Красноярские ученые экспериментально продемонстрировали формирование трехмерных световых решеток из оптических вихрей. Трехмерные оптические вихревые решетки могут обеспечить новые возможности для взаимодействия света с веществом, в частности с их помощью можно переносить и манипулировать множеством микрочастиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Annalen der Physik.
Одним из интенсивно развивающихся направлений оптики и фотоники является получение и исследование структурированного света, под которым понимают сложные световые поля с уникальным сочетанием спектральных, временных, пространственных и поляризационных характеристик. Особый интерес исследователей вызывают оптические вихри, лазерные пучки света с наличием особых точек — фазовых сингулярностей, в которых стадия колебания световой волны не определена, а интенсивность равна нулю. Волновой фронт оптических вихрей представляет собой винтовую поверхность, которая может отличаться степенью закрутки.
«Пучок света, падающий на двумерную маску, изготовленную в виде экрана с регулярно расположенными круглыми отверстиями, разделяется на множество пучков в соответствии с количеством отверстий. Затем эти пучки интерферируют друг с другом, как волны от нескольких упавших на водную поверхность камней, с образованием световой решетки в трех пространственных измерениях. Когда падающий пучок является оптическим вихрем, получившаяся решетка представляет собой набор переплетенных оптических вихрей», — пояснил принцип создания световой решетки научный сотрудник лаборатории когерентной оптики Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Денис Андреевич Иконников.
В своей работе, кроме теоретического описания и экспериментального получения световых решеток из оптических вихрей, ученые рассмотрели вопрос о том, как будут вести себя точки сингулярности, лежащие в основе каждого оптического вихря. Было обнаружено и наглядно продемонстрировано их зарождение, пространственная миграция и аннигиляция.
«Оптические вихри представляют интерес с точки зрения реализации эффективных взаимодействий света с веществом. Они могут использоваться для захвата, удержания и перемещения микрообъектов различного происхождения, в том числе биологического, например клеток и биомолекул. Развиваемый нашей группой подход позволяет формировать трехмерные оптические решетки, состоящие из оптических вихрей. В работе мы получили оптические решетки с размерностью 40 × 40 × 5 узлов. То есть решетка состоит из более чем 8 000 узлов, в каждом из которых содержится оптический вихрь. В присутствии оптического вихря захваченные частицы могут приводиться в движение и взаимодействовать друг с другом. Такой подход может оказаться продуктивным при работе с множеством микрообъектов, например в устройствах оптических пинцетов следующего поколения», — рассказал о результатах работы заместитель директора по научной работе ИФ ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Михайлович Вьюнышев.
Редколлегия авторитетного журнала Annalen der Physik, в котором опубликована работа, выбрала визуализацию трехмерной световой решетки из работы авторов в качестве иллюстрации на обложку последнего выпуска журнала.
Работа была поддержана Российским научным фондом (проект № 19-12-00203).
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
