Naujas įrankis šviesai valdyti: FTMC talentas iš Indijos sukūrė daug žadantį hibridinį lęšį

Tyrėju svajojantis būti Surya čia nesijaučia vienišas: FTMC Katalizės skyriuje darbuojasi ir jo žmona, doktorantė Tripura Ganti. Sąlygos mokytis ir tobulėti, pasak pašnekovo, puikios. Lietuviški orai jam irgi nieko. „Bent jau dabar, kai vasara...“ – šypsosi pašnekovas, kuris dėkoja kolegoms už visokeriopą pagalbą.

Toji pagalba, galima sakyti, abipusė – talentingas mokslininkas užsiima naujos kartos hibridinių lęšių kūrimu bei tobulinimu, o jo straipsnis apie vadinamuosius hibridinius Fresnelio lęšius neseniai publikuotas aukšto lygio tarptautiniame moksliniame žurnale „IEEE Xplore“. Kiti du straipsnio autoriai – dr. Simonas Indrišiūnas iš FTMC Lazerinių technologijų skyriaus bei dr. Irmantas Kašalynas, Optoelektronikos skyriaus darbuotojas ir Suryos doktorantūros vadovas.

Fresnelio lęšiai pavadinti prancūzų fiziko Augustino Fresnelio garbei. 1820-aisiais jis išrado naujo tipo lęšį, kurį įmontavo Korduano švyturyje. Nuo tada vienas žibintas galėjo nušviesti jūreiviams kelią daugeliui mylių į jūrą. Todėl BBC žurnalistė Adrienne Bernhard ne veltui tai pavadino „išradimu, išgelbėjusiu milijoną laivų“.

Tuo metu FTMC laboratorijose pagaminto lęšiuko paskirtis kitokia – bet, ką gali žinoti, galbūt ne mažiau reikšminga.

Kas vyksta akiniuose

„Mano straipsnio pagrindinė tema – kaip refrakcinę optiką pakeisti difrakcine“, – sako Surya.

Nieko nesupratote? Nieko tokio, štai paaiškinimas.

Tiek refrakcija, tiek difrakcija yra susijusios su šviesos bangų pasikeitimu. Visi žinome, kad šviesa yra banga – o mūsų regimoji šviesa tėra viena iš šviesos „rūšių“. Jei nebūtų šviesos bangų – tiesiog nieko nematytume.

Refrakcija, arba bangos lūžis, – tai toks reiškinys, kai šviesa, pereidama iš vienos medžiagos į kitą, pakeičia savo kryptį arba lūžta, sulinksta. Pavyzdžiui, oru sklindančios šviesos bangos lūžta, kai patenka į vandenį. Dėl to į vandenį įmerktus daiktus mes matome kiek kitokius negu jie yra iš tikrųjų: vandens stiklinėje esantis šiaudelis gali atrodyti išlenktas.

Dėl refrakcijos netgi gali kilti pavojus gyvybei nemokantiems plaukti! Bangos lūžis mūsų akims sukuria vaizdą, kad ežero dugnas yra gerokai arčiau negu atrodo. Tuo patikėję, galim labai nemaloniai nustebti, šoktelėję nuo lieptelio.

Tuo metu difrakcija įvyksta, kai šviesos banga susiduria su kliūtimi – ir dėl to šviesa užlinksta, ji gali susiaurėti, praplatėti ar „pasielgti“ dar keisčiau. Jeigu bangos lūžis šiaudelį stiklinėje parodo išlenktą, tai dėl difrakcijos toks šiaudelis vandenyje matytųsi atsuktas į visai kitą pusę!

Kaip rašėme straipsnyje apie metalęšius, difrakcijos pavyzdžių galime aptikti kasdienybėje: jeigu dar žinote, kas yra CD ir DVD diskai, prisimenate, kaip jie spindi tartum vaivorykštė. Taip yra dėl disko paviršiuje esančių smulkių griovelių – jie tampa kliūtimi šviesai, dėl to ji pasikeičia ir tampa tokia spalvota.

O dabar trumpam nusiimkite akinius (jei neturite, nuimkite nuo kolegos, prieš tai mandagiai paprašius) – tai, ką laikote rankoje, yra refrakcinė optika. Akiniai, didinamieji stiklai, teleskopai, mikroskopai, žiūronai – visi jie turi lęšių, kurie mūsų patogumui laužia šviesą.

Tai yra gerai. Bet, pasak FTMC doktoranto Suryos, norint geresnių technologijų, to nepakanka.

Todėl dėmesys skiriamas kitokios – jau difrakcinės – optikos kūrimui.

