Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Проведенные работы 1. Проведен расчет высокоэффективных дифракционных оптических элементов с пространственно разнесенными зонами с разными топологическими зарядами для вращения микрообъектов в воздухе и вакууме. Рассчитанные дифракционные оптические элементы представляют собой вихревые элементы с гладкой фазой, при этом зоны с топологическими зарядами располагаются на разном удалении от оси элемента. 2. Проведен расчет высокоэффективных дифракционных оптических элементов с перемешанными зонами с топологическими зарядами (n=0; m1=1; m2=-1; m3=-1; m4=1), (n=0; m1=1; m2=-1; m3=2; m4=-2; m5=3; m6=-3; m7-4; m8=-4), (n=0; m1=1; m2=2; m3=-1; m4=-2), (n=0; m1=1; m2=3; m3=5; m4=7; m5=9; m6=11; m7=13; m8=15), (n=0; m1=2; m2=0; m3=2), (n=0; m1=2; m2=0; m3=-2), (n=0; m1=2; m2=0; m3=2; m4=0), (n=0; m1=2; m2=2; m3=2), (n=0; m1=2; m2=4; m3=2; m4=4), (n=0; m1=5; m2=2; m3=5), (n=0; m1=5; m2=2; m3=5; m4=2), (n=1; m1=2; m2=2; m3=2; m4=2), (n=2; m1=2; m2=2; m3=2; m4=2) для вращения микрообъектов в воздухе и вакууме. 3. Проведен расчет фокусирующих высокоэффективных дифракционных оптических элементов с пространственно разнесенными зонами с разными топологическими зарядами для вращения микрообъектов в воздухе и вакууме. 4.Проведен расчет фокусирующих высокоэффективных дифракционных оптических элементов с перемешенными зонами с разными топологическими зарядами для вращения микрообъектов в воздухе и вакууме. 5. Изготовлены пробные дифракционные оптические элементы для проведения предварительных экспериментов по формированию пучков с топологическими зарядами (n=0; m1=1; m2=-1; m3=-1; m4=1), (n=0; m1=1; m2=-1; m3=2; m4=-2; m5=3; m6=-3; m7-4; m8=-4), (n=0; m1=1; m2=2; m3=-1; m4=-2), (n=0; m1=1; m2=3; m3=5; m4=7; m5=9; m6=11; m7=13; m8=15), (n=0; m1=2; m2=0; m3=2), (n=0; m1=2; m2=0; m3=-2), (n=0; m1=2; m2=0; m3=2; m4=0), (n=0; m1=2; m2=2; m3=2), (n=0; m1=2; m2=4; m3=2; m4=4), (n=0; m1=5; m2=2; m3=5), (n=0; m1=5; m2=2; m3=5; m4=2), (n=1; m1=2; m2=2; m3=2; m4=2), (n=2; m1=2; m2=2; m3=2; m4=2). 6. Проведены предварительные оптические эксперименты по формированию вихревых пучков. 7. Проведен расчет оптимальной формы микротурбин. 8. Разработаны трехмерные модели микротурбин. 9. Проведено моделирование вращения рассчитанных микротурбин в в сложных вихревых пучках в воздухе и вакууме. Полученные результаты. 1. Рассчитаны дифракционные оптические элементы для вращения микрообъектов в воздухе и вакууме. 2. Также рассчитаны дифракционные оптические элементы с пространственно разнесенными зонами с разными топологическими зарядами для вращения микрообъектов в воздухе и вакууме, формирующие суперпозиции 2-х,3-х и 4-х вихревых пучков. В том числе рассчитанные элементы были преобразованы в бинарные путем линейного и радиального кодирования фазы. 3. Проведен расчет дифракционных оптических элементов с перемешанными зонами с разными топологическими зарядами для вращения микрообъектов в воздухе и вакууме. 4. Все дифракционные оптические элементы, приведенные к бинарному виду, были изготовлены методом фотолитографии с разрешением 1мкм для проведения пробных экспериментов. В ходе измерения были получены значения дифракционной эффективности для таких элементов в диапазоне от 37 до 40%. 5. Проведено моделирование вращения рассчитанных микротурбин в в сложных вихревых пучках в воздухе и вакууме. При этом в ходе моделирования учитывалась поляризация сформированного пучка, что позволило сделать вывод о необходимости формирования световых пучков с радиальным распределением поляризации. Был разработан метод по формированию таких пучков. 6. Проведены предварительные оптические эксперименты по формированию вихревых пучков для определения ошибки формирования. Были сформированы следующие суперпозиции вихревых пучков: (n=0; m1=1; m2=-1; m3=-1; m4=1), (n=0; m1=1; m2=-1; m3=2; m4=-2; m5=3; m6=-3; m7-4; m8=-4), (n=0; m1=1; m2=2; m3=-1; m4=-2), (n=0; m1=1; m2=3; m3=5; m4=7; m5=9; m6=11; m7=13; m8=15), (n=0; m1=2; m2=0; m3=2), (n=0; m1=2; m2=0; m3=-2), (n=0; m1=2; m2=0; m3=2; m4=0), (n=0; m1=2; m2=2; m3=2), (n=0; m1=2; m2=4; m3=2; m4=4), (n=0; m1=5; m2=2; m3=5), (n=0; m1=5; m2=2; m3=5; m4=2), (n=1; m1=2; m2=2; m3=2; m4=2), (n=2; m1=2; m2=2; m3=2; m4=2). Ошибка формирования составила от7 до 10 %. Были проведены также предварительные эксперименты для определения основных параметров экспериментальной оптической установки, в которых был осуществлен оптический захват микрочастиц в воздухе. 7. Проведен расчет оптимальной формы микротурбин, в котором была учтена поляризация падающего светового пучка. Показано что учет поляризации пучка существенно увеличивает энергетическую эффективность работы световой ловушки. На основе проведенного расчета были разработаны трехмерные модели микротурбин для их дальнейшего изготовления методом двухфотонной полимеризации.