Лазерный мир

Руководитель международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО Александр Шалин выступил на Дне COMSOL в Москве, где рассказал о новых алгоритмах мультифизического моделирования и расчета оптических сил с помощью программы COMSOL Multiphysics.

Эксперт вуза показал, как с помощью программы можно моделировать возбуждение однонаправленных поверхностных плазмон-поляритонов, а также их оптомеханическое воздействие на нанообъекты на поверхностях металлов.

Благодаря этому группа Александра Шалина получает фундаментальные результаты в области оптомеханики и улучшает качественные характеристики таких эффектов, как притягивающий луч, оптическое улавливание, позиционирование наночастиц в пространстве и других.

Мероприятие День COMSOL проходит в разных городах по всему миру ежемесячно. В конце октября оно состоялось в Москве. Программа включает в себя мастер-классы, тренинги, а также лекции приглашенных докладчиков. Выступить с тезисами приглашают специалистов, которые активно публикуют результаты своей работы с программой COMSOL Multiphysics и разрабатывают новые алгоритмы ее использования для инженерных или научных целей. Обычно на День COMSOL выступает несколько лекторов, в Москве свои доклады представили трое ученых, в том числе Александр Шалин.

Организаторы День COMSOL обратили внимание на лабораторию «Нанооптомеханика», потому что в пабликах лаборатории в Facebook и VK постоянно публиковались научные материалы, полученные с использованием программы, которые и заинтересовали организаторов мероприятия.

«Любой программный продукт необходимо правильно применить, иначе можно получить неверные результаты решаемых задач. Например, в области нанооптомеханики нужно правильно выбрать геометрию исследуемых объектов и окружающего пространства, участвующего в расчетах, граничные условия, сравнить эти данные с аналитикой. Потому что если неправильно задать эти условия, то можно произвести неверные подсчеты. Делать новую фундаментальную физику в любом программном обеспечении – это некий вызов, потому что ты занимаешься тем, что ранее никто не делал. Нельзя просто взять готовую модель из представленных в библиотеке программы. Нужно создавать собственную модель и при этом разбираться не только в программных инструментах, но и в самой физике. Иногда многократно проверенные методы не работают, и приходится искать другие пути решения задачи», – прокомментировал Александр Шалин.

Программа COMSOL Multiphysics

Какие задачи решаются в лаборатории «Нанооптомеханика»
На День COMSOL Александр Шалин рассказал о расчетах оптических и плазмонных сил, в частности, о моделировании поведения дипольной наночастицы на плазмонной подложке и того, как этой частицей можно управлять с помощью плоских волн и гауссовых пучков. Благодаря этому можно притягивать наночастицу к источнику излучения, то есть создавать так называемые «притягивающие лучи».

Использовать фокусированные лазерные пучки для перемещения объектов с успехом удается, когда необходимо переместить микрочастицы. Однако, когда тот же метод применяется по отношению к наночастицам, Броуновское движение сильнее влияет на частицы и просто выталкивает их из лазерного пучка. Для того, чтобы этого не происходило, необходимо использовать вспомогательные системы или условия. В лаборатории «Нанооптомеханика» для создания таких условий используются плазмон-поляритоны. Это поверхностные волны, которые распространяются по поверхности некоторых металлов. Если на наночастицу, расположенную на такой подложке, просто посветить лазером, то ничего не произойдет, а плазмон-поляритоны распространятся симметрично. Но, если посветить на частицу под определенным углом и подобрать параметры излучения, можно возбудить однонаправленные плазмон-поляритоны. В результате, согласно закону сохранения импульса, возникнет реактивная сила, которая толкнет частицу обратную по отношению к направлению распространения плазмон-поляритонов сторону. Таким образом, частица будет двигаться вдоль поверхности по направлению к источнику излучения. О том, какие еще методики ученые используют для создания притягивающих лучей не только в оптике, но и с помощью акустических или водных волн, читайте в материале ITMO.NEWS.

Кроме того, в лаборатории «Нанооптомеханика» работают над способами усиления оптической ловушки. С помощью оптической ловушки ученые могут исследовать отдельные микрообъекты, в том числе клетки живой ткани, или манипулировать микрочастицами, удерживать их в неподвижном состоянии. Для этого необходимо направить на них фокусированный лазер с необходимой длиной волны и интенсивностью. Инструмент, с помощью которого происходит такой захват, называют оптической ловушкой или оптическим пинцетом.

В лаборатории также занимаются диэлектрической нанофотоникой, то есть создают наноструктуры из диэлектриков, с помощью которых можно управлять фазой, формой пучка света, его отражением, а также решать задачи в области голографии, разрабатывать просветляющие наноструктурые покрытия, которые можно использовать для линз в том числе. Лаборатория сотрудничает со специалистами из Ганноверского лазерного центра, Университета Центральной Флориды, Университета Аалто в Финляндии, Академического университета РАН и других научных институтов. Каждое направление работы лаборатории курируется как экспертом со стороны Университета ИТМО, так и со стороны зарубежных партнеров.

Источник: http://news.ifmo.ru/ru/science/photonics/news/7069/