Невидимое становится видимым: новый метод фазовой визуализации, устойчивый к шуму и слабому свету

Свет — это электромагнитное излучение, которое имеет различные характеристики, такие как длина волны, частота, интенсивность и фаза. Длина волны и частота определяют цвет света, интенсивность — его яркость, а фаза — его распределение в пространстве. Фаза света меняется, когда он проходит через различные среды, например, воздух, воду или стекло. Эти изменения могут быть очень маленькими, но они содержат важную информацию об объектах, через которые свет проходит.

Например, если мы хотим изучить прозрачный объект, то просто взять и сфотографировать его у нас не получится, так как он не отражает свет. Однако мы можем измерить, насколько он задерживает фазу света, который через него проходит. Это позволит нам получить изображение объекта, которое будет отражать его форму, толщину и показатель преломления. Такой метод называется фазовой визуализацией или фазовой микроскопией, и он широко используется в биомедицине, материаловедении, астрономии и других областях науки.

Однако фазовая визуализация имеет свои сложности и ограничения. Один из них — это необходимость поддерживать высокую стабильность системы, в которой происходит измерение. Любые внешние воздействия, такие как вибрации, температурные колебания или пыль, могут нарушить фазовую согласованность света и привести к потере интерференционной картины, которая несет информацию о фазе. Это означает, что фазовая визуализация требует специальных условий и дорогостоящего оборудования, что ограничивает ее применение в реальных ситуациях.

Но что, если бы мы могли измерять фазу света, не завися от внешних факторов? Это стало возможным благодаря новому методу фазовой визуализации, который разработали исследователи из Варшавского университета, Стэнфордского университета и Оклахомского государственного университета. Их работа была опубликована в журнале Science Advances.

Секрет в корреляции

Идея нового метода основана на измерении корреляции интенсивности света в разных точках изображения. Корреляция — это статистическая величина, которая показывает, насколько сильно связаны два сигнала. Например, если два пикселя на фотографии становятся ярче или темнее одновременно, то они имеют высокую корреляцию. Если же они меняются независимо друг от друга, то они имеют низкую корреляцию.

Корреляция интенсивности света может быть использована для измерения фазы, если мы сделаем следующее. Возьмем два пучка света: один — опорный, а другой — объектный, который прошел через наш прозрачный объект. Сложим их вместе, чтобы получить интерференцию. Интерференция — это явление, при котором два световых сигнала усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от их фазового соотношения. Результатом интерференции является полосчатый узор, называемый интерферограммой, который содержит информацию о фазе объектного света.

Однако, если мы введем случайную фазовую задержку между опорным и объектным светом, то интерферограмма будет размыта и неразличима. Это может произойти из-за любых помех, которые воздействуют на систему. В этом случае мы не сможем получить информацию о фазе из одного измерения интенсивности света. Но мы сможем получить ее из многих измерений, если мы будем измерять корреляцию интенсивности света между разными пикселями на интерферограмме. Оказывается, что эта корреляция не зависит от случайной фазовой задержки и сохраняет полосчатый узор, который мы можем восстановить с помощью специальных алгоритмов.

Таким образом, мы можем измерять фазу света, даже если он сильно зашумлен или нестабилен. Для этого нам нужно сделать много фотографий интерферограммы и проанализировать их с помощью корреляционного метода. Чем больше фотографий мы сделаем, тем точнее будет наш результат. Это означает, что мы можем работать с очень слабым светом, например, с инфракрасным или рентгеновским, который трудно детектировать. Кроме того, мы можем работать с квантовым светом, который имеет свои особенности.

Перспективы и применения

Новый метод фазовой визуализации открывает новые возможности для научных исследований и практических приложений. Он позволяет изучать прозрачные объекты с высокой точностью и разрешением, не прибегая к сложному дорогому оборудованию. Он также позволяет работать в условиях, где традиционные методы не могут справиться, например, в движении, в темноте или в экстремальных средах.

С помощью нового метода можно изучать живые клетки и ткани, не повреждая их высокой интенсивностью света. Можно также изучать наноструктуры и молекулы, используя рентгеновский свет, который имеет очень короткую длину волны.

Новый метод фазовой визуализации может найти применение в разных областях, где важно видеть невидимое. Например, в медицине он может помочь диагностировать заболевания, анализировать биомаркеры и мониторить процессы в живых организмах. Он может помочь изучать и восстанавливать произведения искусства, которые имеют скрытые слои или повреждения. В астрономии он может помочь наблюдать за далекими объектами, которые излучают слабый или невидимый свет.