Valon emission, etenemisen ja moduloinnin hallinta nanofotoniikan avulla

Markus Nyman

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Nanofotoniikka on valon manipulointia nanometrin kokoisilla rakenteilla. Nanofotoniikka mahdollistaa esimerkiksi hyvin pienten optisten komponenttien valmistamisen ja valon emission hallitsemisen mikroskooppisella tasolla. Tähän väitöskirjaan koottu tutkimus keskittyy keinotekoisiin optisiin nanomateriaaleihin, valonlähteisiin ja optiseen modulointiin. Väitöskirjassa tutkittavat keinotekoiset optiset materiaalit ovat pääasiassa metamateriaaleja. Ne koostuvat sirottajista, esimerkiksi nanosauvoista, jotka ovat hilassa, jonka yksikkökopit ovat pienempiä kuin valon aallonpituus. Tällainen materiaali näyttäytyy valolle homogeenisena väliaineena, jolla voi olla erityislaatuisia optisia ominaisuuksia. Useimmiten materiaalin optiset ominaisuudet myös riippuvat valon etenemissuunnasta: tätä kutsutaan spatiaaliseksi dispersioksi. Väitöskirjassa käytetään spatiaalisesti dispersiivisten materiaalien analyysiin ja suunnitteluun aaltoparametrimenetelmää, jossa jokaiselle materiaalissa etenevälle tasoaallolle määritetään oma taitekerroin ja aaltoimpedanssi. Täydennämme ensin aaltoparametriteoriaa, jotta sen avulla voidaan kuvata optisen energian etenemistä nanomateriaalien sisällä. Tämän jälkeen kehitämme Fourier-muunnokseen perustuvan menetelmän, jolla voidaan analysoida valon emissiota spatiaalisesti dispersiivisten nanomateriaalien sisällä. Tutkimme myös valon kytkeytymistä nanomateriaalien sisältä ulos, ja näytämme kuinka valo voi paeta tehokkaasti jopa valoa voimakkaasti vaimentavien materiaalien sisältä. Tämän jälkeen tutkimme teoreettisesti ja kokeellisesti nanorakenteita, jotka kasvattavat huomattavasti fluoresoivan kalvon kirkkautta yhdistäen parannuksia säteilyn suuntaavuuteen ja pumppausvalon absorptioon. Esitettyjä menetelmiä ja ideoita voidaan käyttää kehitettäessä nanorakenteita esimerkiksi antureita ja valonlähteitä varten. Väitöskirja käsittelee myös nanomateriaaleja, jotka muuttavat valon polarisaatiota. Kehitämme aaltolevyn joka perustuu metalli-dielektrisen nanorakenteen vahvaan kahtaistaittavuuteen, ja tutkimme sen toimintaa teoreettisesti ja kokeellisesti. Tässä nanomateriaaliaaltolevyssä yhdistyvät pienet häviöt, laaja optinen kaistanleveys ja toiminta läpäisymoodissa. Näytämme myös, että nanorakenteesta huolimatta aaltolevy voidaan valmistaa alaltaan suureksi, mikä on massatuotannon edellytys. Viimeisessä osuudessa esitämme ultranopean täysin optisen modulaatiomenetelmän sekä ultranopean valoilmaisimen. Molemmat perustuvat valoa vahvistavaan laserväliaineeseen ja Fourier-muuntavaan pulssinmuotoilijaan. Laserväliaine mahdollistaa kahden valosignaalin vahvan epälineaarisen vuorovaikutuksen. Pulssinmuotoilija puolestaan toimii aallonpituusjakajana ja -yhdistäjänä (modulaatiomenetelmässä) ja ajasta-paikkaan kuvauksen tekijänä (ilmaisimessa). Saavutamme kokeellisissa tuloksissamme alle pikosekunnin modulaationopeuden ja aikaresoluution huolimatta siitä, että laserväliaine toimii nanosekunnin aikaskaalassa.
Julkaisun otsikon käännösValon emission, etenemisen ja moduloinnin hallinta nanofotoniikan avulla
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Kaivola, Matti, Vastuuprofessori
  • Shevchenko, Andriy, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0288-8
Sähköinen ISBN978-952-64-0289-5
TilaJulkaistu - 2021
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • optiset nanomateriaalit
  • metamateriaalit
  • spontaani emissio
  • modulointi

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Valon emission, etenemisen ja moduloinnin hallinta nanofotoniikan avulla'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä