Лого Сделано у нас
21

Что нам стоит свет построить… (открывая тайны голограммы)

Ученым из Самарского филиала (СФ) Физического института им. П.Н. Лебедева РАН удалось теоретически описать распространение структурно устойчивых когерентных световых пучков и их преобразование в линейных оптических системах. Результаты этих исследований открывают возможность создания лазеров, генерирующих пучки с заданными свойствами, что важно для развития лазерной оптики, медицины, технологии обработки металлов. О результатах исследований «ФИАН-информ» рассказала сотрудник лазерно-измерительной лаборатории СФ ФИАН Евгения Вадимовна Разуева.

  • raz4
  • raz4

На рисунке: Спиральный пучок сложной структуры (интенсивность и фаза). Несмотря на свой «рукотворный» вид, данный пучок такой же естественный физико-математический объект, как и обычные лазерные пучки, является точным решением уравнения Шредингера и сохраняет структуру интенсивности при распространении

Как известно, распространение светового поля, в частности лазерного пучка, представляет собой волновое явление и описывается распределением интенсивности и фазы в поперечном сечении. При распространении световое поле, вообще говоря, претерпевает количественные и качественные изменения.

  • raz1
  • raz1

На рисунке: Примеры распределений интенсивности пучка Эрмита-Гаусса (а) и пучка Лагерра-Гаусса (b)

Однако несколько иначе обстоит дело с когерентным излучением. С открытием лазеров и развитием когерентной оптики появились экспериментальные и теоретические работы, доказывающие существование пучков когерентного света, сохраняющих структуру интенсивности в поперечном сечении при распространении и фокусировке с точностью до масштаба. Эти пучки называются модами когерентного излучения и являются собственными колебаниями лазерных резонаторов. Они имеют жестко заданную форму и описываются двумя семействами специальных функций с различными типами симметрии: моды Эрмита-Гаусса и моды Лагерра-Гаусса. Простейшим представителем обоих семейств является хорошо известный гауссов пучок.

Моды Эрмита-Лагерра-Гаусса

  • raz2
  • raz2

На рисунке: Геометрическая интерпретация: проекции трехмерного распределения имеют такие же интенсивности, как и моды Эрмита-Лагерра-Гаусса в поперечной плоскости. Первоначально проекционный эффект был обнаружен экспериментально, когда повороты линзы создавали на экране иллюзию вращения некого тороидального тела

«Существование пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса экспериментально было доказано еще в 60-х годах. Долгое время считалось, что эти пучки являются двумя независимыми семействами, обладающими структурной устойчивостью и различающимися между собой симметрией. Однако позднее было теоретически доказано и показано экспериментально, что при задании определенных параметров оптической системы возможно преобразование одного типа пучка в другой. Более того, удалось определить новое семейство пучков — моды Эрмита-Лагерра-Гаусса, — которое включает в себя все моды Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса и позволяет аналитически описать все возможные преобразования этих мод в линейных оптических системах. Было показано, что в любой линейной оптической системе пучок Эрмита-Лагерра-Гаусса преобразуется в пучок Эрмита-Лагерра-Гаусса с другими параметрами. Таким образом, преобразование светового пучка полностью определяется преобразованием параметров пучка. Оказалось, что преобразование мод Эрмита-Лагерра-Гаусса в линейных оптических системах можно рассматривать как вращения в трехмерном пространстве» — рассказывает Евгения Вадимовна.

Этот результат, потребовавший долгой и весьма кропотливой работы, имеет огромное значение для когерентной оптики: имея описание преобразования одних пучков в другие, зная параметры входного излучения и желаемые параметры выходного, можно определить необходимые параметры оптической системы. В результате такой работы появилась возможность создания лазеров, которые без дополнительной нестандартной оптики смогут генерировать излучение с требуемыми характеристиками. Фактически, исследователям из СФ ФИАН удалось решить одну из множества задач по развитию методов управления характеристиками световых пучков, возникающих в лазерном резонаторе.

Спиральные пучки

Оказывается, понятие структурной устойчивости световых полей можно расширить и рассмотреть вопрос существования таких лазерных пучков, которые сохраняют структуру интенсивности при распространении и фокусировке с точностью до масштаба и вращения.

В СФ ФИАН был найден целый класс лазерных пучков, названных спиральными, которые сохраняют свою структуру при распространении и фокусировке и могут иметь различные параметры вращения. Упомянутые выше пучки Эрмита-Гаусса, Лагерра-Гаусса и Эрмита-Лагерра-Гаусса являются частными случаями таких спиральных пучков (отсутствие вращения — это нулевое вращение).

  • raz3
  • raz3

На рисунке: Примеры спиральных пучков в виде плоских кривых (верхний ряд — интенсивности, нижний ряд — фазы). Красными кружочками выделены дислокации волнового фронта, или оптические вихри — точки поля, в которых амплитуда излучения равна 0, а фаза неопределенна

Семейство спиральных пучков оказалось достаточно широким. В частности, можно построить спиральные пучки, распределение интенсивности которых имеет форму произвольной плоской кривой или их совокупности. В отличие от световых полей с заданным распределением интенсивности, формируемых известными ранее методами, эти спиральные пучки сохраняют свою структуру в любой плоскости наблюдения и фокусировки. Таким образом, данное свойство спиральных пучков позволяет весьма гибко менять их форму при сохранении структурной устойчивости. Это может представлять интерес для лазерной медицины и технологии.

Спиральные пучки являются вихревыми полями. Исследования вихревых световых полей, получивших свое развитие в совершенно новом для лазерной физики направлении «сингулярной оптики», являются одним из самых последних и бурно развивающихся направлений исследований.