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1. Cоздана оптическая установка для передачи вращающего момента микромеханическим системам в воздухе. Установка позволяет работать с микрообъектами и размером до 100мкм. Установка оснащена лазером с регулируемой мощностью от 0 до 4 Вт с длиной волны 532 нм. Создана оптическая установка для передачи вращающего момента микромеханическим системам в вакууме. Использована вакуумная камера объемом всего 400мл. 2. На основе созданных в 2014 году трехмерных моделей созданы микрообъекты специальной формы (методом двухфотонной полимеризации и методом фотолитографии) для вращения в вихревых пучках в воздухе и вакууме. В методе фотолитографии удалось получить погрешность вывода гладких поверхностей в пределах 50нм с изготовлением за один технологический цикл 50000 микротурбин. 3.Отработана технология нанесения на микрообъекты специальной формы слоя металла толщиной 50нм для увеличения лучевой стойкости и отражающей способности микрообъектов. 4. Были проведены предварительные эксперименты по определению лучевой устойчивости разработанных микротурбин. Эксперименты проводились в двух видах: с закрепленными турбинами (были исследованы все типы пучков), эксперименты с захватом миротурбин в воздухе (пучок (n=2; m1=2; m2=2; m3=2; m4=2)). Получен устойчивый захват вплоть до лучевого разрушения турбины. 5. Разработан новый способ формирования простых оптических вихрей, на основе использования топологических зарядов структуры и отдельных зон вихревых дифракционных линз. 6. Разработан новый метод формирования полых световых пучков для неповреждающего захвата микрообъектов, основанный на использовании суперпозиций световых пучков Бесселя.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1) Экспериментально продемонстрирована возможность использования пространсветнного модулятора света PLUTO_VIS для осуществления множественного захвата и контролируемого манипулирования светопоглощающими микрообъектами несферической формы и их агломерациями, которые могут образовывать объекты турбиноподобной формы, при использовании фокусирующей оптики с малой числовой апертурой (минимальное значение NA=0,01). 2) Построена экспериментальная зависимость размеров области захвата микрообъектов в воздухе при использовании лазерного пучка с Гауссовым профилем от значения числовой апертуры фокусирующей оптики. Показана возможность осуществления вращения захваченных в таком пучке несферических микрообъектов с частотой около 3-5 Гц при мощности лазерного пучка около 350 мВт. 3) Экспериментально продемонстрирована возможность формирования наборов световых ловушек для захвата и вращения несферических микрообъектов в воздухе на основе формирователей мод Эрмита-Гаусса. Такие элементы продемонстрировали значительную спектральную устойчивость и возможность применения одного и того же элемента в схемах по манипулированию лазерными пучками с различными длинами волн. 4) Исследовано влияние мощности пучка при захвате и вращении микротурбин с помощью суперпозиций вихревых пучков в жидкой среде. 5) Предложен метод расчета бинарных дифракционных оптических элементов, которые формируют заранее определенное, симметричное амплитудно-фазовое распределение. Метод предлагает использовать световые поля формируемые в +1 и -1 порядках дифракции для формирования световой ловушки. Таким образом, теоретическая эффективность повышается за счёт того, что она равна сумме эффективностей дифракционных порядков. 6) С помощью составного бинарного аксикона экспериментально сформирована световая «бутылка» вытянутой формы, которая может быть использована для захвата и вращения несферических микрообъектов в воздухе при возмущениях внешней среды. 7) Экспериментально продемонстрирована возможность поворота больших микротурбин и несферических микрообъектов (размером около 30-50 мкм) на угол около 90 градусов и возможность вращения «небольших» микрообъектов несферической формы (размером в несколько единиц микрометров) с частотой порядка 1-3 Гц в вакууме при давлении около 10 Па с помощью вихревых пучков и суперпозиций вихревых пучков 6 и 48 порядков. При этом в случае вращения микрообъектами размером в единицы микрометров для захвата использовалась только небольшая часть лазерного пучка, не превышающая 10% от его общей площади и мощности. 8) Разработана технология изготовления фазовых ДОЭ и фильтров, которые также могут быть применены и для изготовления микромеханических элементов, в том числе и микротурбин, которые должны обладать большей устойчивостью к нагреву при захвате их в световую ловушку. 9) Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность формирования спирального распределения интенсивности нано- и микромасштаба с помощью бинарного вихревого аксикона. В случае формирования наноразмерной спирали (так называемой “фотонной наноспирали) нам удалось сформировать спираль с глубиной фокуса около 2 мкм и поперечным размером по полуспаду интенсивности около 340 нм. Иллюстрация из статьи "Degtyarev, S.A. et. al. Appl. Opt. 55 (2016)" , посвящённой данной работе, была выбрана в качестве обложки номера журнала Applied Optics (https://www.osapublishing.org/ao/issue.cfm?volume=55&issue=12)