Įsivaizduokite, kad net neprisilietę prie audinio ląstelės, perkeliate ją į kitą vietą. Mokslinė fantastika? Tą sugeba optinis pincetas, pasitelkęs specifinę lazerio spinduliuotės savybę. Tai nekontaktinis įrankis; jo lazerio generuojama spinduliuotė sukuria nykstamai mažą (~1pN) jėgą, kuria galima manipuliuoti mikroskopiniais medžiagų kiekiais. Ši galimybė masina tyrėjus ją panaudoti įvairiose mokslo ir technikos srityse: optikoje, koloidinių tirpalų fizikoje, biologinėms ląstelėms bei molekuliniams varikliams tirti, konstruojant mikroskopinius įrenginius bei nanodarinius ir pan. Pastaraisiais metais optinis pincetas buvo gerokai patobulintas: sukurtas savitas - nedifraguojančios šviesos pluoštas, atvėręs dar neregėtus bei intriguojančius mokslinės veiklos kelius.

   Optinį pincetą pirmą kartą 1986 m. pademonstravo Bell Laboratories Inc. (Murray Hillas, Niu Džersio valstija) laboratorijos mokslininkai. Šio įtaiso veikimo principas grindžiamas klasikinės mechanikos dėsniais. Šviesos spindulys turi impulsą. Jei pakinta jo kryptis, turi atsirasti ir impulso pokytį atitinkanti jėga. Jei šviesos pluoštu apšviesime mažą medžiagos dalelytę, per ją perėjusi šviesa pakeis savo kryptį, o atsiradusi jėga veiks dalelytę kryptimi, kuria sklinda didžiausio intensyvumo lazerio spinduliuotės pluoštas.

   Lazerio spinduliuotės sufokusuoto pluošto intensyvumas pasiskirsto pagal Gauso dėsnį. Taigi, jo maksimumas yra pačiame šviesos pluošto centre. Atsiradusi stūmos jėga tarsi įkalina dalelę ties pluošto ašimi. Kadangi intensyviausia lazerio generuojamo pluošto dalis yra jo optinėje ašyje, galima sakyti, kad jėga stumia dalelę skaisčiosios dėmės link ir ji tarsi patenka į trimatę gaudyklę. Kad gaudyklėje susiformuotų dalelei išlaikyti reikalinga jėga, didelės lazerio spinduliuotės galios nereikia (paprastai užtenka vos kelių milivatų). Kita vertus, pluošto intensyvumas statmenai sklidimo krypties turi būti didelio gradiento. Todėl pluoštas turi būti sufokusuotas į tašką, kurio skersmuo - vos keli mm.

   Toks nekontaktinis manipuliavimas mažais medžiagos kiekiais ar dalelėmis atveria neregėtas galimybes. Tapo įmanoma išmatuoti DNR molekulės elastines savybes, "nutvėrus" už jos galo ir bandant optiniu pincetu ją sudraskyti. Panašiai optiniu pincetu galima tirti molekulinių variklių gebėjimą kurti mechaninį poveikį. Gaudyklėje esančias daleles gerokai lengviau tirti. Šiam tikslui optinis pincetas gali būti naudojamas kartu su Ramano, dvifotoninės spektroskopijos bei mikroskopijos priemonėmis.

   Derindami optinį pincetą su kitų lazerių generuojamais pluoštais, galime atlikti dalelių nanochirurgines operacijas. Pavyzdžiui, naudodamiesi infraraudonuoju lazeriu (l=1064 nm) kaip gaudykle ir žaliosios spinduliuotės (l=532 nm) lazeriu kaip nanoskalpeliu, galime "išdoroti" chromosomą. Tai visai realu, nes dauguma biologinių audinių silpnai sugeria infraraudonosios spektro dalies šviesą, bet sugeria žaliąją.

   Optinis pincetas yra išties galingas medžiagų tyrimo įtaisas, bet ir jo galimybės ribotos. Vienas šių trūkumų atsiranda dėl smarkiai fokusuojamo lazerio pluošto, siekiant, kad dalelė įstrigtų gaudyklėje. Tačiau kuo geriau sufokusuotas šviesos pluoštas, tuo staigiau į šonus nuo spinduliavimo ašies mažėja jo intensyvumas, vadinasi, jėga, laikanti dalelę gaudyklės srityje, už jos ribų labai staigiai mažėja. Iš tikrųjų kelių dešimčių mikronų atstumu nuo pluošto ašies jėga jau nebepajėgia dalelės lokalizuoti erdvėje, todėl lazerio spinduliuotės pluošto gaudyklėje galėtų įstrigti tik viena ganėtinai mažų matmenų dalelė.

   Kitas trūkumas susijęs su grynai optinėmis šviesos savybėmis. Sufokusuotas šviesos pluoštas, savo kelyje sutikęs kliūtį, difraguoja, lūžta, dalis jo energijos sugeriama, kita - atsispindi. Lūžusio pluošto parametrai jau būna pakitę. Visi šie reiškiniai irgi riboja atstumą, kuriame Gauso pasiskirstymo pluoštas veikia kaip optinis pincetas.

Kaip sumažinti šviesos pluošto skėstį

   Jei gerai sufokusuotas šviesos pluoštas susiduria su kliūtimi, įvyksta jo difrakcija, kuri šviesos pluoštą išfokusuoja. Kuo mažesnė pluošto apertūra, t. y. kuo geriau jis sufokusuotas, tuo plačiau išplinta.

