В составе группы – сотрудники кафедры, которой заведует декан физического факультета, доктор физико-математических наук, профессор Наталия Дмитриевна Кундикова: доценты, кандидаты физико-математических наук Сергей Александрович Ассельборн, Александр Михайлович Герасимов, Денис Григорьевич Пихуля и заведующий лабораторией физических исследований Денис Сергеевич Исаков.

– В настоящее время группа работает по нескольким направлениям, – рассказывают Юрий Владимирович Микляев и Александр Михайлович Герасимов. – Во-первых, сотрудники кафедры оптоинформатики предложили и экспериментально реализовали методы сверхразрешения оптической микроскопии, или оптической наноскопии. Во-вторых, предложен метод микростереолитографии и синтеза объёмных изделий с её помощью, планируется его реализация. Третья тема – лазерное микроструктурирование материалов, в том числе структурирование оптического волокна, а четвёртая – исследование и синтез оптических метаматериалов и фотонных кристаллов.

Увидеть невидимое

В 2013 году тема «Методы сверхразрешения оптической микроскопии (оптической наноскопии)» получила поддержку по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Разработка запатентована (авторы – Ю.В. Микляев, С.А. Ассельборн). В чём суть метода? Микроскопия, как правило, основана на определённом излучении. Для оптической это видимый свет: подсвечиваем предмет и смотрим через линзы на его увеличенное изображение. Так можно рассмотреть очень малые объекты. Но оптика не всесильна – её возможности ограничивает предел разрешения: два рядом находящихся объекта можно различить только до тех пор, пока расстояние между ними больше половины длины световой волны, в противном случае предметы в окуляре сольются. В электронной микроскопии подсветка делается пучком электронов, эффективная длина волны там меньше, что позволяет увидеть более мелкие детали, например молекулы. Но при этом электронная «пушка» убивает всё живое, то есть рассмотреть, что происходит внутри клетки, не «зажарив» её составляющие, не получится. Чтобы постичь тайны живой материи, необходимо использовать оптическую микроскопию, которая не разрушает биологическую структуру, – но при этом найти способ преодолеть предел разрешения.

Как это сделать, придумали учёные кафедры оптоинформатики. Представьте, например, две металлические полоски на стеклянной подложке. Если расстояние между ними меньше, чем половина длины световой волны, то наблюдатель увидит в окуляр не два, а один предмет. Но вот на исследуемый объект наносится слой жидкости, в котором плавают наночастицы размером сто нанометров из оксида титана или серебра. Проплывая над металлической поверхностью, они ловят отражённый свет – и рассеивают его. А исследователь видит в микроскоп светящуюся точку, которая вспыхивает, проплывая над отражающей поверхностью (металлическим объектом), и гаснет, выходя за его границы. Зная направление и скорость движения точки, можно с очень большой точностью определить её координаты в любой момент времени. Специальная компьютерная программа преобразует эти координаты в картинку, на которой металлическая поверхность изображается с бóльшим разрешением, чем можно наблюдать в оптический микроскоп с помощью видеокамеры. Реализуется принцип наблюдения за наблюдателем – в роли последнего выступают наночастицы. Интересно, что этот метод реализуется на обычном микроскопе, а жидкость с наночастицами исследователь добавляет простой пипеткой. Проверить достоверность полученных данных можно с помощью электронного микроскопа. Таким образом, оптический микроскоп по «остроте зрения» приближается к электронному. Теоретически можно увидеть весьма малые частицы. Но всё-таки есть ограничение: чем меньше частица, тем меньше света она отражает и тем, соответственно, сложнее становится фиксировать её движение. Кроме того, наночастицы тоже способны влиять на живые клетки.

Синтез объёмных изделий

По методам микростереолитографии и синтезу объёмных изделий с её помощью в настоящее время проведены теоретические изыскания. Микростереолитография позволяет делать нужный объект сразу трёхмерным, причём можно изготавливать предметы сложной формы, которые весьма непросто, а порой и невозможно получить на станке. Метод основан на интерференции многих волн и обладает субмикронным разрешением. При его реализации задействованы пространственно-временные модуляторы света. В результате суммирования многих изображений (накладывания их друг на друга), как бы записывая видеофильм из плоских картин в объём, получают трёхмерные предметы. Таким способом можно синтезировать множество идентичных объектов. Метод отличают высокая производительность и низкая себестоимость. Эта технология может использоваться в биологии и медицине – при создании имплантов, в электронике – для изготовления электронных микромеханических устройств, микроэлектромеханических систем, например в смартфонах, видеокамерах, датчиках автомобилей и беспилотников.

