vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2024-60-1-72-88vestifm-764Research ArticleФИЗИКАPHYSICSФормирование многолучевых динамических градиентных интерференционных световых полей с использованием рефрактивных оптических элементовFormation of multibeam dynamic gradient interference light fields with refractive optical elementshttps://orcid.org/0000-0002-5463-0054РыжевичА. А.RyzhevichA. A.

Рыжевич Анатолий Анатольевич – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси; доцент кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники БГУ 

пр. Независимости, 68-2, 220072, Минск,

пр. Независимости, 4, 220030 Минск

Anatol A. Ryzhevich – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher B. I. Stepanov Institute of Phy- sics of the National Academy of Sciences of Belarus; Associate Professor of the Department of Quantum Radiophysics and Optoelectronics, Belarusian State University 

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk,

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk

tol@dragon.bas-net.byhttps://orcid.org/0000-0002-6763-1136БалыкинИ. В.BalykinI. V.

Балыкин Игорь Валерьевич – научный сотрудник

пр. Независимости, 68-2, 220072, Минск

Igor V. Balykin – Researcher

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

b97@dragon.bas-net.byhttps://orcid.org/0009-0003-0197-494XЖелезняковаТ. А.ZheleznyakovaT. A.

Железнякова Татьяна Александровна – кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики и космических аэротических технологий 

пр. Независимости, 4, 220030, Минск

Tatyana A. Zheleznyakova – Ph. D. (Physics and Mathematics), Associate Professor at the Department of Physics and Aerospace Technologies

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk

t.zhe@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3346-5352КазакН. С.KazakN. S.

Казак Николай Станиславович – академик Национальной академии наук Беларуси, доктор физико-математических наук, научный консультант 

пр. Независимости, 68-1, 220072, Минск

Nikolai S. Kazak – Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Scientific Consultant 

68-1, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

lod@dragon.bas-net.byИнститут физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси; Белорусский государственный университетB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus; Belarusian State UniversityИнститут физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника»SSPA “Optics, Optoelectronics and Laser Technology”2024030420246017288Copyright © Рыжевич А.А., Балыкин И.В., Железнякова Т.А., Казак Н.С., 20242024Рыжевич А.А., Балыкин И.В., Железнякова Т.А., Казак Н.С.Ryzhevich A.A., Balykin I.V., Zheleznyakova T.A., Kazak N.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/764

Представлены методы формирования и свойств управляемых изменений во времени и пространстве световых полей, передаваемых в результате интерференции трех или четырех когерентных световых пучков с помощью рефракционных оптических элементов. Формирование 3и 4-лучевого интерференционного поля с использованием соответствующих 3и 4-гранной стеклянной пирамиды. Возможность смещения интерференционного поля в горизонтальной плоскости наличием устройства для управляемого изменения фазы по меньшей мере двух из интерферирующих пучков, направление распространения которых не оставляет в одной плоскости с оптическим осью исходного пучка, падающего по пирамиде. В 3-х и 4-лучевых импульсных интерференционных полях пиковые значения частоты выше, чем в исходных лазерных пучках и 2-лучевых интерференционных полях, поэтому их применяют для обработки лазерными волнами плоских объектов, перемещая интерференционные максимумы на поверхности объекта. При попарном азимутальном смещении распространение четырех интерферирующих пучков вокруг длинной оси образует динамическое интерференционное поле, периодические структурированные максимумы, которые циклически плавно изменяют свою форму с клетками на полосах и наоборот, при различных приставках скоростей пар интерференционная структура максов вращается вокруг продольной оси. Благодаря этому данное поле может применяться для терапевтического воздействия на биологические ткани и для обработки микрочастиц в суспензиях и эмульсиях. Поскольку локальные максимальные протяженности всех указанных интерференционных полей имеют размеры порядка нескольких микрометров, превышающие при этом вероятность исходного светового пучка, данные поля в поперечном сечении являются градиентными и могут применяться не только для лазерного воздействия, но и для перемещения ансамблей микрочастиц, в том числе количество для сортировки и изменения глав.

This paper presents methods for the formation and properties of light fields that controllably vary in time and space, obtained as a result of the interference of three or four coherent light beams using refractive optical elements. The formation of three-beam and four-beam interference fields is carried out using trihedral and tetrahedral glass pyramids respectively. The possibility of the interference field displacement in the transverse plane is ensured by devices for controlled phase changes of at least two of the interfering beams. The directions of propagation of these beams do not lie in the same plane with the optical axis of the original beam incident on the pyramid. In threeand four-beam dynamic interference fields the peak intensity values are higher than in the original laser beams and two-beam interference fields, so it is advisable to use them for processing flat objects with laser radiation, moving the interference maxima along the surface of the object. With a pairwise azimuthal displacement of the propagation directions of four interfering beams around the longitudinal axis, a dynamic interference field is formed, the periodically structured maxima of which cyclically smoothly change their shape from cells to band and back. At different speeds of pairs of directions the interference structure of the maxima rotates around the longitudinal axis. Therefore, this field can be used for therapeutic effects on biological tissues and for mixing microparticles in suspensions and emulsions. Since the local maxima of the intensity of all these interference fields have dimensions of the order of several micrometers while exceeding in value the maximum intensity of the initial light beam, these fields in the cross section are gradient and therefore can be used not only for laser exposure, but also for moving ensembles of microparticles including for sorting and changing concentration.

