Российские ученые создали новый тип «нобелевского лазера»

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  Благодаря такой форме, пучки Бесселя могут "огибать" различные частицы, не рассеиваясь на них, и сохранять фокусировку при движении на больших расстояниях. Математически "полноценный" луч такого типа получить невозможно, однако его почти полные аналоги можно легко создать, пропустив лазерный пучок через коническую линзу особой формы.

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.