UEF väitös: 1.7. Merkittäviä laajennuksia satunnaisesti vaihtelevan valon koherenssi- ja polarisaatioteoriaan

Väitös fysiikan alalta

Väittelijä: DI Timo Voipio

Aika ja paikka: 1.7.2015, 12.00, M100, Metria, Joensuun kampus

DI Timo Voipio on tutkinut väitöskirjassaan valon polarisaatio- ja koherenssiominaisuuksia sähkömagneettisen koherenssiteorian avulla. Polarisaatio on tärkeässä osassa esimerkiksi valon vuorovaikuttaessa nanokokoisten rakenteiden kanssa ja toisaalta se on myös olennainen osa valon luonnetta. Valo on sähkömagneettista säteilyä, ja yksi sähkömagneettisen kentän tärkeimmistä ominaisuuksista on, että sähkö- ja magneettikentillä on suuruuden (voimakkuuden) lisäksi myös suunta. Suunta jätetään usein yksinkertaisuuden nimissä huomiotta ja valoa käsitellään skalaarikenttänä, jolla on vain suuruus, muttei suuntaa. Esimerkiksi nano- ja biofotoniikassa myös valon sähkömagneettinen luonne on otettava huomioon, ja väitöstyössä on keskityttykin nimenomaan sähkömagneettisten ilmiöiden tarkasteluun.

Valon sähkömagneettisen kentän hyvin korkean värähtelytaajuuden vuoksi valon ominaisuuksia on kuvattava tilastollisin keinoin, optisen koherenssiteorian avulla. Koherenssiteoriassa tarkastellaan sähkökentän värähtelyjen tilastollisia korrelaatioita kahdessa eri pisteessä tai kahden eri ajanhetken välillä, ja nämä korrelaatiot määrittelevät, kuinka koherentista kentästä on kyse.

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltu sekä sellaisia kenttiä, joiden tilastolliset ominaisuudet ovat ajan suhteen likimain vakiot (stationaarinen kenttä) että sellaisia, joilla ominaisuudet vaihtelevat hyvinkin nopeasti (ei-stationaarinen kenttä). Ensiksi mainittuja ovat esimerkiksi hehku- tai kaasupurkauslamppujen säteilemä valo, jälkimmäisiä saadaan esimerkiksi pulssilasereista.

Työkaluja lyhyiden valopulssien polarisaation ja koherenssin tutkimiseen

Osittain polaroitujen kenttien koherenssiominaisuuksia on tähän mennessä tutkittu pääasiassa vain stationaarisissa kentissä. Hyvin lyhyiden pulssien tuottamiseen ja havaitsemiseen käytetyn teknologian kehitys on kuitenkin tehnyt myös ei-stationaaristen kenttien koherenssiominaisuuksien tutkimuksesta ajankohtaista. Väitöstutkimuksessa esitetäänkin systemaattinen tapa esittää ei-stationaarisen, osittain polaroidun valon koherenssi- ja polarisaatio-ominaisuudet ajan ja taajuuden funktioina.

Kehitettyä teoriaa käytetään tutkimaan miten osittain polaroituja, osittain koherentteja pulsseja voidaan venyttää tai puristaa kasaan aikakestoltaan. Tätä aikakuvantamismenetelmää voidaan hyödyntää esimerkiksi lyhyiden pulssien polarisaatiotilan vaihtelun mittaamisessa, samaan tapaan kuin mikroskooppia voidaan käyttää silmälle näkymättömien rakenteiden tutkimiseen. Aikakuvantamisen matemaattinen periaate onkin verrattavissa suoraan tavallisen, lukulaseistakin tutun linssin toimintaperiaatteeseen.

Koherenttimoodikehitelmä on tärkeä apuväline

Osittain polaroiduille pulsseille osoitettiin myös olevan tehtävissä koherenttimoodikehitelmä. Koherenttimoodikehitelmän avulla osittain polaroitua, osittain koherenttia kenttää voidaan käsitellä yhden tai useamman, täysin polaroidun ja täysin koherentin kentän summana. Kehitelmä helpottaa huomattavasti esimerkiksi optisten järjestelmien laskennallista mallintamista. Moodikehitelmiä on esitetty aiemmin stationaarisille osittain polaroiduille kentille sekä pulssimuotoisille skalaarikentille, mutta työssä esitetyn kaltaista sähkömagneettisten pulssien koherenttimoodikehitelmää ei ole laadittu aiemmin.

Väitöskirjassa tutkitaan myös joitain stationaaristen kenttien koherenttimoodikehitelmien ominaisuuksia. Optiikassa käsitellään valoa yleensä nimenomaan sähkökentän avulla, koska valo ja aine vuorovaikuttavat sähkökentän kautta. Viimeisen vuosikymmenen aikana voimakkaasti kehitetyt metamateriaalit voivat kuitenkin vuorovaikuttaa valon kanssa myös magneettikentän kautta, ja tästä syystä työssä tutkittiin valon sähkö- ja magneettikenttien koherenttimoodikehitelmien välisiä yhteyksiä. Koherenttimoodikehitelmien todettiin olevan yleisesti ottaen erilaiset, ja suoria yhteyksiä kehitelmien välillä löytyi vain tietyissä erikoistapauksissa.