световое полеинтерференцияраспределение интенсивностиградиент интенсивностидинамическое интерференционное световое полеlight beaminterferenceintensity distributionintensity gradientdynamical interference light fieldReferencesAshkin, A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure / A. Ashkin // Phys. Rev. Lett. – 1970. – Vol. 24, № 4. – P. 156–159. https://doi.org/10.1103/physrevlett.24.156Ashkin A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Physical Review Letters, 1970, vol. 24, no. 4, pp. 156–159. https://doi.org/10.1103/physrevlett.24.156Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams / A. Ashkin, J. M. Dziedzic, T. Yamane // Nature. – 1987. – Vol. 330. – P. 769–771. https://doi.org/10.1038/330769a0Ashkin A., Dziedzic J. M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature, 1987, vol. 330, pp. 769–771. https://doi.org/10.1038/330769a0Arlt, J. Atom guid-ing along Laguerre-Gaussian and Bessel light beams / J. Arlt, T. Hitomi, K. Dholakia // Appl. Phys. B: Lasers and Optics. – 2000. – Vol. 71, № 4. – P. 549–554. https://doi.org/10.1007/s003400000376Arlt J., Hitomi T., Dholakia K. Atom guid-ing along Laguerre-Gaussian and Bessel light beams. Applied Physics B: Lasers and Optics, 2000, vol. 71, no. 4, pp. 549–554. https://doi.org/10.1007/s003400000376Optical micromanipulation using a Bessel light beam / J. Arlt [et al.] // Opt. Commun. – 2001. – Vol. 197, № 4–6. – P. 239–245. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(01)01479-1Arlt J., Garces-Chavez V., Sibbett W., Dholakia K. Optical micromanipulation using a Bessel light beam. Optics Communication, 2001, vol. 197, no. 4–6, pp. 239–245. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(01)01479-1Florjańczyk, M. Guiding of atoms in a travelling-wave laser trap formed by the axicon / M. Florjańczyk, R. Tremblay // Opt. Commun. – 1989. – Vol. 73, № 6. – P. 448–450. https://doi.org/10.1016/0030-4018(89)90459-8Florjańczyk M., Tremblay R. Guiding of atoms in a travelling-wave laser trap formed by the axicon. Optics Communications, 1989, vol. 73, no. 6, pp. 448–450. https://doi.org/10.1016/0030-4018(89)90459-8Methods of formation of gradient light fields / N. S. Kazak [et al.] // Seventh International Conference on Laser and Laser-Information Technologies: Proceedings of SPIE, Suzdal, Russia, 22–26 June 2001. – Suzdal, 2001. – Vol. 4644. – P. 520–529. https://doi.org/10.1117/12.464190Kazak N. S., Ryzhevich A. A., Katranji E. G., Khilo A. N. Methods of formation of gradient light fields. Seventh International conference on Laser and Laser-Information technologies: Proceedings of SPIE, Suzdal, Russia, 22–26 June 2001. Suzdal, 2001, vol. 4644, pp. 520–529. https://doi.org/10.1117/12.464190Optical Vortices: 3D Optical Vortex Lattices / D. A. Ikonnikov // Ann. Phys. – 2021. – Bd. 533, № 7. – Art. ID 2100114. https://doi.org/10.1002/andp.202170023Ikonnikov D. A., Myslivets S. A., Arkhipkin V. G., Vyunishev A. M. Optical Vortices: 3D Optical Vortex Lattices. Annalen der Physik, 2021, Bd. 533, no. 7, art. ID 2100114. https://doi.org/10.1002/andp.202170023Ivakin, E. V. Self-diffraction of radiation by light-induced phase gratings / E. V. Ivakin, I. P. Petrovich, A. S. Rubanov // Soviet J. Quantum Electron. – 1973. – Vol. 3, № 1. – P. 52–55. https://doi.org/10.1070/QE1973v003n01ABEH004741Ivakin E. V., Petrovich I. P., Rubanov A. S. Self-diffraction of radiation by light-induced phase gratings. Soviet Journal of Quantum Electronics, 1973, vol. 3, no. 1, pp. 52–55. https://doi.org/10.1070/QE1973v003n01ABEH004741Katarkevich, V. M. Dynamics of the Trapping of Microparticles by an Interference Field on Exposure to Continuous and Pulsed Radiation / V. M. Katarkevich, A. N. Rubinov, T. S. Éfendiev // J. Appl. Spectrosc. – 2004. – Vol. 71. – P. 115–121. https://doi.org/10.1023/b:japs.0000025358.77994.18Katarkevich V. M., Rubinov A. N., Éfendiev T. S. Dynamics of the Trapping of Microparticles by an Interference Field on Exposure to Continuous and Pulsed Radiation. Journal of Applied Spectroscopy, 2004, vol. 71, pp. 115–121. https://doi.org/10.1023/b:japs.0000025358.77994.18Метод формирования управляемого градиентного светового поля с использованием электрооптического кристалла / С. В. Солоневич [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2006. – № 5. – С. 115–118.Solonevich S. V., Aleshko P. M., Ryzhevich A. A., Mashchenko A. G. Method of formation of controlled gradient light field using electrooptical crystall. Vestsі Natsyyanal’nai akademіі navuk Belarusі. Seryya fіzіka-matematychnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics series, 2006, no. 5, pp. 115–118 (in Russian).Рыжевич, А. А. Концепция устройства для проведения приповерхностного лазерофореза / А. А. Рыжевич, С. В. Солоневич, Т. А. Железнякова // Приборы и методы измерений. – 2014. – Т. 1, № 8. – С. 22–31.Ryzhevich A. A., Solonevich S. V., Zheleznyakova T. A. Conception of a device for carrying out of near-surface laser phoresis. Pribory i metody izmerenii = Devices and Methods of Measurements, 2014, vol. 1, no. 8, pp. 22–31 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.