Характерными особенностями вихревых полей является наличие особых точек волнового фронта — дислокаций или оптических вихрей, в которых значение амплитуды равно 0, а фаза неопределенна. В природе возникновение вихревых световых полей во многом обусловлено неоднородностями среды, в которой происходит распространение светового пучка. Однако у физиков наибольший интерес вызывает случай генерирования световых вихрей с заданными параметрами в лазерных резонаторах.

Спиральные пучки обладают существенно ненулевым угловым моментом количества движения. Это проявляется в том, что микроскопические объекты размерами в десятки микрон (например, живые клетки), помещенные в область фокусировки такого пучка могут приводиться во вращение вокруг своего центра инерции, удерживаться в заданной области пространства, подвергаться неоднородным заданным деформациям и т. п.

На основе теории спиральных пучков могут быть построены фазовые элементы для фокусировки лазерного излучения с высокой эффективностью (разработан численный алгоритм). Сформированные таким образом поля также являются вихревыми и обладают угловым моментом.

Эти свойства дают возможность создания в области фокусировки заданных микрораспределений интенсивности и углового момента, что представляет удобный инструмент для бесконтактного манипулирования микрообъектами в электронике и микробиологии.

Экспериментальная реализация спиральных пучков может осуществляться различными методами. Во-первых, непосредственно с помощью амплитудно-фазовых масок. Другой, менее очевидный метод синтеза таких пучков, основан на обобщении преобразования пучков Лагерра-Гаусса в пучки Эрмита-Гаусса и сводится к синтезу одномерного по структуре поля («штрих-код»), которое преобразуется в оптической системе, состоящей из набора цилиндрических линз.

Исследования спиральных пучков показали, что они являются собственными колебаниями специфических резонаторов с вращением поля (был реализован аргоновый лазер с таким резонатором). Это показывает принципиальную возможность создания лазеров, непосредственным результатом генерации которых без дополнительной нестандартной оптики будут пучки с заданными свойствами.

Результаты, полученные самарскими физиками, имеют большое значение для развития сингулярной оптики. В настоящее время вихревые световые поля широко используются в лазерных технологиях обработки материалов, благодаря обеспечению более равномерного распределения температуры. А возможность сохранения структуры в любой плоскости распространения и фокусировки, а также ненулевой угловой момент количества движения позволяют предложить эти поля как весьма перспективный инструмент бесконтактного манипулирования микрообъектами, например, в микробиологии или электронике.

  • raz5
  • raz5

На рисунке: Экспериментальная реализация спиральных пучков: перемещение частиц латекса различных размеров вдоль заданной кривой

(не удалось вставить анимированный gif файл, предлагаю посмотреть анимацию по ссылке на источник)

(не удалось вставить анимированный gif файл, предлагаю посмотреть анимацию по ссылке на источник)

(не удалось вставить анимированный gif файл, предлагаю посмотреть анимацию по ссылке на источник)

На видео: Движение частиц латекса размером 1,2 мкм под действием светового поля спирального пучка в форме спирали Архимеда На видео: Движение частиц латекса размером 3,2 мкм под действием светового поля спирального пучка в форме спирали Архимеда На видео: Движение частицы латекса в поле спирального пучка в виде границы треугольника

Отдельно следует отметить, что теоретические и экспериментальные работы в области физики когерентных световых полей, в т. ч. и вихревых, дали толчок к развитию новых исследований полей совершенно иной физической природы: акустических, радиоволн и многое другое. Работы ученых из Самарского филиала ФИАН играют в этих исследованиях одну из ключевых ролей. Можно сказать, что российские физики создали новую технологию «конструирования» излучения, способную придавать ему весьма причудливые формы.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

_________________________________________

P. S. Все фото- и видеоматериалы предоставлены Е.В. Разуевой

  • 0
    ya.seliwerstov2013 ya.seliwerstov2013
    11.09.1405:46:57

    Для меня сложно и не понятно.Хотелось бы,чтоб указали сферы применения.

    • 0
      Нет аватара const000
      11.09.1409:54:47

      Это пока теоретики развлекаются. Применение будут придумываться дальше. У меня почему-то сразу подумалось про формирование микросхем с ну очень мелкими элементами. В тексте — клеточные операции, материалы с новыми свойствами и пр.

      • 0
        ya.seliwerstov2013 ya.seliwerstov2013
        11.09.1410:00:12

        Благодарю.Теперь хоть понятны направления,в какую сторону мыслить.   

    • 0
      Zveruga Zveruga
      11.09.1414:28:22

      Нанофабрики позволяющие создавать, что-либо из маленьких частиц. Нанопинцет для оперирования, например, клеточными составляющими. Оптические системы литографов для производства тех же микросхем с более лучшими характеристиками. Открытые законы позволяют делать фотомаски для производства микросхем 45 нм и ниже. Эти знания есть у запада, но не было у нас. Самое большое значение это открытие имеет в области знаний о фотонах и всех частиц материи взаимодействующих с фотонами. Понимать как поглощается, излучается энергия очень важно для науки.

      Отредактировано: Zveruga~14:28 11.09.14
      • 0
        ya.seliwerstov2013 ya.seliwerstov2013
        11.09.1420:01:58

        Да Вы Батюшка, по ходу спец в данном вопросе.У меня такое впечатление,что читатели СУНа Все сплошь Академики и это радует.   

        • 0
          Zveruga Zveruga
          16.03.1600:21:05

          А ещё можно применять в оптической радиолокации и в создании принципиально новых телевизоров погружающих в виртуальную реальность.

          Отредактировано: Zveruga~02:21 16.03.16
Написать комментарий
Отмена
Для комментирования вам необходимо зарегистрироваться и войти на сайт,