Kas vyksta laboratorijose

FTMC Optoelektronikos skyrius atlieka eksperimentus su viena iš šviesos „rūšių“, kuri jau nematoma plika akimi – terahercinėmis bangomis. Apie tokių tyrimų praktinę naudą esame rašę ne kartą, tik galima priminti, jog Centro mokslininkai terahercinę difrakcinę optiką tobulina nuo 2012 m. Šioje srityje jie Lietuvoje – lyderiai, o pasaulyje taip pat yra vertinami. 

Taigi, S. Revanth Ayyagari domisi hibridiniais lęšiais, kurie yra neatsiejama tokių tyrimų dalis. Kuo mažesni, plonesni sukurti įrankiai – tuo kokybiškesni bus moksliniai tyrimai.

„Difrakcinė optika yra panaši į mums įprastąją, tačiau čia jau kalbame apie kur kas mažesnius, nano arba mikro, dydžius. Tokius elementus galima montuoti ant elektronikos lustų, ir jie labiau veiksmingi už refrakcinės optikos elementus.

Savo straipsnyje taip pat aprašau naujovių, susijusių su dikfrakcinių lęšių gamyba, kuri tampa daug lengvesnė lyginant su įprastais lęšiais“, – pasakoja pašnekovas.

Vienas iš mokslininkų visame pasaulyje tikslų – kad difrakcinė optika būtų panaudojama išmaniuosiuose telefonuose. Kol kas juose yra įprasti, refrakciniai (šviesą laužiantys) lęšiai. Tačiau, pasak jaunojo tyrėjo, naujoji technologija praverčia visur – bet kurioje optinėje ar elektroninėje sistemoje:

„Tarkim, kuriame terahercinį lazerį. Norint sutelkti lazerio šviesą į norimą paviršių, mums reikia difrakcinės optikos, nes dėl savo mažo dydžio ji čia tinka geriau. Jos išmatavimai atitinka lazerio skleidžiamos šviesos ilgį, ir yra dešimtis, šimtus ar net tūkstančius kartų mažesnė už refrakcinę optiką.“

Ką padarė Surya? Jis iš silicio sukūrė plonyčius, iki kelių šimtų mikrometrų storio difrakcinius lęšius, skirtus naudoti eksperimentams su terahercinėmis bangomis. Mikrometras – viena tūkstantoji milimetro dalis.

„Tačiau šie lęšiai gali būti naudojami bet kuriam elektromagnetinių bangų ruože. Jie tinka regimajai šviesai, ifraraudoniesiems spinduliams, mikrobangoms ir t. t. Priklauso nuo bangos ilgio ir lęšio storio. Savo lęšius pagaminome iš silicio, nes tai ganėtinai skaidri medžiaga su mažais šviesos nuostoliais“, – sako fizikas.

Lęšiai sukurti lazerinės abliacijos būdu, kai, panaudojant greitus lazerio impulsus, medžiaga „išpjaunama“ ar kitaip pašalinama iš kieto kūno arba skysčio.

FTMC doktorantas iš Indijos straipsnyje aprašo esminę problemą šioje srityje – laiką: „Norint pagaminti tokį lęšį, prireiks dienų ar net savaičių, o tai kainuos ir nemažus pinigus. Tad mano pagrindinis rūpestis – kaip sutrumpinti gamybos laiką, sumažinti piešinio detalių skaičių ir išgauti geresnį veiksmingumą.“

Kokio piešinio? To, kuris lazeriniu būdu „nupieštas“ ant silicio plokštelės, ir lęšiui suteikiančio reikalingų savybių. Vadinamasis difrakcinio lęšio piešinys yra sudarytas iš skirtingo dydžio dalelių (panašiai kaip puzzle dėlionės detalės). Tokios detalės lęšio centre yra didelės, todėl jas lengva ir gaminti. Deja, tolstant nuo lęšio centro, piešinyje detalių dydis proporcingai mažėja iki tokių mažų dydžių, kad su lazerio spinduliuku jas sunkiai įmanoma „nupiešti“. Įsivaizduokime saulę su jos spinduliais: pirmieji bus ilgi, kiti – trumpesni, o po kelių kartų taps nebeįžiūrimais taškeliais.

Dėl tokių kliūčių būdavo praktiškai neįmanoma pagaminti didesnio skersmens difrakcinę optiką. Tad mokslininkai ėmėsi gudrybių.

