Moderni fotoniikka tähtää ultrakompaktien ja -nopeiden optisten laitteiden kehittämiseen toiminnallisiin optisiin piireihin

Väitös fotoniikan alalta
Väittelijä: MSc Subhajit Bej
Aika ja paikka: 23.3.2017, 12.00, F100, Futura, Joensuun kampus

Luonnosta löytyy nanorakenteisia materiaaleja, joilla on kiinnostavia optisia ominaisuuksia. Yksi esimerkki on säännölliseen hilaan järjestäytyneitä nanopalloja sisältävä opaali, joka näyttää eri väriseltä katsottuna eri suunnista. Muita esimerkkejä ovat Morpho rhetenor -perhosten siivet, jotka ovat niiden puunkaltaisten nanorakenteiden takia irisoivia eli näkyvät sateenkaaren väreissä. Erään kovakuoriaislajin (C. gloriosa) tukiranka muodostuu kierteisistä nanorakenteista, tämän takia kuoriaiset näyttävät joko vihreiltä tai mustilta riippuen siitä valaistaanko niitä vasen- vai oikeakätisesti ympyräpolaroituneella valolla. Aikaisemmin näiden luonnossa esiintyvien nanorakenteiden ja niiden ennennäkemättömien optisten ominaisuuksien jäljittelemiseen on nähty suurta vaivaa.  Nämä keinotekoiset nanorakenteet tunnetaan metamateriaaleina, eli materiaaleina joiden ominaisuudet ovat tavanomaisten materiaalien tuolla puolen.

Vaikka optisten metamateriaalien valmistamisen teoriaa on ymmärretty vasta viime aikoina, ensimmäiset ihmisen tekemät metamateriaalit valmistettiin kauan ennen sitä ymmärtämättä taustalla olevia mekanismeja. Erityisen mielenkiintoinen esimerkki on nykyään British Museumissa säilytettävä Lycurgus-malja. Tämä 300-luvulta peräisin oleva malja näyttää vihreältä katsottuna siitä heijastuvassa valossa ja punaiselta kun valo kulkee sen läpi. Myöhemmin ymmärrettiin, että tämän taikatempun syynä ovat plasmoniresonanssit, jotka tapahtuvat maljan lasiin sekoittuneissa kultaisissa nanopartikkeleissa.

Moderni nanofotoniikka tähtää raakamateriaalien optisten ominaisuuksien manipuloimiseen ja kontrolloimiseen joko nanorakenteiden avulla, tai sekoittamalla kahta tai useampaa homogeenista materiaalia nanotasolla. Lopullinen päämäärä on kehittää ultrakompakteja ja -nopeita optisia laitteita toiminnallisiin optisiin piireihin, joita voidaan integroida sirulle yhdessä elektronisten komponenttien kanssa. Kehittymisestään lähtien nanofotoniikan ala on löytänyt useita käyttökohteita eri yhteyksissä, kuten optinen tiedontallennus, superresoluutiokuvaus, bio- ja kaasutunnistus, aurinkovoima ja tehokas optinen laskenta.

Monet nanofotoniikan alat hyödyntävät alle aallonpituuden kokoisia resonanssinanorakenteita. Voimakasta valo-aine-vuorovaikutusta voi tapahtua näiden rakenteiden sisällä, johtuen paikallisesta kentän vahvistuksesta, joka saadaan aikaan joko vangittujen elektromagneettisten moodien voimistamisella tai rakenteen geometriasta johtuvilla paikallisilla resonansseilla. Voimakkaat vuorovaikutukset voivat johtaa epätavallisiin makroskooppisiin lineaarisiin optisiin ominaisuuksiin. Voimakkaasti rajatut paikalliset kentät ovat myös elintärkeitä intensiteetistä riippuville epälineaarisille optisille prosesseille, joissa epälineaarinen vaste skaalautuu paikallisen kentän intensiteetin mukaan. Sovelluksia on lähtien taajuusmuunnoksesta, aaltosekoituksesta ja Raman-sironnasta täysoptiseen kytkentään. Kentän amplitudin lisäksi alle aallonpituuden kokoiset rakenteet mahdollistavat myös valon vaiheen ja polarisaation muokkaamisen, mikä on ollut käytännöllistä kompaktien polarisaattorien ja aaltolevyjen toteutuksessa. Kuitenkin näiden paikallisten kenttien tarkka hallinta nanorakenteissa vaatii erinomaista harmoniaa numeerisen mallintamisen, valmistuksen ja kokeellisten tekniikoiden välillä. Tämä herätti MSc Subhajit Bej’n motivaation monografian kirjoittamiseen.

Bej’n monografiassa tutkitaan alle aallonpituuden kokoisten periodisten nanorakenteiden ja nanokomposiittien paikallisten kenttien kontrolloituja lineaarisia ja Kerr-epälineaarisia optisia ominaisuuksia. Tehokkaita numeerisia tekniikoita ja uusia analyyttisia malleja on kehitetty tukemaan näitä tutkimuksia. Lisäksi näkymiä matalaenergisen kaksoisstabiiliuden saavuttamiseksi piinitridi ohjattumoodi resonanssisuodattimessa on tarkasteltu numeerisesti, mitä seuraa täysoptisen modulaation kokeellinen osoitus käyttämällä kyseistä rakennetta. 

MSc Subhajit Bej’n fotoniikan alaan kuuluva väitöskirja Local field controlled linear and Kerr nonlinear optical properties of periodic subwavelength structures tarkastetaan Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii professori Dr.-Ing. Bernd Kleemann, Corporate Research and Technology, Carl Zeiss AG, ja kustoksena professori Jari Turunen, Itä-Suomen yliopisto.

Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa https://kuvapankki.uef.fi/A/UEF+kuvahakemisto/11154?encoding=UTF-8

Takaisin tämän vuoden artikkeleihin