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 привлекают 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 кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории когерентной оптики Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Денис 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 8000 узлов, в каждом из которых содержится оптический вихрь. В присутствии оптического вихря, захваченные частицы могут приводиться в движение и взаимодействовать друг с другом. Данный подход может оказаться продуктивным при работе со множеством микрообъектов, например, в устройствах оптических пинцетов следующего поколения», — рассказал о результатах работы кандидат физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Андрей 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).