Grupa Optyki Nieciągłości Fazowych

http://www.sog.if.pwr.wroc.pl

Zgodnie z nazwą „Grupa Optyki Nieciągłości Fazowych” w centrum naszych zainteresowań leżą nieciągłości w rozkładzie fazy pola elektromagnetycznego, w szczególności w zakresie fal optycznych (od podczerwieni do nadfioletu). Rysunek z lewej strony pokazuje rozkład fazy w przekroju wiązki świetlnej przenoszącej nieciągłość typu wir optyczny. Każdy kolor odpowiada innej wartości fazy fali świetlnej.  Linie równej fazy zbiegają się do punktu, w którym faza nie jest określona jednoznacznie – jest to punkt nieciągłości fazowej. W przestrzeni punkt staje się linią – linią nieciągłości fazowej. Rysunek z prawej pokazuje powierzchnię równej fazy fali z wirem optycznym – tzw. powierzchnię falową. Powierzchnia ta ma charakterystyczny kształt śruby – stąd nazwa wir optyczny. Linia biegnąca wzdłuż osi tej śruby jest linią nieciągłości fazowej.

Wiry optyczne są zdecydowanie najciekawszymi nieciągłościami fazowymi, dlatego na nich głównie koncentrujemy naszą uwagę. Oto niektóre z ich osobliwych własności.

  • Punkty w których faza jest nieciągła muszą być wolne od światła. Na zdjęciach pojawiają się jako ciemne punkty, czyli obszary o zerowym natężeniu światła.
  • Skręcony front falowy oznacza, że fala z wirem optycznym przenosi niezerowy moment pędu. Jak wiadomo moment pędu jest wielkością zachowaną, stąd wynika duża trwałość wiru optycznego. Wir optyczny nie może, od tak sobie zniknąć, wcześniej musi się gdzieś pozbyć związanego z nim momentu pędu, co nie jest rzeczą prostą.
  • Fronty falowe o kształcie śruby mogą się kręcić zgodnie ze kierunkiem ruchu wskazówek zegara lub przeciwnie. Możemy mówić o wirach prawo- i lewoskrętnych. W literaturze używa się terminologii zapożyczonej z elektrostatyki -  mówi się o dodatnim lub ujemnym ładunku topologicznym wiru optycznego. Analogia z ładunkami elektrycznymi jest zresztą silniejsza: gdy wiązka światła przenosi więcej wirów o różnych znakach topologicznych, to wiry jednoimienne oddalają się od siebie (tak jakby się odpychały), a różnoimienne zbliżają się do siebie. Gdy dwa różnoimienne wiry wpadną na siebie, to wzajemnie się znoszą – zupełnie tak, jakby elektron anihilował z antyelektronem. Podczas takiej anihilacji moment pędu jest zachowany, gdyż wiry o przeciwnych znakach mają przeciwnie skierowane wektory momentu pędu. Te wszystkie podobieństwa do cząstek naładowanych spowodowały, że wirom optycznym nadano status quasi-cząstek. Do bycia cząstkami brakuje im tylko energii, którą mogłyby, jak przystoi przyzwoitej cząstce, przenosić.

W naszej pracy próbujemy wykorzystać szczególne własności wirów optycznych do precyzyjnych pomiarów. Zespół SOG opracował na przykład rodzinę interferometrów wykorzystujących do pomiarów regularną sieć kilkuset wirów optycznych. Zajmujemy się również zastosowaniem wirów w mikroskopach optycznych, gdyż mamy nadzieję, że pozwoli to na poszerzenie możliwości tych urządzeń. W czasach, gdy intensywnie rozwijają się wszelkiego rodzaju mikro- i nanotechnologie, każde zwiększenie możliwości mikroskopu optycznego jest szybko zauważane.

Rozbudowujemy również laboratorium manipulatorów optycznych. Okazuje się, że wiry optyczne wewnątrz zogniskowanej wiązki optycznej (2-3 mikrometry średnicy) potrafią chwytać różne obiekty – na przykład żywe komórki. Takie idealnie sterylne świetlne szczypce, bardzo delikatne, ale zarazem o pewnym i precyzyjnym chwycie stały się w środowisku biologów i medyków bardzo lubianym narzędziem. Na samym chwytaniu komórek się nie kończy, za pomocą manipulatorów optycznych komórki można również sortować, można coś z nich wyciągnąć (np. nić DNA) lub coś do nich włożyć (np. cząsteczki leku). Można również chwycić wypreparowaną nić DNA i ją rozciągnąć, mierząc przy tym siły sprężystości tej nici. To są niezwykłe pomiary, gdyż działające siły mierzy się w pikoniutonach (pN, 10-12 N).

Wprowadzenie wirów optycznych do układów zawierających elementy polaryzacyjne zaowocowało projektami unikalnych systemów polarymetrycznych. Co prawda nasze najnowsze układy polarymetryczne oddaliły się nieco od wirów optycznych, ale związana z nimi teoria skierowała naszą uwagę na nieciągłości polaryzacyjne i na tzw. fazę geometryczną. To już mocno abstrakcyjna część współczesnej optyki, a patrząc na sprawy szerzej - fizyki. Ale nie narzekamy, wręcz przeciwnie: powiązanie użytecznych systemów optycznych z szeroką perspektywą teoretyczną otwiera drogę na której może zdarzyć się bardzo wiele. Również rozwiązania, które być może zasłużą sobie na określenie „przełomowe”.

 

dr hab. Jan Masajada