Jak wykorzystać właściwości wiązek Airy’ego?

Artykuł Experimental analysis of Airy beam self-localization in nematic liquid crystals, opublikowany w renomowanym czasopiśmie Optics Letters, to owoc pracy Daniela Hertzscha, realizującego swoje badania w ramach pracy magisterskiej, oraz zespołu naukowego pod kierunkiem dr hab. inż. Urszuli Laudyn, prof. PW, i dr. inż. Michała Kwaśnego. 

Badania dotyczyły fascynującej klasy fal optycznych zwanych wiązkami Airy’ego. Te unikalne fale mają zdolność propagacji po zakrzywionej trajektorii, bez zmiany swojego kształtu, co wyróżnia je spośród innych fal świetlnych. 

Autorzy pracy zajmowali się propagacją jednowymiarowych wiązek Airy’ego w nematycznych ciekłych kryształach (NCK), materiałach charakteryzujących się dużą anizotropią optyczną i zdolnością do dynamicznego kontrolowania propagacji światła. Naukowcy zaprojektowali i wykonali zaawansowany układ eksperymentalny wykorzystując wiązkę laserową o długości fali 532nm oraz matrycę cyfrowych mikroluster (ang. Digital Micromirror Device) do generowania wiązek Airy’ego.  Badania rozpoczęto od potwierdzenia podstawowych właściwości tego typu wiązek w zakresie optyki liniowej w trakcie propagacji w komórce wypełnionej nematycznym ciekłym kryształem. Przełomowe odkrycia nastąpiły jednak przy zwiększeniu mocy optycznej, gdzie ujawniają się nieliniowe efekty reorientacyjne w ciekłych kryształach. 

— Wówczas właściwości optyczne NCK nie mogą być już uważane za stałe — opowiada mgr Daniel Hertzsch. — Wskutek zjawiska reorientacji molekuł wywołanej silnym polem optycznym następuje lokalny wzrost współczynnika załamania światła prowadzący do efektu samoogniskowania – analogicznie jak w przypadku soczewki gradientowej która ogniskuje propagujące się przez nie fale świetlne — mówi nasz absolwent.

Najbardziej spektakularnym rezultatem było zaobserwowanie zjawiska samoogniskowania oraz powstawania wiązki solitonowej, czyli stabilnej wiązki światła, która propaguje się po prostej trajektorii (ang. off-shoot soliton). Co ciekawe, kierunek propagacji takich wiązek okazał się silnie zależny od mocy wejściowej wiązki Airy’ego. Odkrycie to nie tylko potwierdza wyjątkowe właściwości wiązek Airy’ego, ale także wnosi nową wiedzę na temat ich zachowania w nieliniowych materiałach optycznych.   

To odkrycie znacząco poszerza możliwości kontrolowania kierunku propagacji wiązek optycznych materiałach o właściwościach anizotropowych, takich jak nematyczne ciekłe kryształy, i otwiera nowe perspektywy dla zaawansowanych technologii optycznych. 

Wyniki badań mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak manipulacja mikroskopijnymi cząstkami, precyzyjna obróbka materiałów czy obrazowanie ze zwiększoną głębią ostrości. To ważny krok w rozwoju nowoczesnych technologii optycznych, które mają potencjał, by zmienić zarówno naukę, jak i przemysł. Odkrycia zespołu rzucają nowe światło na badania nad optyką nieliniową i stanowią ważny krok w kierunku rozwoju innowacyjnych zastosowań w nauce i przemyśle. Więcej szczegółów można znaleźć w artykule opublikowanym w Optics Letters.

Z artykułem Experimental analysis of Airy beam self-localization in nematic liquid crystals można się zapoznać pod adresem https://doi.org/10.1364/OL.535398.

Badania zostały sfinansowane ze środków POB FOTECH w ramach IDUB