Surya su kolegomis pasiūlė mišraus piešinio idėją. Iš čia ir lęšių pavadinimas – hibridiniai, mišrūs. To piešinio kraštuose smulkios dalelės buvo pakeistos dvigubai stambesnėmis – ir pagal tam tikrą algoritmą. Esmė tokia, kad galiausiai pavyko nustatyti universalų „receptą“ – algoritmą, kuriuo remiantis, hibridinius difrakcinius lęšius galima gaminti bet kokiam dažniui.

Šita problema išspręsta. O kaip dėl lęšio sukūrimo laiko? Ligšioliniams bandymams prireikdavo nuo vienos iki dvidešimties valandų – priklauso nuo lęšio matmenų ir kiek detalus piešinys turi būti suformuotas silicio plokštelėje (iš kurios lęšis ir gaminamas). Tuo metu FTMC doktorantui gamybos laiką pavyko sumažinti apie keturis kartus, tačiau hibridinio lęšio veiksmingumas pavyko toks pat (netgi dešimčia procentų efektyvesnis!), lyginant su įprasto piešinio difrakciniu lęšiu.

Pasak pašnekovo, dar ankstoka prognozuoti, kada ši aptartoji technologija pasieks kasdienius mūsų įrenginius – difrakcinė terahercinė optika verslui yra vis dar nauja sritis. Tačiau, kalbant apie tyrimus laboratorijose, tai nėra naujiena – o Surya yra vienas iš tų, kuris su kolegomis bando priartinti visų laukiamą metą.

Jungtinė komanda iš skirtingų šalių

Talentas iš Indijos FTMC darbuojasi neatsitiktinai – jis yra vienas iš penkiolikos doktorantų, dalyvaujančių europinėje Marie Sklodowskos-Curie programoje, kurią finansuoja Europos Sąjunga. Šią programą FTMC vysto kartu su mokslo įstaigomis bei verslo įmonėmis iš Vokietijos, Ispanijos, Prancūzijos ir Jungtinės Karalystės.

Iš viso yra penkiolika tokių tarptautinių partnerių, o jie susijungę į Europos mokymo tinklą TERAOPTICS. Šioms institucijoms patarimų teikia ir nepagrindiniai partneriai ne tik iš Europos šalių, bet ir iš JAV ar Japonijos.

Būdamas TERAOPTICS projekto vykdytoju, FTMC ir turėjo galimybę pasikviesti Suryą studijuoti doktorantūros pagal Marie Sklodowskos-Curie programą.

„Tai yra neformalus jaunųjų tyrėjų mokymas – jiems turi būti suteiktos sąlygos doktorantūrai, nors šie žmonės neprivalo būti „tikrais“ doktorantais. Jie mokosi pagal universitetinę programą, tačiau gauna daugiau praktinių užduočių. Trečias dalykas – šiame tinkle dalyvauja ne vien universitetai, bet ir įmonės“, – pasakoja dr. Irmantas Kašalynas, Suryos doktorantūros vadovas, FTMC Optoelektronikos skyriaus vyriausiasis mokslo darbuotojas.

Jis pats turėjo galimybę pasinaudoti Marie Sklodowskos-Curie tinklo privalumais – 2005 m. pagal analogišką projektą išvažiavo į Delfto technologijos universitetą Nyderlanduose podoktorantūrinei stažuotei:

„Žinau tokių projektų naudą iš vidaus. Mokslininkų tinklo sudarymas ir profesinių ryšių užmezgimas lieka ilgam. Aš ir dabar su buvusiais kolegomis palaikau ryšius. Todėl norisi perduoti jaunesniems kolegoms, kad tai gali padėti formuoti jų akademinę ateitį, numatyti mokslinę karjerą. To iškart nesimato, bet po dešimties metų matysis.“

Tuo metu penkiolikos doktorantų rengimas – pirmasis toks projektas vykdomas Terahercinės fotonikos laboratorijoje. Nors FTMC „globoja“ S. Revanth Ayyagarį, jis keliauja ir pas kitus tinklo partnerius – universitetus, privačias įmones, kuriuose stažuojasi nuo vieno iki pusantro mėnesio. Tikslas – kad jaunas žmogus įgautų praktinių žinių, patirties, kuri taps taip reikalinga „druska“ jo karjerai.

„Manau, tai, kad galim parengti tokius doktorantus, yra prestižas ir FTMC įvertinimas tarptautiniu mastu. Kad esame šiame tinkle, kad esame matomi.

Įvertinti esame ir tuo, kad gauname ES finansavimą – nes panašių mokslinių tinklų Europoje susikūrę ir daugiau, o tikimybė, kad kuris nors bus finansuojamas, tėra 5 procentai. Yra didelė konkurencija“, – pastebi I. Kašalynas.