Lietuvių mokslinis tyrimas – ant prestižinio žurnalo viršelio: sukūrė ir išbandė naujos kartos optinius lęšius

Straipsnio, pavadinimu „Light Engineering and Silicon Diffractive Optics Assisted Nonparaxial Terahertz Imaging“ (liet. „Šviesos inžinerija ir silicio difrakcinė optika, padedanti kurti neparaksialinius terahercinius vaizdus“), pagrindinis autorius – FTMC Fundamentinių tyrimų skyriaus mokslininkas dr. Sergejus Orlovas.

Žurnalo viršelio iliustraciją sukūrė (ir yra viena iš straipsnio autorių) FTMC Optoelektronikos skyriaus fizikė dr. Rusnė Ivaškevičiūtė-Povilauskienė.

Ką mes čia matome?

„Su kolegomis juokaujame, kad mūsų pasiekimą galėtume palyginti su patekimu ant „Cosmopolitan“ viršelio, – šypsosi Rusnė. – „Laser & Photonics Reviews“ yra prestižinis žurnalas, su labai aukštu cituojamumo rodikliu, kas yra itin smagu. Paties žurnalo redakcija mums pasiūlė sukurti viršelį pagal mūsų straipsnį. Būna, kad kelios mokslininkų grupės atsiunčia savo variantus, o redaktoriai išrenka nugalėtoją.“

„Dažniausiai ant viršelio patenka darbai, kuriuos tų žurnalų redaktoriai laiko išskirtiniais, – pastebi Sergejus. – Mūsų atveju, nuo pat pradžių matėm, kad šis straipsnis yra vienas iš redaktorių favoritų. Kai atsiuntėm pataisytą versiją, rekordiškai greitai – per kelias valandas – gavome atsakymą, kad straipsnis priimtas į žurnalą.“

Kas pavaizduota ant viršelio? Tai – keturi optiniai elementai, iš silicio sukurti (ir lazeriu išgraviruoti) lęšiai, kurie kiekvienas savitai formuoja plika akimi nematomos terahercinės šviesos spinduliuotę. Mokslinis darbas ir buvo skirtas palyginti šių elementų veiksmingumui: FTMC Fundamentinių tyrimų skyriaus fizikai teoretikai užsiėmė skaičiavimais, šio skyriaus Koherentinės optikos laboratorijos mokslininkai pagamino lęšius, o vėliau su jais eksperimentus atliko Optoelektronikos skyriaus specialistai.

Patyrinėkime R. Ivaškevičiūtės-Povilauskienės iliustraciją atidžiau.

Pačiame viršuje – vadinamasis Airy lęšis, kuris pasižymi tuo, jog per jį sklindanti terahercinė šviesa geba savaime atsistatyti, net ir susidūrusi su kliūtimi. Kitaip sakant, toks užlenktas šviesos spindulys leidžia tyrinėti ir stebėti bandinius, esančius „už kampo“.

Beje, tai buvo viena iš temų neseniai apgintoje Rusnės daktaro disertacijoje. Airy lęšio tyrimai jau anksčiau sulaukė tarptautinio dėmesio: su kolegomis ji buvo išpublikavusi straipsnį prestižiniame „Nature“ grupės žurnale „Light: Science & Applications“. „Ir smagiausia apie tai pasakoti žmonėms – nes jie iškart „užsikabina“: kaip gi įmanoma pamatyti dalykus „už kampo“?“, – prisimena fizikė.

Ką matome žemiau? Pirmasis iš kairės – Frenelio lęšis, terahercinį vaizdą sufokusuojantis į vieną tašką; viduryje sutinkame Beselio lešį: jis suformuoja tiesų, ilgą adatos formos šviesos pluoštą, tad leidžia gan ryškų vaizdą matyti gilesniuose bandinio sluoksniuose; tuo metu dešinėje pavaizduotas Fibonačio lęšis, kuris geba vienu metu sufokusuoti šviesą į du skirtingus taškus!

