Struktura

Zajímavosti z optiky

Obsah této lekce je nad rámec středoškolské optiky. Pro zajímavost se pokusíme přiblížit, pokud možno srozumitelně, čím se v současné době zabývají vědečtí pracovníci na katedře optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.

V optice, stejně jako ve všech fyzikálních oborech, není zdaleka vše známo a objeveno. Moderní technické metody umožňují realizaci specifických optických polí, jejichž vlastnosti jsou podrobně zkoumány na vědeckých pracovištích. Ukazuje se, že tato optická pole mohou mít širokou škálu využití v různých oblastech optiky.

Příkladem nestandardních optických polí, která poutají pozornost řady vědců, jsou světelné víry. Ty se vyznačují především tím, že elektromagnetická vlna nesoucí optický vír má šroubovitý tvar vlnoplochy, který se projevuje nulovou hodnotou intenzity v centru víru, to znamená, že uvnitř optického svazku je tma (obr. 1).

obrazek

Obr. 1A: Intenzitní stopa běžného optického svazku

Obr. 1B: Intenzitní stopa vírového svazku charakterizovaného tmavým centrem

 

Současné technické možnosti dovolují vytvářet světelné víry v optických laboratořích. Moderním přístrojem sloužícím k těmto účelům je prostorový modulátor světla (obr. 2). Hlavní částí modulátoru je aktivní plocha z kapalných krystalů, na kterou dopadá optický svazek. Signálem z řídicího počítače je možné ovlivňovat hodnotu elektrického napětí přivedeného k jednotlivým pixelům displeje, tím lze efektivně měnit optické vlastnosti v různých částech displeje, a tím tak tvarovat procházející světelnou vlnu.

obrazek

Obr. 2: Prostorový modulátor světla od firmy Boulder Nonlinear Systems

 

Jednou z oblastí, v níž lze vlastnosti optických vírů využít, je mikroskopie. Při běžném pozorování světelným mikroskopem může nastat situace, kdy je sledovaný vzorek zobrazen se slabým kontrastem a je téměř neviditelný (obr. 3 A). Tento nedostatek není způsoben špatným nastavením mikroskopu, ale samotným předmětem, který neabsorbuje procházející světlo. K tomuto problému dochází při sledování mnohých biologických vzorků. V minulosti již bylo vyvinuto několik mikroskopických technik, které umožňují kvalitnější zobrazení neabsorbujících předmětů. Jejich princip většinou spočívá v umístění vhodného prostorového filtru do přesně určeného místa zobrazovací sestavy. Obdobně funguje také nová metoda nazvaná spirální fázový kontrast. Prostorový filtr používaný v rámci této metody má tvar vlny obsahující světelný vír. Vliv takového filtru na podobu obrazu biologického vzorku lze dobře vidět na obr. 3 B, C, D. Současná optika hojně využívá možností moderních procesorů. Díky tomu lze zaznamenané snímky uložit do paměti počítače a provést jejich další zpracování. Ve finále je možné za pomoci numerického algoritmu získat podrobnou informaci o pozorovaném předmětu, včetně jeho tvaru (obr. 3 E, F, G).

obrazek

Obr. 3 AF: Ukázka zobrazení biologického vzorku. A) záznam pořízený běžným světelným mikroskopem, B), C), D) snímky získané za přítomnosti vhodného prostorového filtru, E), F), G) informace o předmětu získané díky numerické rekonstrukci.

 

Hitem moderní optiky jsou laserové pinzety. Tímto zařízením lze chytat drobné mikročástice do optických pastí, které tvoří soustředěné světlo z laseru. Pohybem světelné stopy je potom možné zároveň pohybovat zachycenými částicemi. V oblasti optických pinzet mohou také najít uplatnění světelné víry. Například tím, že v přítomnosti soustředěného vírového svazku se mikročástice seřadí podél vytvořeného prstence a kolem něj rotují (obr. 4). V současné době jsou optické pinzety využívány řadou biologických pracovišť, kde slouží k různým vědeckým účelům.

obrazek

Obr. 4: Ukázka činnosti optické pinzety; mikrometrové polystyrenové kuličky jsou chyceny v laserovém svazku ve tvaru prstence.

 

Zdroje

  • BERNET, S., JESACHER, A., FURHAPTER, S., MAUER, C., RITSCH-MARTE, M. Quantitative imaging of complex samples by spiral phase contrast microscopy, Optics Express 14, 3792-3805 (2006).
  • BOUCHAL, Zdeněk. Optické víry – nový směr rozvoje singulární optiky, Čs. čas. fyz. 53, 11-19 (2003).
  • TAO, S., YUAN, X., LIN, J., PENG, X., NIU, H. Fractional optical vortex beam induced rotation of particles, Optics Express 13, 7726-7731 (2005).
  • WRIGHT, A., GIRKIN, J., GIBSON, G., LEACH, J., PADGETT, M. Transfer of orbital angular momentum from a super-continuum, white-light beam, Optics Express 16, 9495-9500 (2008).

Obrázky

Mgr. Michal Baránek

Logolink