Физики из Санкт-Петербурга разработали новый тип лазерных диодов, излучение которых можно сфокусировать в очень тонкий луч, и использовали их в качестве «сердца» оптического пинцета, за создание которого только что была присуждена Нобелевская премия. Их выводы были представлены в журнале Scientific Reports.
«Нам удалось показать, что можно создать пучок Бесселя, особым образом «закрученный свет», даже из лазерного луча с очень плохими пространственными характеристиками. Это открывает новые возможности для использования мощных полупроводниковых лазеров», — рассказывает Григорий Соколовский из Физико‐технического института РАН в Санкт-Петербурге, чьи слова приводит пресс-служба заведения.
Световые щипцы, или оптические пинцеты, представляют собой особые инструменты, способные манипулировать микроскопическими кусочками материи, в том числе живыми клетками, при помощи частиц света. Как правило, главную роль в таких приборах играют микролазерные излучатели, испускающие особые, «закрученные» импульсы света.
Первые подобные устройства, за создание которых сегодня была присуждена Нобелевская премия, обладали массой ограничений – они не могли работать в «грязной» среде, где в луч лазера попадали «ненужные» частицы, и могли манипулировать ими лишь на небольшом расстоянии.
Примерно шесть лет назад ученые смогли решить большую часть этих проблем, используя не простые лучи лазера, а так называемые пучки Бесселя. Под этим словом математики и физики понимают набор из пучков света особой формы, закрученных так, что их мощность остается постоянной по мере распространения. Если посмотреть на них с одной стороны, они похожи на букву Х, а с другой – на набор вложенных друг в друга колец.
Линза «нобелевского» лазера, созданного российскими и зарубежными физиками, а также его сфокусированный луч
Соколовский и его коллеги одновременно создали новый тип оптических щипцов, и смогли заметно улучшить работу лазерных диодов, обратив внимание на то, что пучки Бесселя можно использовать для ликвидации главного недостатка полупроводниковых лазеров — низкой «кучности» их излучения.
Российские физики проверили, так ли это на самом деле, проведя совместный эксперимент с учеными из Греции и Великобритании. Их трехмерные лазерные нанопринтеры помогли команде Соколовского изготовить миниатюрные конические линзы и «выточить» их на конце оптоволокна, через которое пропускалось излучение диода.
Подобрав правильную геометрию линз, физикам удалось сфокусировать луч диода примерно в 10 раз лучше, чем это можно сделать при помощи классических сферических линз. В результате этого диаметр светового пятна лазера уменьшился до 2-4 микрометров, чего хватает для использования подобных диодов в качестве «сердца» световых щипцов.
Как показали дальнейшие опыты, луч подобных размеров хорошо захватывает одиночные эритроциты, красные кровяные клетки, имеющие сопоставимые габариты, и перемещает их на достаточно большие расстояния.
Помимо оптических щипцов, подобные лазеры можно применять для создания различных технологий обработки материалов, трехмерных нанопринтеров, а также для уменьшения размеров и значительного удешевления многих других лазерных установок, где сегодня применяются твердотельные и волоконные лазеры.