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物理学家破除瑞利的诅咒

任何光学成像系统(比如显微镜、望远镜或者照相机)的分辨率都收到所谓的瑞利准则的制约。这是因为当入射光(具有波动性质)到达一个光学设备的孔径(镜片或透镜)的时候会发生衍射,形成艾里斑,从而造成光路不能够汇聚到一个点。这样的结果会导致图像变得模糊,也就限制了任何成像系统的分辨率。对该现象的定量分析便是著名的瑞利极限。


上:两个光源之间的距离要比瑞利准则大;中:光源正好符合瑞利准则;下:两个光源的距离要比瑞利准则小,因此无法区分,看起来就像是只有一个光源。(? Wikimedia Commons)


给定两个点波源,它们会各自产生艾里图案。当这两个点波源相互靠近时,两个艾里图样也会开始重叠,最后甚至会合并形成单一的图案,导致无法分辨出两个独立的波源。举个简单的例子,当我们使用望远镜观测一个双星系统的时候就会遇到这种情况。根据瑞利准则,只有当两个像之间的距离大于或等于艾里斑的半径时,也就是说,当一个圆斑的中心不在另一个圆斑的边缘之内,才可以分辨两个独立的恒星。瑞利准则限制了可以被可见光分辨的最短距离,这对于许多细节观测是个巨大的制约。


因此物理学家的目标是利用各种方法对两个靠得足够近的光源进行测量,看看它们是否可以违反瑞利准则。



光学分辨率是一个成像系统能够区分两个相邻物体的能力。该图显示了两个由瑞利极限分开的点。(? Martin Paur)


现在,一个由西班牙马德里康普顿斯大学领导的国际团队(共有四个团队同时对该问题发起挑战)终于打破了这个极限,证明瑞利的限制不再是一个诅咒。该研究小组所达到的分辨率要比瑞利提出来的低17倍!


该实验表明瑞利的诅咒并不是内在的,而只是没有使用正确探测手段的结果。此次的实验结果会有许多的应用,最明显的就是在天文学的应用,可以更好的用于对天体的位置和运动测量,以及探测双星系统和寻找系外行星。



参考文献:

Martin Paúr et al, Achieving the ultimate optical resolution, Optica (2016). DOI: 10.1364/OPTICA.3.001144 


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