束之內(nèi)。然而它依然有一個實際用途：Christoph Marquardt帶領團隊的物理學家通過偏振和位置的關系，可以決定以正確角度通過激光束的粒子的位置。而由于每秒可以對光束偏振進行數(shù)十億次的測量，埃爾朗根研究人員甚至可以對以非常快速度飛過激光束的粒子進行追蹤。Christoph Marquardt表示：“我們可以通過測量偏振，來對以任何速度移動的粒子進行追蹤。”
通過試驗證明運動傳感器的工作原理
我們可以解釋所發(fā)生的的一切，而無需借助經(jīng)典纏繞態(tài)的數(shù)學公式。對徑向偏振進行詳細觀察就足夠了。物理學家一般用箭頭代表偏振光波。比如說在一個偏振光束圖中，箭頭就像花環(huán)一樣圍繞著光束中心。每個從光束中心伸出的箭頭，都會有另外一個箭頭與之相對。也就是說所有的偏振平均為零。
但是如果偏振方向都被屏蔽到某個點，相應的箭頭就失去了“對手”，就會出現(xiàn)凈偏振（net polarization）；此時每個穿過光束的微粒軌跡就會有所不同。因此只有在當微粒的大約尺寸明確的情況下，才能利用激光束來準確的確定粒子的軌跡。這是因為一個小球體飛過光束附近所留下的偏振軌跡與較大的球體在較遠距離經(jīng)過光束中心時留下的軌跡相似。
埃爾朗根研究人員通過實驗證明了他們的光學運動傳感器的工作原理。他們所利用的是直徑為一毫米的金屬球，并記錄下該金屬球在激光束中的偏振軌跡。最后，他們還測試了傳感器對激光束中出現(xiàn)物體的反應速度。
經(jīng)典纏繞態(tài)激光束能改善LIDAR技術(shù)
Christoph Marquardt表示：“在這些測試中，新技術(shù)展現(xiàn)出了其相比目前用于追蹤超快速物體軌跡的方法的優(yōu)越性。”盡管高速攝像機每秒鐘能記錄數(shù)十億計的圖像，但是他們的成本昂貴，持續(xù)時間也只是一瞬間。同時，短脈沖光束也已經(jīng)被用來記錄粒子的軌跡，而且時間分辨率也很高。這是通過更改激光脈沖拍攝粒子以較小增量運動后的圖像延時來達到的。這就意味著不僅要知道粒子何時開始運動，而且運動過程也需要不斷以相同方式重復進行。
埃爾朗根研究人員研發(fā)的這項技術(shù)就沒有上述缺陷。參與該項目的Stefan Berg-Johansen指出：“我們可以為研究設想幾個應用方法，不僅僅因為該技術(shù)相對簡單，而且成本較低；如果我們需要使用額外的或者不同類型的激光束，我們甚至可以追蹤三維粒子的運動軌跡。”可以通過徑向偏振光束來記錄光學鑷子緊緊抓住的粒子的運動軌跡。也就是說，粒子的運動軌跡可以通過熱運動表現(xiàn)出來。最后，當今已經(jīng)在科學和工程領域被用來測量距離和速度的LIDAR技術(shù)，可以通過經(jīng)典纏繞激光束進行改善。LIDAR技術(shù)可以在激光束的方向上測量距離以及運動軌跡；埃爾朗根研究方法也可以通過簡單的方式記錄橫向運動的軌跡。
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