Itä-Suomen yliopiston tutkijat ovat tunnistaneet kaksi toisiaan täydentävää mekanismia, jotka määräävät valoaaltojen välisten korrelaatioiden eli koherenssin muodostumista plasmonisissa (valon ja metallipartikkelien elektronien vuorovaikutukseen perustuvissa) nanomittakaavan lasereissa. Nämä pienikokoiset laserit koostuvat säännölliseen hilarakenteeseen järjestetyistä metallinanopartikkeleista ja optisesta vahvistusväliaineesta.
Ensimmäisessä tutkimuksessa tutkijat osoittivat, että nanorakenteet voivat tuottaa vaihelukittua ultranopeaa laserpulssien modulaatiota useiden lasermoodien synkronoitumisen seurauksena. Toisessa tutkimuksessa tutkijat havaitsivat eri topologioita ja polarisaatioita edustavien lasermoodien toimivan rinnakkain ilman keskinäistä koherenssia. Yhdessä tulokset muodostavat yhtenäisen fysikaalisen kuvan koherenssin synnystä plasmonisissa lasereissa ja tarjoavat uusia suunnitteluperiaatteita nanometrien mittakaavan optisille laitteille.
Tutkimukset liittävät plasmoniset nanolaserit myös topologiseen fotoniikkaan, joka soveltaa topologian käsitteitä valon hallintaan. Topologia on matematiikan haara, joka tarkastelee ominaisuuksia, jotka säilyvät muuttumattomina pienistä häiriöistä tai rakenteellisista muutoksista huolimatta.
Kiinteän aineen fysiikassa topologian käsitteitä on hyödynnetty eksoottisten aineen olomuotojen tutkimuksessa. David Thouless, Duncan Haldane ja Michael Kosterlitz saivat näihin ilmiöihin liittyvistä löydöistään vuoden 2016 fysiikan Nobel-palkinnon. Valotieteessä eli fotoniikassa topologia mahdollistaa esimerkiksi valon yksisuuntaisen etenemisen sähköisiä diodeja muistuttavalla tavalla sekä lasermoodien luokittelun topologisesti triviaaleihin ja epätriviaaleihin tiloihin.
Laser & Photonics Reviews ja ACS Nano -lehdissä julkaistut tutkimukset osoittavat, kuinka lasermoodien topologia ja polarisaatio vaikuttavat siihen, synkronoituvatko eri moodit keskenään vai säilyvätkö ne toisistaan riippumattomina. Tulokset syventävät ymmärrystä laseroinnista plasmonisissa rakenteissa ja avaavat uusia mahdollisuuksia esimerkiksi mikrosirulle integroitaville ultranopeille valonlähteille sekä optisille teknologioille, joissa kanavien välinen häiriö halutaan minimoida.
Ultranopeaa laserpulssien modulaatiota vaihelukituksen avulla
Ensimmäisessä tutkimuksessa, joka julkaistiin Laser & Photonics Reviews -lehdessä, tutkijat osoittivat, että topologisesti triviaaleja lasermoodeja tukevat plasmoniset superhilat (eli rakenteet, joissa pienemmät hilat toistuvat jaksollisesti) voivat tuottaa moodilukittua ultranopeaa laserpulssien modulaatiota.
Kun tutkijat yhdistivät nanopartikkelihilaan valoa vahvistavia fluoresoivia molekyylejä ja virittivät näytettä optisesti ulkoisella laserilla, näytteen tuottamat lasermoodit vaihelukittuivat plasmoniresonansseihin liittyvien lähikenttävuorovaikutusten seurauksena. Tämän puolestaan mahdollisti ultranopean modulaation pulssien intensiteetissä.
– Merkittävä haaste oli kehittää mittausjärjestelmä, jolla pystyimme havaitsemaan ja tutkimaan näin nopeita ilmiöitä, kertoo tutkimusartikkelin pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija Janne Heikkinen.
– Kun tämä onnistui, pystyimme suoraan seuraamaan, kuinka eri lasermoodit synkronoituvat ja synnyttävät ultranopean modulaation.
Numeeriset simulaatiot paljastivat vaihelukituksen fysikaalisen alkuperän. Laskelmat osoittivat, että sähkökentän voimakkaimpiin kohtiin nanopartikkelien ympärillä syntyy femtosekuntien aikaskaalassa korrelaatioita, jotka välittyvät yhteisen vahvistusväliaineen kautta ja synkronoivat lasermoodit keskenään.
– Simulaatioiden avulla pystyimme tutkimaan vahvistusväliaineen dynamiikkaa ja tunnistamaan vaihekorrelaatioiden alkuperän, kertoo tutkijatohtori Roman Calpe.
– Havaitsimme, että nanopartikkelien ympärille sähkökentän voimakkaimpiin kohtiin muodostuvat korrelaatiot mahdollistavat vaihelukituksen usean lasermoodin välillä.
Topologisesti erilaiset moodit pysyvät toisistaan riippumattomina
Toinen tutkimus, joka julkaistiin ACS Nano -lehdessä, paljasti täysin erilaisen tilanteen, kun laserointi tapahtui eri topologisiin luokkiin kuuluvissa moodeissa.