Koherenttimoodikehitelmiä voidaan käyttää myös osittain koherentin valon etenemisen mallintamisessa. Väitöskirjatyön yhteydessä selvitettiin, millä ehdoilla osittain polaroidun, osittain koherentin valon moodikehitelmä ei muutu valon edetessä. Koherenttimoodikehitelmällä on hyvin tunnettu yhteys myös kentän koherenssiominaisuuksia kuvaavaan efektiiviseen koherenssiasteeseen. Tutkimuksessa johdetuilla ehdoilla voidaan myös todeta, missä tilanteissa tämä efektiivinen koherenssiaste, joka kuvaa myös kentän sisältämän informaation määrää, säilyy valon edetessä.

Stationaarisessa, osittain polaroidussa kentässä polarisaatiotila vaihtelee satunnaisesti. Tätä polarisaatiodynamiikkaa on esitetty hyödynnettäväksi optisessa tiedonsiirrossa. Väitöstutkimuksessa esitetyllä menetelmällä voidaan mallintaa näitä polarisaatiovaihteluita esimerkiksi optisissa lähikentissä. Työssä osoitettiin, että kaksi polarisaatioasteeltaan ja -tilaltaan samanlaista kenttää voivat olla polarisaatiodynamiikaltaan täysin erilaiset.

Työssä tutkittiin myös täysin koherenttien stationaaristen sähkömagneettisten kenttien ominaisuuksia aika- ja taajuustasoissa sekä osoitettiin täyden koherenssin yhteys valon spektripuhtauteen. Tätä varten määriteltiin kahden osittain polaroidun kentän tilastollinen samankaltaisuus. Tutkimuksessa osoitettiin, että mikäli kenttä on täysin koherentti kahden pisteen välillä, niin valo on näissä tarkastelluissa pisteissä tilastollisesti samankaltaista ja täysin polaroitunutta, mutta polarisaatiotilat pisteissä voivat olla täysin erilaiset. Tämä tulos pätee sekä aika- että taajuusavaruuksissa. Taajuustasossa kaikilla taajuuksilla täysin koherentin valon osoitettiin olevan myös aikatasossa täysin koherenttia, mikäli kentät molemmissa tarkastelupisteissä ovat spektriltään riittävän puhtaat. Saadut tulokset parantavat ymmärrystämme sähkömagneettisen koherenssiteorian perusteista.

DI Timo Voipion fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Partial polarization and coherence in stationary and nonstationary electromagnetic fields (Osittainen polarisaatio ja koherenssi stationaarisissa ja ei-stationaarisissa sähkömagneettisissa kentissä) tarkastetaan Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii apulaisprofessori Greg Gbur, University of North Carolina at Charlotte ja kustoksena professori Ari T. Friberg, Itä-Suomen yliopisto.

Timo Voipio on syntynyt vuonna 1985 Helsingissä. Hän on valmistunut ylioppilaaksi vuonna 2004 Helsingin Suomalaisesta Yhteiskoulusta (International Baccalaureate -tutkinto), tekniikan kandidaatiksi vuonna 2010 ja diplomi-insinööriksi vuonna 2011 Aalto-yliopistosta. Voipio on työskennellyt tohtorikoulutettavana Aalto-yliopistossa vuonna 2012 ja nuorempana tutkijana Itä-Suomen yliopistossa vuosina 2013–2015.

Lisätietoja: Timo Voipio, p. 050 368 4689, timo.voipio@uef.fi

Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa http://www.uef.fi/ajassa/vaitoskuvat

Yrityksestä

Itä-Suomen yliopisto on yksi Suomen suurimmista tiedeyliopistoista. Yliopiston toiminnassa korostuu monitieteisyys. Opetusta on yli sadassa pääaineessa. Tasokkaan opetuksen lisäksi yliopisto tarjoaa opiskelijoilleen nykyaikaisen opiskeluympäristön, jota kehitetään jatkuvasti. Tiedekuntia on neljä: filosofinen tiedekunta, luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta, terveystieteiden tiedekunta sekä yhteiskuntatieteiden ja kauppatieteiden tiedekunta. Yliopistossa on noin 15 000 opiskelijaa ja se työllistää lähes 2 800 henkilöä.

Yhteyshenkilöt

  • Itä-Suomen yliopisto
    Joensuu / Kuopio / Savonlinna
    http://www.uef.fi
  • Joensuun kampus
    Yliopistokatu 2, PL 111, 80101 Joensuu
  • Kuopion kampus
    Yliopistonranta 1, PL 1627, 70211 Kuopio

Tilaa