Российские ученые смогли добиться сверхфокусировки излучения полупроводникового лазера за счет самоинтерференции его луча. Они смогли использовать такой луч как оптический пинцет, чтобы перемещать микроскопические объекты. Статья с результатами исследования опубликована в Scientific Reports.

По сравнению с другими типами полупроводниковые лазеры эффективнее, компактнее и дешевле. Однако у них есть и недостатки: луч мощного полупроводникового лазера, например, плохо фокусируется. В результате площадь фокусного «пятна» получается на один-два порядка больше теоретического предела. Из-за этого страдает плотность мощности, что мешает использовать полупроводниковые лазеры для обработки материалов.

В новой работе ученые предложили способ устранить этот недостаток. Для этого нужно создать так называемый пучок Бесселя, в котором мощность излучения остается постоянной по ходу его распространения. Чтобы создать пучок Бесселя, лазерный луч нужно направить в специальную коническую линзу. Такая линза фокусирует лазерное излучение за счет того, что «заставляет» его составляющие («моды») интерферировать сами с собой. Из-за этого поперечный размер лазерного пятна в фокусе приближается к теоретическому пределу, а протяженность фокуса увеличивается.

Чтобы подтвердить, что эту идею можно реализовать, ученые провели эксперимент. Они направляли луч лазера в волновод — оптическое волокно, на выходе из которого располагалась коническая линза. Физики тестировали два ее варианта: с углами при вершине конуса в 140° и 160° и радиусом скругления вершины менее 10 микрометров. Первая линза смогла сфокусировать луч лазера до размеров в 2-4 микрометра в поперечнике при длине распространения волны около 20 микрометров. Этот результат почти на порядок меньше того, чего можно добиться с помощью «идеальной» сферической линзы.

Вторую линзу ученые использовали в качестве своеобразного оптического пинцета для манипуляций с красными кровяными клетками крысы (средний размер таких клеток — 5-6 мкм). Они смогли захватывать эти клетки и переносить их на значительные расстояния.

«В более ранних работах мы показывали, что можно создать пучок Бесселя, даже используя полупроводниковый лазер с очень плохими спектральными характеристиками и даже светодиод, — поясняет первый автор работы, сотрудник ФТИ имени А.Ф. Иоффе Григорий Соколовский. — В этой работе нам удалось показать, что можно создать пучок Бесселя даже из лазерного луча с очень плохими пространственными характеристиками, а это открывает новые возможности для использования мощных полупроводниковых лазеров».