Epälineaarinen optiikka tutkii voimakkaan valon, yleensä laservalon, ja aineen välistä vuorovaikutusta. Epälineaaristen ilmiöiden avulla voidaan muokata vuorovaikuttavan valon ominaisuuksia, kuten sen aallonpituutta. Epälineaarista optiikka onkin käytetty vuosien ajan lukuisissa laserlaitteistoissa, kuten aallonpituudeltaan säädettävissä ja pulssitoimisissa lasereissa.
Vaikka epälineaariset optiset ilmiöt aiheuttavat dramaattisia muutoksia vuorovaikuttavaan valoon, ovat ne kuitenkin luonteeltaan erittäin tehottomia. Perinteisissä laitteistoissa tämä ongelma on ratkaistu hyödyntämällä vaihesovitusta ja optisia resonaattoreita. Vaihesovitus on tekniikka, jonka ansoista epälineaarinen signaali kasvaa vuorovaikuttavan valon edetessä epälineaarisessa optisessa aineessa. Perinteiset optiset resonaattorit sen sijaat ovat kahdesta tai useammasta peilistä koostuvia systeemejä, joihin valon energiaa voidaan varastoida, mikä voimistaa resonaattorin sisällä tapahtuvia optisia ilmiöitä.
– Vaihesovitukseen ja optisiin resonaattoreihin nojaavat epälineaariset komponentit toimivat kuin unelma, mutta mikrofotoniikan laitteistoihin niitä ei saada mahtumaan, Timo Stolt kertoo.
Mikroskooppisen ohuita optisia komponentteja metamateriaaleista
Väitöskirjatutkimuksessaan Stolt tutkii epälineaarisia optisia metamateriaaleja, joiden avulla epälineaarinen optiikka voitaisiin tuoda osaksi mikrofotoniikkaa. Metamateriaalit ovat keinotekoisia rakenteita, jotka koostuvat nanomittakaavan kappaleista. Metamateriaalien avulla on jo kehitelty muun muassa äärimmäisen ohuita linssejä ja optisia suodattimia.
Stoltin tutkimus keskittyy plasmonisiin metamateriaaleihin, jotka koostuvat jaksollisiin hiloihin asetetuista metallinanopartikkeleista. Tällaisilla partikkelihiloilla on sekä yksittäisiin partikkeleihin että hilarakenteeseen liittyviä resonansseja, joiden avulla voidaan vahvistaa optisia ilmiöitä. Stolt sovelsi resonanssivahvistusta kehittäessään metamateriaaleja, joilla on säädeltävät ja laajakaistaset epälineaariset optiset vasteet. Tämän lisäksi Stolt hyödynsi resonanssien nk. vaihekontrolliaspektia metamateriaaleissa, joiden epälineaariset vasteet ovat vaihesovitettuja.
– Resonantit metamateriaalit ovat siis äärimmäisen ohuita resonaattoreita, joissa myös vaihesovitus pelittää. Toimme siis tunnettuja tekniikoita mikroskaalan komponentteihin, Stolt toteaa.
Stoltin tutkimuksen tulokset voivat johtaa uudenlaisten mikrofotoniikan komponenttien kehittämiseen, jotka sekä soveltavat epälineaarista optiikka että ovat säädeltävissä, tehokkaita ja laajakaistaisia. Tällaisia metamateriaalikomponentteja voitaisiin käyttää muun muassa ultraviolettikaistan lasereissa, fotoniparilähteissä tai holografiassa.
Tuusulasta kotoisin oleva Timo Stolt työskentelee Tampereen yliopiston Epälineaarisen optiikan tutkimusryhmässä.
Väitöstilaisuus perjantaina 22. maaliskuuta
Diplomi-insinööri Timo Stoltin fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Nonlinear optics using Resonant Metamaterials tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 22.3.2024 kello 12 Hervannan kampuksella Tietotalossa, luentosalissa TB109 (Korkeakoulunkatu 1, Tampere).
Vastaväittäjänä toimii Professori Rupert Oulton Imperian College London yliopistosta. Kustoksena toimii Professori Martti Kauranen tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.