   Iki 1987 m. manyta, kad šviesos difrakcijos _ prigimtinės šviesos bangų savybės - nelabai galima išvengti. Tačiau, tais pačiais metais mokslininkai J.Durninas, J.Miceli ir A. Eberly parodė, kad galima sukurti šviesos pluoštą, nepasižymintį savybe difraguoti. Šio pluošto bangos amplitudė proporcinga Beselio funkcijai, todėl jis vadinamas Beselio pluoštu. Jo intensyvumas atrodo kaip skaisti dėmė, apjuosta visu koncentrinių žiedų rinkiniu. Teoriškai šviesos pluoštas turi turėti begalinį žiedų kiekį, kad nedifraguotų laisvojoje erdvėje. Taigi pluoštas turėtų būti be galo didelės galios. Todėl realiomis sąlygomis prie tokių savybių šviesos galima tik priartėti, t.y. suformuoti kvazi-Beselio pluoštą.

   Jį galima sukurti labai veiksmingu būdu - Gauso pluoštą nukreipus į kūginį lęšį (1 pav.). Galima ir hologramomis arba erdviniais šviesos moduliatoriais. Šie moduliatoriai veikia kaip dinaminės kompiuteriu valdomos hologramos, todėl pajėgia generuoti ir sudėtingesnį optinį paveikslą, pvz., visą Beselio pluoštų rinkinį.

   Beselio pluoštą galima įsivaizduoti kaip plokščiųjų bangų, sklindančių išilgai šoninio kūgio paviršiaus, interferenciją (2 pav.). Pagrindinis Beselio pluošto intensyvumo maksimumas susidaro išilgai optinės ašies. Toks plokščiųjų bangų interferencijos vaizdinys padeda suprasti dar vieną puikią Beselio pluošto savybę - gebėjimą susiformuoti iš naujo. Kitaip nei Gauso pluoštas, kuris, savo kelyje sutikęs dalelę difraguoja ir šios dalelės yra išsklaidomas, Beselio pluoštas savo buvusias savybes susigrąžina. Susidūrusios su kliuviniu, minėtos plokščiosios bangos sklinda ir už jo, interferuoja ir suformuoja naują Beselio šviesos pluoštą. Dėl šios savybės Beselio pluoštas neturi trūkumo, būdingo Gauso pluoštui: pastaruoju erdvėje galima lokalizuoti kelias daleles tik tuo atveju, jei jos yra labai arti viena kitos.

   Beselio pluošto tyrimus tęsė Škotijos St. Andrews universiteto mokslininkai D. McGloinas ir V. Garces-Chavez. 2001 m. darbe jie parodė, kad Beselio pluoštu galima lokalizuoti kelias daleles, tarp kurių 3 mm atstumas. Šios dalelės, būdamos vienoje ašyje, kiekviena yra savo gaudyklėje. Laimėjimas tapo įmanomas dėl dviejų priežasčių: 1) Beselio pluoštas nedifraguoja, todėl jo centrinė dalis yra tarsi pastovaus intensyvumo šviesos cilindras; 2) susidūręs su kliūtimi, pluoštas nepraranda savo savybių ir Beselio funkcijai būdingo intensyvumo pasiskirstymo erdvėje.

   19 žiedų Beselio pluoštui (3 pav.) suformuoti autoriai panaudojo 1064 nm niodimu legiruoto itrio-vanadžio granato (Nd: YVO₄) lazerį. Lazerio galia buvo 700 mW, jo spinduliuotės centrinei pluošto daliai teko 35 mW. Iš pradžių autoriai tarp centrinio šviesos cilindro ir pirmojo žiedo lokalizavo tuščiavidurę 5 µm skersmens sferos formos dalelę. Sfera iškraipė pluoštą nedideliu atstumu, bet toliau išilgai ašies Beselio pluoštas susiformavo iš naujo, tad juo buvo galima "pagauti" dar tris 5 mm silicio dioksido sferas. Už jų Beselio pluoštas susiformavo dar kartą (4 pav.).

Manipuliavimas dalelėmis

   Susiformuojančiu Beselio pluoštu galima "sučiupti" nemažai įvairių dalelių. Gauso pluoštas šios galimybės neturi. Minėti tyrėjai optiniu pincetu vieną vientisą silicio dioksido sferą įterpė į vieną biologinę ląstelę, kitą - tuščiavidurę sferą - į kitą ląstelę, o dvigubo lūžio rodiklio medžiagos dalelę - į trečiąją. Stiklo sferos lūžio rodiklis yra mažesnis nei ją supančio ląstelės vandens, todėl šviesa dėl visiško atspindžio per ją nepraeina. Taigi šiuos svetimkūnius į ląstelę galima įterpti, pasinaudojus tamsiomis Beselio pluošto sritimis, esančiomis tarp skaisčiųjų šviesos žiedų.

   Tie patys tyrėjai Beselio pluoštu buvo suformavę ir dvimačius dalelių rinkinius. Kiekvienas rinkinys būdavo savo plokštumoje. Dalelės įstrigdavo Beselio pluošto žieduose, bet visos šviesos nesugerdavo, tad išsklaidyta šviesa vėl susiformuodavo į Beselio pluoštą, į kurio gaudykles patekdavo kitas dalelių rinkinys.

   Optinis pincetas ir kiti optiniai manipuliatoriai gali būti labai plačiai panaudojami įvairiose mokslo bei technologijų srityse. Biologai jais galės rūšiuoti, manipuliuoti bei skrosti ląsteles, tirti molekulinius variklius. Koloidinių tirpalų fizikos specialistai - matuoti dalelių sąveiką. Mikrosrautų technikoje - jie galės optiškai valdyti užtūras ir siurblius. Nanotechnologijoje - kurti, valdyti nano ir mikroįtaisus bei kurti trimačius darinius. Optiniai mikromanipuliatoriai gali būti naudojami ir šviesos pluoštams tirti.