Тем не менее недавно был открыт новый класс полей, энергетический центр которых распространяется прямолинейно, однако отдельные (наиболее интенсивные) части пучка распространяются по криволинейной траектории. Такие пучки, названные пучками Эйри, обладают рядом интересных свойств: бездифракционностью, самореконструкцией профиля за препятствиями, ускоренным движением световой энергии.

 

Пучки Эйри необходимы для создания оптических манипуляторов с целью перемещения микрочастиц вдоль параболических траекторий, для лазерной обработки материалов с криволинейными особенностями формы, в микроэлектронике для формирования непрямолинейных микроструктур в кремнии. Искривленные высокоинтенсивные пучки Эйри в вакууме открывают новые пути достижения больших длин взаимодействия с потоками частиц, в частности, для ускорения протонов и электронов вдоль управляемых криволинейных траекторий.

 

Одним из важнейших применений пучков Эйри считается биомедицина. Такие пучки перспективны в оптической томографии и микроскопии для зондирования биологических объектов на глубины значительно большие, чем в случае применяемых в настоящее время гауссовых пучков. Отметим здесь, что большие надежды возлагаются на так называемую микроскопию «светового листа» (СЛ-микроскопия), в которой образец освещается световым полем, локализованном в тонком, порядка нескольких микрон, световом слое максимально возможной длины. В случае гауссовых пучков такой слой формируется в конфокальной области при фокусировке пучка цилиндрической линзой. Наблюдение освещенной области осуществляется в направлении перпендикулярном световому листу с помощью отдельного микроскопа. Понятно, что переход в СЛ-микроскопии к бездифракционным пучкам Эйри весьма заманчив, т.к. позволяет значительно увеличить длину светового листа. Наиболее перспективной областью применения СЛ-микроскопии является биомедицинская диагностика в режиме реального времени. Кроме преимущества из-за большой длины СЛ, применение пучков Эйри позволяет уменьшить световую нагрузку на биологические ткани. Это объясняется тем, что протяженный фокус пучка Эйри не содержит выделенных участков с максимальной концентрацией световой энергии, аналогичных фокальной плоскости гауссовых пучков. Режим реального времени достигается сканированием СЛ в направлении, перпендикулярном его плоскости. В итоге могут быть созданы видеозаписи с частотой кадров, порядка нескольких килогерц и выше. Такая микроскопия с высоким разрешением перспективна в биологии развития, например, для изучения процессов деления клеток, а также для исследований процессов в нервной системе и в мозге. Важно также, что предлагаемая технология, позволяющая следить за микропроцессами в режиме реального времени, облегчит проведение анализов в клинической практике, а значит, и диагностику различных заболеваний.

 

Учитывая большие перспективы, связанные с применением пучков Эйри, очевидна важность разработки способов управления их параметрами. Из теории таких пучков следует, что ключевым их параметром является кривизна траектории распространения. Ее изменение позволяет управлять положением пучка в пространстве, его ускорением и свойством самореконструкции. Базовая оптическая схема для формирования пучков Эйри включает цилиндрическую линзу и пространственный модулятор света. Последний располагается в передней фокальной плоскости цилиндрической линзы, а пучок Эйри формируется в задней фокальной плоскости линзы и ее окрестности. При этом модулятор осуществляет кубическую фазовую модуляцию падающего гауссова пучка, т.е. действует как так называемая кубическая линза. Отсюда следует, что пучки Эйри формируются схемой, состоящей из кубической и цилиндрической линз. При этом кривизна траектории определяется параметром, определяющим темп нарастания кубической фазы и аналогичным фокусному расстоянию обычной линзы. Такой параметр может быть назван фокальной длиной кубической линзы.

 

Авторам необходимо было решить проблему разработки эффективного и высокоскоростного метода перестройки фокальной длины кубической линзы. Для этого предложена и экспериментально проверена идея, состоящая в том, чтобы извлечь высокочастотную кубическую фазовую модуляцию из волновых параметрических процессов. Как показало выполненное авторами численное моделирование, это можно реализовать, например, в схеме на основе акустооптического модулятора стоячей волны. При освещении полупериода стоячей акустической волны, ее влияние на проходящее световое поле представимо как последовательное действие преломляющей призмы и кубической линзы. Кубическая линза, как указано выше, приводит к формированию пучка Эйри, а призма осуществляет сканирование данного пучка в поперечной плоскости без изменения кривизны траектории. При этом изменение фокусного расстояния линзы осуществляется за счет временной модуляции амплитуды стоячей акустической волны. В результате, достигается высокоскоростная перестройка кривизны траектории с частотой равной частоте звукового поля. На практике эта частота ограничивается не звуковым полем, а частотой регистрации изображений. Важно также отметить, что использование синусоидальной фазовой решетки с многими периодами позволяет формировать массивы пучков Эйри. Это достигается параллельным освещением заданного числа полупериодов решетки.

 

Разработанный авторами метод получения динамически перестраиваемых пучков Эйри применим к пучкам как объемного, так и поверхностного типа. Нами, в частности, предложены и изучены двухмасштабные пучки Эйри, распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред как и обычные пучки Эйри, причем их интенсивность экспоненциально убывает при удалении от границы. Достоинством таких пучков является возможность усиления локальной интенсивности за счет плазмонных резонансов. Перспективные направления применения двухмасштабных пучков Эйри связаны, в первую очередь, с микро-, нано- электроникой и плазмоникой.

 

В целом предложенный и разработанный метод управления пучками Эйри открывает возможности значительного увеличения скорости функционирования различных динамических устройств на основе данных пучков.