Takaisin

Diffraktion ja röntgensädelinjojen mallintamisen avulla voidaan suunnitella uusia optisia elementtejä

Väitös fotoniikan alalta
Väittelijä: MSc Antonie Verhoeven
Aika ja paikka: 20.12.2019 klo 12, M101, Metria, Joensuun kampus

Jokapäiväisessä elämässämme näemme valoa ja värejä kaikkialla ympärillämme.  Kun joitakin pintoja, kuten CD- ja DVD-levyjä valaistaan, näemme sateenkaaren värejä. Nämä värikuviot syntyvät koska levyjen pinnat sisältävät niihin tallennetun datan takia tasavälein olevia hyvin pieniä nystyröitä. Nämä säännölliset rakenteet toimivat kuten hila, ja siksi valon eri aallonpituudet (värit) heijastuvat pinnasta hieman eri suuntiin. Tätä optista periaatetta kutsutaan diffraktioksi, ja sitä voidaan käyttää tekemään täsmälleen edellä kuvattua asiaa: jakaman valonsäteitä useisiin säteisiin ja/tai poikkeuttamaan eri värejä selvästi toisistaan eroaviin suuntiin. Optisia elementtejä suunniteltaessa on joissain tapauksissa tärkeää ottaa huomioon myös valon absorboituminen. Absorptio tulee huomioida esimerkiksi suunniteltaessa optiikkaa hyvin lyhyille aallonpituuksille, kuten syväultraviolettivalolle. Tällä alueella suurin osa materiaaleista ei ole enää täysin läpinäkyviä, vaan ne absorboivat osan valosta. Tästä syystä heijastavien komponenttien tai hyvin ohuiden hilojen käyttäminen on parempi ratkaisu kuin perinteisten paksujen linssien käyttäminen. MSc Antonie Verhoevenin väitöskirjan ensimmäinen osa käsittelee tällaisten elementtien suunnittelua. 

Kun siirrytään yhä lyhyempiin aallonpituuksiin, päädytään röntgensäteilyn alueelle. Tämän alueen säteilyä käytetään muun muassa erittäin pienten rakenteiden, kuten molekyylien, proteiinien ja jopa atomeiden kuvaamiseen. Tämän alueen säteily on erittäin läpitunkevaa ja se absorboituu vain, jos materiaali on hyvin tiheää ja kappale paksu. Tämän takia materiaalien tutkimuksessa tarvittavan fokuspisteen muodostaminen linssisysteemeillä ei ole mahdollista. Käytännössä fokusointi toteutetaankin hiloilla, mutta niiden ongelmana on valohäviöt, koska osa valosta menee muualle kuin haluttuun polttopisteeseen.

Toinen tapa valon fokusoimiseksi on käyttää heijastuspeilejä, joissa valo tulee heijastavalle pinnalle lähes pinnan suuntaisesti. Kullalla päällystetyillä peilipinnoilla tämän kulman on oltava vain asteen osia, jotta suurin osa röntgensäteilystä saadaan heijastumaan. Tämä pienten kulmien käyttö johtaa siihen, että fokusointioptiikasta tulee useita metrejä pitkä – kokonaisuutta kutsutaankin röntgensädelinjaksi. Koska tällaisten systeemien valmistaminen ja kokoonpano on hyvin kallista ja aikaa vievää, on niiden tarkka mallintaminen hyvin tärkeää. Väitöskirjan toinen osa käsittelee tällaisten röntgensädelinjojen tarkkaa mallintamista.  

MSc Antonie Verhoevenin fotoniikan alaan kuuluva väitöskirja Diffractive element design theory and spatial coherence in X-ray beam line tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä toimii dosentti Andriy Shevchenko, Aalto-yliopisto, ja kustoksena professori Jari Turunen, Itä-Suomen yliopisto.