Fysiikan alan väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Joensuun kampuksella.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe?
Tutkimus keskittyy perustavanlaatuisiin optisiin ilmiöihin, valon geometriseen vaiheeseen (Pancharatnam—Berryn vaihe) ja optisiin pinta-aaltoihin (pintaplasmoni polaritonit). Valon geometrinen vaihe liittyy valon polarisaatiotilan muutoksiin optisessa laitteessa tai väliaineessa ja se on osa valon kokonaisvaihetta. Geometrisen vaiheen suuruus määritetään polarisaatiotilan kehityksen sulkeman pinta-alan puolikkaana polarisaatiotiloja kuvaavalla Poincarén pallolla. Pintaplasmoni polaritonit puolestaan ovat sähkömagneettisia pinta-aaltoja, jotka etenevät sähköä johtavan (metallisen) ja sähköä eristävän (dielektrisen) aineen rajapinnalla. Plasmoneja voidaan luoda, esimerkiksi, ohjaamalla valoa nanokokoiseen aukkoon ja ne voidaan muuttaa takaisin valoksi ohjaamalla plasmonit toiseen vastaavanlaiseen aukkoon. Valon muuttuessa plasmoneiksi ja takaisin valon voimakkuus ja vaihe muuttuvat. Valon geometrista vaihetta ja pintaplasmoneja hyödynnetään nykyään niin sanotuissa metapinnoissa, joiden avulla voidaan esimerkiksi tarkasti hallita valokentän ominaisuuksia sekä suunnitella nanokokoisia optisia rakenteita, joilla on parempi kuvantamiskyky kuin tavanomaisilla lasista tehdyillä linsseillä. Tässä työssä esitetty tutkimus laajentaa tietämystä valon perustavanlaatuisista ominaisuuksista sekä niiden vuorovaikutuksesta optisten rakenteiden kanssa, mikä auttaa parempien optisten komponenttien kehittämisessä.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöstutkimuksen keskeisiä tuloksia ovat:
- Uusi tapa mitata jatkuvaa syklistä ja epäsyklistä geometrista vaihetta Youngin kaksoisrakokokeessa. Tässä tavassa digitaalisia mikropeilejä käytettiin interferometrissä geometrisen vaiheen erottamiseksi valon dynaamisesta ja kokonaisvaiheesta.
- Pintaplasmoneja voidaan käyttää osittain polaroituneen valon polarisaation poistamiseen sekä polarisaatiotilan muokkaamiseen. Plasmonien kulkema matka vaikuttaa vahvasti polarisaatiomuutoksen suuruuteen.
- Pintaplasmoneilla voidaan muokata valon dynaamista vaihetta, joka geometrisen vaiheen tutkimuksissa yleensä poistetaan tai pidetään vakiona. Plasmonien aiheuttama dynaamisen vaiheen muutos antaa uuden tavan hallita geometrista vaihetta. Muuttamalla plasmonien kulkemaa matkaa vain puolikkaan plasmonin aallonpituuden verran voidaan saavuttaa mikä tahansa geometrinen vaihe -π:n ja π:n välillä.
- Pintaplasmonipulssilla voidaan muokata valopulssin muotoa ja aikariippuvaista polarisaatiotilaa.
- Valon muuttaminen pintaplasmoneiksi ja takaisin luo ylimääräisen viiveen joka ei riipu pintaplasmonin kulkemasta matkasta.
Edellä mainitut tutkimustulokset valon geometrisen vaiheen ja pintaplasmonien fysikaalisista ominaisuuksista laajentavat ymmärrystä valon ja aineen vuorovaikutuksesta, valon polarisaatiosta, optisista vaiheista sekä plasmoniikasta.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Työn kokeellisessa osassa hyödynnettyä laitetta voidaan käyttää optisten vaiheiden mittaamisessa. Muutoin tämä perustutkimus parantaa ymmärrystä valon geometrisen vaiheen ja pintaplasmonien ominaisuuksista, joita voidaan tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi aktiivisten nano-optisten elementtien kehittämisessä.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät?
Tutkimukseen kuuluu teoreettisia, numeerisia ja kokeellisia töitä. Yksi päätutkimusmetodeista ovat optiset aaltosimulaatiot, joilla vahvistetaan tutkimuksen teoreettisia tuloksia. Kokeellisessa työssä (keskeinen tulos 1) käytimme pimeää optista laboratoriota, mihin herkkä, laserilla valaistu, geometrista vaihetta mittaava tutkimuslaite rakennettiin. Laite pitää herkkyytensä takia suojata ulkopuoliselta valolta, lämpötilanmuutoksilta, värähtelyiltä, sekä ilmavirroilta. Näistä syistä laitetta ohjattiin etänä.
Filosofian maisteri Aleksi Leinosen väitöskirja Geometric phase and surface plasmons in Young's interference tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Joensuun kampuksella Metria-rakennuksen M100-salissa 4.8.2023 klo 12 alkaen. Vastaväittäjänä toimii professori Miguel A. Alonso (Centrale Marseille, Institute Fresnel) ja kustoksena professori Tommi K. Hakala Itä-Suomen yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.