Тонкие структуры

Мощный лазер способен резать сталь, а лазер с очень коротким импульсом – создавать тонкую структуру с высоким разрешением внутри любого прозрачного стекла и кристалла. Наглядный пример – цифровая голограмма, изображение трёхмерного объекта. Как это делается? Когда короткий импульс достаточной мощности фокусируется в прозрачный диэлектрик (стекло), происходит микровзрыв – величиной, например, в десятую долю микрометра. Произведя множество таких микровзрывов, можно целенаправленно изменить структуру материала – и получить новые оптические элементы, в частности цифровые голограммы практически любых объектов. Такие голограммы прикрепляются, например, на фонарь кабины самолёта, чтобы перенести изображение подсветки приборов в поле зрения пилота. Подобным способом можно изготовить недорогую линзу, сделав её голограмму в стекле, изменить свойства материалов, которые будут служить дифракционными решётками (элементами) для разложения света в спектр, – и делать из них диэлектрические зеркала или микрооптические элементы, которые перенаправляют, фокусируют свет в нужную область. Это найдёт применение, например, в медицинских зондах.

Оптические метаматериалы, по замыслу учёных, должны были стать своего рода универсальным решением для создания высокоярких источников излучения. Представьте систему отражающих плоскостей с определённым коэффициентом отражения. Если разместить эти зеркала друг за другом на равном расстоянии и направить на них свет с определённой длиной волны, то при отражении волны света сложатся – проинтерферируют. Получится в отражённом сигнале минимум или максимум, зависит от расстояния между зеркалами. Если на отражении максимум, значит на пропускании минимум, то есть дальше через структуру свет не идёт – следовательно, вся энергия луча отбрасывается назад, отражается. Теперь представим, что зеркала не плоские, а трёхмерные, где ни в одном из заданных направлений свет с заданной длиной волны распространяться не может. Следующий шаг: в куске материала, в котором «запрещено» распространяться свету, то есть отражается свет определённой длины волны, делается дефект структуры – нарушаются условия нераспространения света. Если в эту структуру направить свет, то распространяться он будет только вдоль дефекта. Получится область пространства, где свет локализован, то есть идеальный оптический волновод. В котором, в отличие от оптоволокна, не будет потерь. Подобным способом можно создать, например, оптические резонаторы – области пространства, где свет усиливается. В лазерах резонаторы состоят из двух зеркал, одно из которых полупрозрачное; свет между ними многократно отражается, и в активной среде создаётся усиление. Можно использовать такие резонаторы в микролазерах, предназначенных для работы в малых областях пространства, за границы которых луч не будет выходить. Подобные миниатюрные лазеры с микрорезонаторами могут найти применение, к примеру, в стоматологии – с их помощью станет возможным быстрее отверждать пломбы; в различных цифровых счётчиках (приборах учёта), средствах связи.

Фотонные кристаллы

Как пояснили учёные, согласно теоретическим расчетам, фотонные кристаллы должны работать в разных диапазонах длин волн (в частности, ультрафиолетовом). Периодическую структуру можно создать, используя волны разной длины – например, радиоволны: расставить и подстроить зеркала не проблема. Такие устройства есть – это антенны, различные резонаторы. Если перейти на микроволны, которые применяются во всем известных микроволновых (СВЧ) печах, то периодическая структура отражающих поверхностей должна быть меньшего размера. Современная техника позволяет создавать одномерные, двухмерные, трёхмерные структуры. Можно делать резонаторы для трёхмерных сред. Но при получении фотонных кристаллов для видимой области спектра есть проблемы. А учёным интересны как раз волны – и лазеры – видимого спектра. Для них необходимо создавать структуры с периодом в сотни нанометров. Современными техническими средствами делать это довольно сложно, но можно: с помощью лазерных пучков и микроструктурирования. Лазерные пучки позволяют строить различные микроструктуры – но не во всех материалах. Материалы, пригодные для подобной обработки, называются фоторезистами. Под воздействием света они меняют свойства: например, полимеризуются. Пучком лазера можно создать на стеклянной подложке любую структуру.

Но для высококачественных фотонных кристаллов необходим материал с определённым показателем преломления, то есть скорость света, попавшего в эту среду, должна уменьшаться в определённое количество раз. А прозрачных сред с нужными свойствами очень мало, среди жидкостей их нет вообще. Годятся лишь несколько кристаллических материалов, в том числе алмаз и диоксид титана – но делать в них лазером произвольные структуры, особенно трёхмерные, очень сложно, иногда невозможно. Однако учёные ЮУрГУ продолжают искать способы преодолеть препятствия, поставленные природой.