Visi šie optiniai elementai, kaip aiškiai iliustruota viršelyje, gali vienaip ar kitaip praversti mokslininkams, išbandantiems terahercinio vaizdinimo galimybes.

Vieno pikselio mokslas ir menas

Pagrindinis straipsnio autorius dr. Sergejus Orlovas išsamiau paaiškina apie šio tyrimo esmę. Tam, kad geriau suprastume apie eksperimentus su terahercine šviesa, prisiminkime kiekvienam iš mūsų kur kas dažnesnį užsiėmimą – fotografavimą:

„Žmonės, kurie profesionaliai užsiima fotografija, naudoja fotoaparatus. Ten naudojami lęšiai arba lęšių sistemos, esančios objektyve, kurios į tam skirtą  matricą projektuoja vaizdą, sudarytą iš milijonų pikselių. Tai vadinama „vieno šūvio“ vaizdinimu: nusitaikai, „iššauni“, ir gauni nuotrauką.“

Pasak mokslininko, čia galioja tam tikri dėsniai, kurie nurodo, kokiu atstumu fotografuojamas objektas turėtų būti nuo fotoobjektyvo lęšio, ir taip pat kokiu atstumu nuo lęšio turėtų būti fotoaparato pikselių matrica. Kartais tenka pasukioti objektyvą – priartėti ar nutolti – kad vaizdas būtų ryškus ir kontrastingas.

„Su teraherciniu vaizdinimu problema ta, kad šiame šviesos bangų ruože sunku ir brangu kažką panašaus į fotoaparatą sukurti. Todėl naudojama kita koncepcija – vieno pikselio vaizdinimas. Naudojami įvairūs triukai, kaip iš daugybės vieno pikselio vaizdų padaryti vieną vaizdą“, – pasakoja S. Orlovas.

FTMC Optoelektronikos skyriuje terahercine šviesa apšviesti objektai vaizdinami naudojant vadinamąjį rastrinį skenavimą. Kas tai yra? Mažas jutiklis pamažu juda per bandinį ir registruoja vaizdą kompiuteryje „reaguodamas“ į atgal atsispindinčias terahercines bangas. Jutiklis renka informaciją iš kiekvieno nuskaityto pikselio, o visi šie atskiri taškeliai galiausiai sujungiami į vientisą objekto atvaizdą. Tai tarsi naudoti žibintuvėlį tamsiame kambaryje ir judinti jį, kad pamatytumėte skirtingas kambario dalis.

„Iš principo, darbas yra apie tokią metodiką, tik mes iškėlėme klausimą, ar tokiame vaizdinime egzistuoja, kaip kolega prof. Gintaras Valušis juokavo, „Orlovo dėsniai“, padedantys nustatyti padėtis, kur turi būti pikselis, jutiklis, objektas ir su kokia šviesa tas objektas turi būti apšviestas.

Jau anksčiau buvome išsiaiškinę, kad vieno pikselio vaizdinimui nebūtina naudoti vien tik standartinius optinius lęšius. Pasirodo, čia gali tikti ir egzotiniai elementai, kurių „vieno šūvio“ vaizdinime žmonės nenaudoja – o tai yra nestandartiniai Airy, Frenelio, Beselio ir Fibonačio lęšiai“, – sako Sergejus.

Taigi, straipsnio autoriai iškėlė klausimą, ar šiuos elementus įmanoma kokybiškai naudoti eksperimentams su terahercine šviesa.

„Mūsų nuostabai, paaiškėjo, kad mes tai galime padaryti. Mums pavyko skaitmeniniu būdu įsivertinti ir eksperimentiškai patvirtinti, kokia apšviečiančių ir surenkančių šviesą elementų kombinacija užtikrina geriausią vaizdo kontrastą, raišką ir lauko gylį“, – teigia fizikas.

Su FTMC komandos moksliniu straipsniu susipažinti galite paspaudę šią nuorodą.