在未來追蹤任何微?；蛟S會(huì)變得更容易，即使它們的速度快如步槍子彈。德國(guó)馬普光學(xué)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(dòng)平面就像車輪的輻條一樣。當(dāng)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(cè)量光束的偏振來確定微粒的位置。科學(xué)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(jī)進(jìn)行觀測(cè)。而且觀測(cè)也只是一瞬間。
纏繞態(tài)通常是在處理量子力學(xué)，非經(jīng)典物理學(xué)時(shí)，我們的思維必須掌握的一個(gè)有趣的難點(diǎn)。兩顆糾纏粒子的特性互相影響，并無任何延時(shí)---即使距離較遠(yuǎn)，影響也存在。但是，經(jīng)典物理學(xué)也有一個(gè)模擬量子力學(xué)纏繞態(tài)的試驗(yàn)。德國(guó)馬普光學(xué)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(chǎng)的空間分布有關(guān)。令人吃驚的是，這種關(guān)系的數(shù)學(xué)描述與量子力學(xué)纏繞態(tài)類似。”
但是經(jīng)典纏繞態(tài)并不像量子力學(xué)纏繞態(tài)那樣詭異。盡管徑向偏振光束的兩個(gè)特性是密不可分的，但是在較遠(yuǎn)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(xué)纏繞態(tài)恰恰相反---即使距離較遠(yuǎn)，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(gè)實(shí)際用途：Christoph Marquardt帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家通過偏振和位置的關(guān)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(duì)光束偏振進(jìn)行數(shù)十億次的測(cè)量，埃爾朗根研究人員甚至可以對(duì)以非?？焖俣蕊w過激光束的粒子進(jìn)行追蹤。Christoph Marquardt表示：“我們可以通過測(cè)量偏振，來對(duì)以任何速度移動(dòng)的粒子進(jìn)行追蹤。”
通過試驗(yàn)證明運(yùn)動(dòng)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(xué)公式。對(duì)徑向偏振進(jìn)行詳細(xì)觀察就足夠了。物理學(xué)家一般用箭頭代表偏振光波。比如說在一個(gè)偏振光束圖中，箭頭就像花環(huán)一樣圍繞著光束中心。每個(gè)從光束中心伸出的箭頭，都會(huì)有另外一個(gè)箭頭與之相對(duì)。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(gè)點(diǎn)，相應(yīng)的箭頭就失去了“對(duì)手”，就會(huì)出現(xiàn)凈偏振（net polarization）；此時(shí)每個(gè)穿過光束的微粒軌跡就會(huì)有所不同。因此只有在當(dāng)微粒的大約尺寸明確的情況下，才能利用激光束來準(zhǔn)確的確定粒子的軌跡。這是因?yàn)橐粋€(gè)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(yuǎn)距離經(jīng)過光束中心時(shí)留下的軌跡相似。
埃爾朗根研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明了他們的光學(xué)運(yùn)動(dòng)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(cè)試了傳感器對(duì)激光束中出現(xiàn)物體的反應(yīng)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(cè)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(jī)每秒鐘能記錄數(shù)十億計(jì)的圖像，但是他們的成本昂貴，持續(xù)時(shí)間也只是一瞬間。同時(shí)，短脈沖光束也已經(jīng)被用來記錄粒子的軌跡，而且時(shí)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(yùn)動(dòng)后的圖像延時(shí)來達(dá)到的。這就意味著不僅要知道粒子何時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)過程也需要不斷以相同方式重復(fù)進(jìn)行。
埃爾朗根研究人員研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)就沒有上述缺陷。參與該項(xiàng)目的Stefan Berg-Johansen指出：“我們可以為研究設(shè)想幾個(gè)應(yīng)用方法，不僅僅因?yàn)樵摷夹g(shù)相對(duì)簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)軌跡。”可以通過徑向偏振光束來記錄光學(xué)鑷子緊緊抓住的粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。也就是說，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過熱運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來。最后，當(dāng)今已經(jīng)在科學(xué)和工程領(lǐng)域被用來測(cè)量距離和速度的LIDAR技術(shù)，可以通過經(jīng)典纏繞激光束進(jìn)行改善。LIDAR技術(shù)可以在激光束的方向上測(cè)量距離以及運(yùn)動(dòng)軌跡；埃爾朗根研究方法也可以通過簡(jiǎn)單的方式記錄橫向運(yùn)動(dòng)的軌跡。
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