Структуроване світло відкриває нові революційні можливості оптичної метрології

0

Перші підсумки цьогорічної вступної кампанії в інститут показали, що потужним, але ще слабозадіяним резервом для агітації абітурієнтів залишається недостатнє висвітлення в пресі, соціальних мережах, інтернеті інформації про сучасні досягнення в тій чи іншій галузі знань, діяльності.

Адже вдалі виступи наших молодих колег, які були висвітлені в соціальних мережах, зокрема Facebook, представлені на Youtube каналі, сприяли проведенню в цьому році найбільш вдалого набору вступників за всю історію інституту.

Підхоплюючи цю ініціативу, пропоную вашій увазі, цей матеріал для ознайомлення.

_________________________________________________________________________

ПОЛЯРИЗАЦІЙНА НАНОТОМОГРАФІЯ СФОКУСОВАНИХ СВІТЛОВИХ ПЕЙЗАЖІВ (ЛАНДШАФТІВ) САМОСТІЙНО ЗІБРАНИХ (УТВОРЕНИХ) МОНОШАРІВ

На сьогодні вже експериментально доведена функціональність нанотомографічного підходу, який поєднує здатність органічних молекул самостійно утворювати (формувати) моношари з можливістю діагностики цих наноструктур, шляхом використання складних тримірних оптичних полів.

З цією метою досліджувались розподіли флюоресцентних  картин як результат збудження штучно створених (створених на замовлення) моношарів непараксіальними 3D (3-вимірними) світловими полями. Як характерні приклади, розглядались фокальні поля (в площині z=0), що представлені на рис.1а,b, які отримувались  експериментально  і розраховувались теоретично.

Рис.1 [1]

На рис.2 показано експериментально виміряні (а і с) та теоретично розраховані (b i d) нормовані інтенсивності флюоресценції. Для збудження флюоресценції використовувались сильно-сфокусовані векторні пучки двох типів (“квітка” та “веб”-структура) з додатковими співвісно накладеними вихорами різних порядків (рис.3).

Рис.2 [1]

Рис.3 [1]

Схема формування непараксіальних світлових полів. а. Мікроскопічна система для сильного фокусування штучно утворених параксіальних світлових полів і виявлення флюоресценції. b. Схема для генерації штучно утворених векторних світлових полів з додатковими фазовими вихорами (параксіальний режим; SLM: просторовий модулятор світла, L: лінза, М: дзеркало, А: апертура, QWP(1,2): чверть хвильова платівка, CCD камера). c. Векторна квітка. d.  Веб-структури (+-8), поляризаційний розподіл яких позначений чорними лініями (червоними лініями – лінії потоку), з відповідною фазою Ф1,2  складного поля параметрів Стокса

Експериментально отримані результати і результати комп’ютерного моделювання демонструють зміни структури поля в поперечних перерізах пучків по мірі росту порядку вихорів поля (рис.4). Можна бачити, що проявляється асиметрія інтенсивності в поперечних розподілах поля, особливо, коли порядок вихорів l перевищує 2.

Таким чином, принципово доведено існування повздовжньої компоненти поляризації та діагностовано значний вклад її в результуючий розподіл непараксіального поля. Цей висновок підтверджений детальним аналізом розподілу інтенсивності флюоресценції в залежності від кутового розподілу інтенсивності в околі центру поперечного перерізу опромінюючого пучка (рис.4).

Рис. 4 [1]

Це в свою чергу виступає незаперечним свідченням того, що використання 3D полів дозволить суттєво підвищити чутливість методів діагностики тонкої структури поверхонь, рівень неоднорідності елементів якої, навіть по висотному параметру може складати всього 5-15 нм.

Варто зазначити, що такий підхід може використовуватись не тільки для дослідження моношарів, утворених органічними молекулами, але й, в підсумку, відкриває можливість більш широкого застосування 4D структурованих оптичних полів. Тут властивість флюоресценції слугує 4 параметром 3 вимірного структурованого оптичного поля.   

Наприклад, в ситуації, яка інвертована до нашого томографічного підходу, коли аналізуються  4D- структуровані світлові поля і, таким чином, коли вони перевіряються або навіть повністю реконструюються за оціненими непараксіальними характеристиками, ми можемо застосувати гостро сфокусовані оптичні поля для оцінки невідомих властивостей моношарів або 4D функціональних наносистем. Отже, 4D світлові поля, проаналізовані в рамках розглянутого підходу представляють корисну нанотехнологію, тобто інструмент для ефективного вивчення та впровадження 4D наноматеріалів.

[1] Eileen Otte, Kemal Tekce, Sebastian Lamping, Bart Jan Ravoo & Cornelia Denz, “Polarization nano-tomography of tightly focused light landscapes by self-assembled monolayers,” NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-019-12127-3

_________________________________________________________________________

Сподіваюсь, що ця ініціатива буде підхоплена і підтримана нашими молодими колегами і студентами в рамках роботи в студентських відділеннях SPIE, OSA та інших неформальних наукових об’єднаннях.

Ця робота повинна знайти захопливе, цікаве та корисне відображення на сайті інституту та кафедр, в соціальних мережах – на сторінці студентського парламенту інституту, особистих сторінках викладачів та студентів.

Успіхів нам!