Tutkijat valmistivat halkaisijaltaan erikokoisista kultananopartikkeleista muodostettuja hilarakenteita, joissa syntyi samanaikaisesti sekä topologisesti triviaaleja dipolimoodeja että topologisesti epätriviaaleja niin kutsuttuja jatkumonsisäisiä sidottuja tiloja (quasi-bound state in the continuum). Vaikka molemmat moodit laseroivat samanaikaisesti, mittaukset osoittivat niiden olevan keskenään epäkoherentteja. Toisin kuin ensimmäisessä tutkimuksessa, tutkijat eivät havainneet ultranopeaa pulssimodulaatiota, mikä viittasi siihen, etteivät moodit vaihelukittuneet keskenään.
Jatkotutkimukset vahvistivat, ettei moodien välillä ollut keskinäistä vaihekorrelaatiota. Tietokonesimulaatiot puolestaan valottivat ilmiön alkuperää. Moodit eivät ainoastaan kuuluneet eri topologisiin luokkiin, vaan niiden polarisaatiot olivat myös keskenään ortogonaaliset nanopartikkelien läheisyydessä näytteen tasossa.
– Lähdimme aluksi tutkimaan näiden nanolaserien koherenssiominaisuuksia aiempaa yksityiskohtaisemmin, ja yllätyimme, kun eri topologioita ja polarisaatioita omaavien moodien välillä ei havaittu lainkaan korrelaatioita, kertoo apulaisprofessori Antti Moilanen.
– Keskeinen oivallus oli, että juuri keskinäisen koherenssin puuttuminen oli itsessään merkittävä löytö.
Löytö voi osoittautua tärkeäksi sovelluksissa, joissa useiden optisten kanavien on toimittava toisistaan riippumatta ilman keskinäistä häiriötä.
– Mahdollisuus suunnitella keskenään riippumattomia lasermoodeja on erityisen kiinnostava optisen sensoriteknologian ja tiedonsiirron kannalta, kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija Laura Yrjänheikki.
– Se tarjoaa selkeän ja luotettavan tavan erottaa optiset kanavat toisistaan ja minimoida niiden välinen haitallinen keskinäinen häiriö.
Uusi suunnitteluperiaate plasmonisille nanolasereille
Yhdessä tutkimukset osoittavat, että nanopartikkelien geometria, hilarakenne, moodien topologia ja polarisaatio ohjaavat koherenssin muodostumista plasmonisissa nanolasereissa. Topologisesti triviaalit lasermoodit voivat synkronoitua yhteisen vahvistusväliaineen dynamiikan kautta, kun taas eri topologisiin luokkiin kuuluvat ja ortogonaalisesti polarisoituneet moodit säilyvät keskenään epäkoherentteina.
Tulokset avaavat mahdollisuuden suunnitella monimuotoisia plasmonisia nanolasereita sovelluksiin, jotka ulottuvat ultranopeasta pulssintuotosta optiseen tietojenkäsittelyyn, sensoriteknologiaan ja tiedonsiirtoon.
– Koherenssi plasmonisissa nanolasereissa ei ole vain sivutuote, vaan ominaisuus, jota voidaan kontrolloida, kertoo tutkimusta johtanut professori Tommi Hakala.
– Suunnittelemalla nanorakenteiden moodien topologian ja polarisaation voimme toteuttaa joko ultranopeaa moodilukittua pulssimodulaatiota tai toisistaan riippumattomia laserkanavia. Tutkimukset osoittavat, kuinka nanoskaalan laserien koherenssiominaisuuksia voidaan optimoida fysiikan ja matematiikan lainalaisuuksien kautta.
Tutkimuksissa yhdistyvät edistynyt nanorakenteiden valmistus, plasmonisten hilojen suunnittelu, ultranopea spektroskopia ja topologinen fotoniikka. Tulokset osoittavat, kuinka valon ja aineen vuorovaikutuksen kontrollointi mahdollistaa uusia ominaisuuksia nanomittakaavan laserteknologioissa. Tutkimukset toteutettiin Itä-Suomen yliopiston Fotoniikan tutkimuskeskuksessa (Center for Photonics Sciences), fysiikan ja matematiikan laitoksella, Joensuun kampuksella.
Julkaisut:
J. I. Heikkinen, R. Calpe, L. Yrjänheikki, A. Halder, A. J. Moilanen, M. Koivurova and T. K. Hakala, Mode-Locked Pulse Generation in Plasmonic Lattices, Laser & Photonics Reviews 20(7), e02215 (2026). https://doi.org/10.1002/lpor.202502215
L. Yrjänheikki, R. Calpe, M. Nečada, J. I. Heikkinen, M. Koivurova, A. J. Moilanen, and T. K. Hakala, Tailorable Topological Multimode Nanolaser with Mutually Incoherent Modes, ACS Nano 20(27), 19191–19201 (2026). https://doi.org/10.1021/acsnano.5c22211
Lisätietoja:
Professori Tommi Hakala, Itä-Suomen yliopisto, [email protected]
Kuvassa: Taiteellinen näkemys kahden plasmonisen nanolaserin ominaisuuksista. Plasmonisista nanopartikkeleista koostuva superhila (vasemmalla) tuottaa ultranopeaa moodilukittua laserpulssien modulaatiota moodeista, joilla on sama topologia. Yksinkertainen neliöhila (oikealla) puolestaan tukee laserointia kahdessa moodissa, joilla on erilaiset topologiat ja polarisaatiot. Tämä mahdollistaa toisistaan riippumattomat laserkanavat ilman keskinäistä interferenssiä. Kuva: Laura Yrjänheikki ja Tommi Hakala.
