Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В соответствии с планом работы за отчётный год были разработаны дизайны различных световых ловушек для осуществления контролируемого вращения светопоглощающих частиц, взвешенных в воздухе. Это линейная световая ловушка, сформированная одиночной цилиндрической линзой; линейная световая «бутылка», для формирования которой было предложено два различных подхода – с использованием комбинации круговой диафрагмы и цилиндрической линзы и с использованием двойной цилиндрической линзы; и световая ловушка в виде нескольких областей минимума интенсивности, расположенных по контуру круга и сформированных с использованием суперпозицией двух вихревых пучков Лагерра-Гаусса. Каждый из данных типов световых ловушек позволил осуществить различные типы лазерных манипулирований с захваченными светопоглощающими агломерациями наночастиц углерода и частиц тонера принтера, которые выступали в качестве тестовых объектов. Так, была показана возможность использования вращающейся линейно световой ловушки для реализации полностью оптического инструмента для массового переноса взвешенных в воздухе светопоглощающих частиц из одного контейнера в другой - оптической мельницы (optical mill). Расчетное количество перемещаемых частиц для одного поворота сформированной линейной светового ловушки на 180 градусов находилось в диапазоне от 500 до 1000 при выходной мощности лазера в 900 мВт. Это исследование даёт возможности бесконтактного отбора проб взвешенных в воздухе частиц для последующей транспортировки и исследования их свойств или для передачи частиц в задачах, связанных с работой с биологически опасными веществами и материалами. Кроме того, с использованием линейных световых «бутылок» была продемонстрирована возможность стабильного вращения частиц, захваченных в области минимума интенсивности сформированных линейных световых «бутылок», с размерами в диапазоне от единиц до десятков микрометров. При этом диаметры траекторий вращения находились в диапазоне от 110 до 160 мкм и могут быть легко изменены путем изменения радиуса исходного лазерного пучка. Универсальность разработанных подходов позволила продемонстрировать вращение захваченных частиц как в вертикальной, так и в горизонтальной ориентациях схем разработанных в проекте лазерных манипуляторов. Направление вращения также легко контролируется путём изменения направления вращения цилиндрических линз, формирующих световые ловушки. Кроме того, в вертикальной ориентации схемы лазерного манипулятора, созданного на основе пространственного модулятора света, была продемонстрирована возможность контролируемого вращения частиц, захваченных внутри областей минимума интенсивности, сформированных в результате суперпозиции двух вихревых пучков с различными топологическими зарядами. Оценки, произведённые на основании результатов экспериментов в случае использования линейных световых «бутылок», показали возможность достижения частоты вращения захваченной микрочастицы вдоль круговой траектории диаметром 100 мкм равной примерно 5,8 кГц. Также в проекте был разработан метод формирования структурированных лазерных пучков с профилем распределения интенсивности в виде двойного кольца также для осуществления вращения захваченных светопоглощающих частиц в воздухе. Метод основан на использовании композиционного дифракционного оптического элемента, объединяющего две спиральные фазовые пластинки с одинаковыми топологическими зарядами. Световое поле, формируемое при освещении такого элемента Гауссовым пучком представляет собой суперпозицию двух вихревых пучков с одинаковыми топологическими зарядами. При этом величина фазовой задержки между этими вихревыми пучками, вносимая, например, за счёт поворота одной из пластинок относительно другой позволяет динамически перестраивать структуру формируемого кольцевого распределения интенсивности – от одиночного кольца до двойного кольца с равными или различными интенсивностями колец. Одним из важнейших результатов проекта стала разработка нескольких схем лазерных манипуляторов в различных ориентациях для осуществления контролируемого вращения светопоглощающих частиц в воздухе как за счёт использования модулятора света, так и за счёт использования цилиндрических линз, установленных на вращающихся держателях. В комбинации с разработанными в проекте дизайнами световых ловушек данные схемы манипуляторов позволили осуществить различные виды манипулирования – захват, контролируемую транспортировку и вращение взвешенных в воздухе частиц. Предложенные в проекте подходы расширяют функциональные возможности систем лазерных манипуляторов и полезны как для исследования взаимодействий светопоглощающих частиц в воздухе, так и для реализации различных микроустройств, таких как микродвигатели и микронасосы, работающие в газах. Результаты, полученные в первый год выполнения проекта, опубликованы в ведущих международных журналах по оптике (Applied Physics Letters и Optics Letters), что подтверждает их высокую научную и практическую значимость.