Оптомеханика и оптическое манипулирование

Рисунок 1 - Коллаж различных оптомеханических систем, исследованных сотрудниками лаборатории, а также изображение установки оптического пинцета.

Оптомеханика – раздел физики, посвященный контролируемому перемещению микро- и наночастиц при помощи оптического излучения. Начало развитию данной области положил российский ученый П.Н. Лебедев, который впервые экспериментально доказал, что свет оказывает давление на облучаемые объекты. Следующий шаг был сделан в 70-е годы 20-го века Артуром Ашкиным, предложившим использовать фокусированные оптические пучки для захвата и перемещения микрообъектов. В последующие годы оптическое манипулирование приобрело широкое распространение как в физических исследованиях, так и в биологии и медицине, поскольку является практически единственным неинвазивным методом контролируемой транспортировки живых микрообъектов.

В последние годы, в связи с развитием нанотехнологий и методов структурирования излучения, оптомеханика сделала гигантский шаг вперед, достигнув весьма высокой гибкости в оптическом манипулировании. Созданы так называемые голографические пинцеты, позволяющие управлять движением нескольких десятков частиц одновременно, «лучи притяжения» (пучки, притягивающие объект к источнику излучения), одним из первооткрывателей которых является сотрудник нашей лаборатории Сергей Сухов, оптические системы, в которых частицы движутся вбок по отношению к падающему лучу, и т.д. В настоящее время большое внимание уделяется нанооптомеханике – направлению, позволяющему оперировать не микро- (как обычная оптомеханика), а нанообъектами, что требует использования дополнительных наноструктур, в которых поле может фокусироваться на наномасштабах и достигать гигантских коэффициентов локализации излучения и, как следствие, высоких значений удерживающей силы.

В лаборатории «Нанооптомеханики» в настоящее время ведется ряд проектов, посвященных исследованию поведения наночастиц в ближних полях наноструктур, например, метаматериалов и метаповерхностей, что позволяет практически произвольным образом конфигурировать траекторию нанообъектов. С другой стороны, исследование поведения наночастиц на подложке позволило разработать «луч притяжения», создаваемый однонаправленным плазмоном, возбуждаемым наклонно падающей волной. Отдельно следует отметить поведение оптически связанного димера из различных наночастиц в поле плоской волны: в этом случае наночастица меньшего размера и массы может управлять движением более крупного и массивного объекта, не испытывая при этом обратной силы. При этом 3-й закон Ньютона выполняется, если учесть обратное влияние поля. Таким образом, спектр актуальных задач нанооптомеханики весьма широк, а исследования, посвященные данному направлению, в настоящее время находятся на стадии бурного развития.