Hyppää pääsisältöön

Koronavirustilanne Itä-Suomen yliopistossa

Valoa

Uudenlaisia optisia mittausmenetelmiä ja uutta tietoa valon interferenssistä

  • Teknologia ja innovaatiot

FM Antti Hannosen väitöstutkimuksessa tarkastellaan optisen korrelaatiokuvauksen sovelluksia ja geometrista vaihetta, joka ilmenee sähkömagneettisessa interferenssissä. Tutkimus esittelee uusia mittaustekniikoita sekä paljastaa perustavanlaatuista uutta tietoa valon käyttäytymisestä. Esiteltyjen tuloksien odotetaan olevan kiinnostavia niin sovelletun kuin teoreettisen fysiikan aloilla työskenteleville ihmisille.

Korrelaatiokuvaus, ellipsometria ja polarimetria

Korrelaatiokuvaus on suhteellisen uusi menetelmä, joka mahdollistaa näytteiden kuvantamisen valon intensiteettikorrelaatiomittauksien avulla. Tekniikassa kuvantamiseen käytettävältä valonlähteeltä tuleva valo jaetaan kahdeksi erilliseksi säteeksi. Ensimmäinen valonsäteistä ohjataan tutkittavalle näytteelle. Tämän jälkeen valo kulkeutuu ilmaisimelle, joka mittaa näytteen läpi kulkeneen valon kokonaisintensiteetin. Toinen valonsäde saapuu puolestaan suoraan tavanomaiselle kamerailmaisimelle, joka tallentaa valonlähteen intensiteettijakauman. Näytteeseen liittyvä informaatio saadaan esiin korreloimalla näiden kahden valoilmaisimien signaalit keskenään. Korrelaatiokuvauksen eräs suurimmista vahvuuksista on sen luontainen epäherkkyys mittausvirheille ja häiriölle. Tämä mahdollistaa muun muassa kuvauksen läpi ilmakehän häiriöiden sekä heikon valotason omaavissa ympäristöissä.

Ellipsometria ja polarimetria ovat puolestaan jo hyvin vakiintuneita optisia tutkimusmenetelmiä, joita käytetään materiaalien fyysisten ja optisten ominaisuuksien määrittämiseen. Molempien tekniikoiden vahvuutena on niiden kyky karakterisoida näytteitä suurella tarkkuudella samalla kuitenkaan vahingoittamatta niiden rakennetta. Tästä syystä menetelmät ovatkin löytäneet lukemattomia sovelluksia useilta tieteen aloilta. 

Väitöstutkimuksen ensimmäinen osa selvittää teoreettisesti, kuinka korrelaatiokuvaustekniikka voidaan muokata ellipsometrian ja polarimetrian tarpeisiin. Tuloksena on uusi luokka korrelaatiomittauksiin perustavia laitteita, jotka yhdistävät molempien aiempien menetelmien hyödyt.
 

Geometrinen vaihe sähkömagneettisessa interferenssissä

Valonsäteiden interferenssiä eli yhteen summautumista on tutkittu optiikassa useiden vuosisatojen ajan. Thomas Youngin kuuluisa kaksoisrakokoe, josta on muodostunut yksi merkityksellisimmistä fysiikan ajastuskokeista, on hyvä esimerkki näistä ponnistuksista.

Interferenssitutkimus on kuitenkin pitkälti rajoittunut tarkastelemaan ainoastaan skalaaritapausta, jossa valon sähkömagneettisesta vektoriluonteesta johtuvat polarisaatio-ominaisuudet on jätetty pitkälti huomioimatta. Tässä erityistapauksessa ilmiö johtaa monelle maallikollekin tuttuun valon interferenssikuvioon, joka näyttäytyy kaksoisrakokokeessa vuoron perään toistuvina tummina ja kirkkaina intensiteettiminimeinä ja maksimeina. Sähkömagneettisessa tapauksessa tilanne on kuitenkin monimutkaisempi, sillä kenttien yhdistyminen johtaa myös jaksolliseen vaihteluun valon polarisaatiotilassa. Tämä valonsäteiden kyky muodostaa monimutkaisia polarisaatiokuvioita ei ole läheskään yhtä hyvin tunnettu ominaisuus kuin sen intensiteetin käyttäytyminen samoissa olosuhteissa.

Väitöstutkimuksen toisessa osassa paneudutaan aikaisempaa tarkemmin sähkömagneettisten kenttien interferenssiin ja sen synnyttämään polarisaatiomodulaatioon. Tuloksena pystytään nyt sekä teoreettisesti, että kokeellisesti liitämään geometrisen vaiheen sähkömagneettiseen interferenssiin. Geometrinen vaihe kuvaa valoaallon saamaa ylimääräistä vaihetta, kun sen polarisaatiotilaa muutetaan syklisesti niin että kentän lopullinen polarisaatiotila on sama kuin sen alkuperäinen tila. Geometrista vaihetta ei ole aikaisemmin havaittu tutkimuksen esille tuomassa yhteydessä. Tämän takia tulosten voidaankin nähdä antavan uutta perustavanlaatuista tietoa valon käyttämisestä eräässä fysikaalisesti erittäin tärkeässä ja paljon tutkitussa ilmiössä.

Filosofian maisteri Antti Hannosen väitöskirja Optical correlation imaging and geometric phase in electromagnetic interference tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa 9.12. verkossa. Vastaväittäjänä toimii professori Paul Urbach Delftin teknillisestä yliopistosta ja kustoksena professori Tero Setälä Itä-Suomen yliopistosta. Tilaisuus on englanninkielinen.

Väittelijän painolaatuinen kuva

Tilaisuus verkossa

Väitöskirja verkossa