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствии с планом работы за отчётный год были рассчитаны и изготовлены дифракционные оптические элементы для формирования лазерных пучков, обладающих различными уникальными свойствами, такими как свойство «мгновенной» фокусировки сформированных лазерных пучков без необходимости использования дополнительной фокусирующей оптики и свойство самовосстановления поперечной структуры пучка после его прохождения через прозрачное или непрозрачное препятствие. Для этого были исследованы так называемые круговые пучки Эйри с радиальной симметрией. Уникальная структура таких пучков позволяет формировать наборы световых ловушек типа световые "бутылки" на оптической оси перед и после точки фокусировки, что дало возможность использовать их для захвата и манипулирования взвешенными в воздухе микрообъектами, скрытыми за непрозрачным препятствием, поперечный размер которого на два порядка превышает размеры самих микрообъектов. При этом был осуществлён захват как одиночных микрочастиц, так и нескольких частиц одновременно в различных ловушках. Продемонстрированные скорости перемещения частиц составляли десятки микрометров в секунду, а произведенные теоретические оценки действующих сил показали возможность стабильного трехмерного захвата частиц с размерами в диапазоне единиц и десятков микрометров при мощности лазерного излучения 20 до 25 мкВт. Еще одним из разработанных в проекте способов перемещения захваченных частиц стал так называемый активный оптический "конвейер", реализованный за счёт использования суперпозиции двух пучков Бесселя ненулевого порядка, сформированных каскадом из двух фазовых Бессель-фильтров. Такая суперпозиция позволяет формировать самовосстанавливающиеся световые "бутылки" на оси пучка, положение которых вдоль оси регулируется за счёт поворота одного из фильтров относительно другого. При этом была продемонстрирована возможность перемещать захваченные частицы как по направлению к источнику излучения, так и по направлению от источника излучения, т.е. возможность реализации притягивающих/отталкивающих лазерных пучков. Продемонстрированные максимальные расстояния перемещения составили 450 мкм, но могут быть существенно увеличены за счёт использования фильтров с другими параметрами. Третьим видом структурированных лазерных пучков, использованных в проекте для перемещения захваченных частиц по криволинейным траекториям, стали двумерные пучки Эйри, сформированные дифракционными оптическими элементами с кубической фазой. Такие элементы в комбинации с линзами позволили сформировать бездифракционные лазерные пучки, каустика которых имеет параболическую форму и огибает фокальную точку. Благодаря этому была показана возможность использовать пучки Эйри для перемещения частиц по траекториям, огибающим прозрачные препятствия, что позволяет реализовать отбор проб частиц, взвешенных в воздухе из удаленных и скрытых от прямой видимости областей, либо доставку частиц в эти области. При этом одним из важнейших результатов проекта стала не просто разработка методов формирования таких световых ловушек с расширенным функционалом, но и разработка соответствующих схем лазерных манипуляторов для осуществления захвата и трехмерного перемещения светопоглощающих частиц в воздухе как за счёт использования модулятора света, так и за счёт использования изготовленных на стеклянных подложках дифракционных оптических элементов. Разработанные схемы манипуляторов были оттестированы в случае захвата агломераций наночастиц углерода и показали возможность использования их не только для захвата светопоглощающих частиц в воздухе, но и прозрачных частиц в водных растворах. Это объясняется универсальной структурой предложенных в проекте световых «бутылок», сформированных за счёт использования самовосстанавливающихся лазерных пучков. Таким образом, разработанные на втором этапе проекта методы формирования самовосстанавливающихся световых ловушек и предложенные схемы лазерных манипуляторов позволили продемонстрировать ранее не осуществленные типы манипулирования, а именно, манипулирование микрообъектами скрытыми за каким-то препятствиями, что значительно расширяет функциональные возможности существующих систем лазерных манипуляторов. Результаты, полученные за второй год выполнения работ по проекту, опубликованы в ведущих международных журналах по оптике (Applied Optics, Optics & Laser Technology), что подтверждает их высокую научную и практическую значимость.