Veijo Hänninen
Monipuoliset laserit
Laser on näppärä apuväline moneen tarkoitukseen. Sitä käytetään muun muassa materiaalien lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen. Sitä voi käyttää myös monenlaisissa mittauksissa ja analysoinneissa ja se on oiva väline myös tietoliikenteen parissa.
Periaatteessa jopa ilma voi toimia laserina. Normaali laseri sihdattuna ilmakehään, pumppulaserilla avustettuna voi potentiaalisesti stimuloida ilmaa laseroitumaan.
Tällaiselle voisi olla monenlaisia sovelluksia. Käytetyt valon aallonpituudet antaisivat tietoa ilmassa olevista molekyyleistä ja kyky analysoida ilman kemiallinen koostumus olisi omiaan etsittäessä jälkiä räjähteistä lentoasemalla tai tunnistamaan epäpuhtauksia ympäristötutkimuksissa.
Atomilaserissa puolestaan miljoonat yksittäiset atomit etenevät avaruudessa kuten fotonit etenevät koherentissa fotonien lasersäteessä.
Atomilaserit ovat vielä tutkimuksen alkuvaiheissa mutta tutkijat Kreikasta ja Singaporesta ovat osoittaneet uudenlaisen, aiempia saavutuksia seitsemän kertaa kirkkaamman atomilaserin.
Viruksen kokoisia lasereita
Keväällä 2012 Northwestern Universityssä toiminut tutkimusryhmä oli löytänyt tavan valmistaa laserlaitteita, joiden koko on viruspartikkelin luokkaa ja jotka toimivat huoneen lämpötilassa.
Tutkijoiden mukaan nämä plasmoniset nanolaserit voidaan helposti integroida piipohjaisiin fotoniikkalaitteisiin, täysoptisiin piireihin ja nanomittakaavan bioantureihin.
Tutkijat saattoivat valmistaa diffraktiota pienemmän nanolaserin rakentamalla laseroinnin ontelon metallisista nanohiukkasrakenteista, joilla on kolmiulotteinen "rusettimainen" muoto.
Tällaiset kullasta valmistetut nanorakenteet tukevat paikallisia pintaplasmoneja eli kollektiivista elektronioskillaatiota, jolla ei periaatteessa ole koon rajoituksia valon rajaamisen suhteen.
Todella monitaajuista laservaloa
Laser tunnetaan siitä, että se tuottaa hyvin yhtenäisen väristä eli aallonpituista valoa.
Keväällä 2012 Kalifornian yliopiston (UCSB) fyysikot kertoivat tuottaneensa monitaajuista laservaloa erikoisella tavalla. Tavallisesti laservaloja voidaan sekoittaa kuten taajuuksia ja näin saadaan yksi tai kaksi uutta taajuutta mutta UCSB:n kehittämällä menetelmällä saatiin aikaan jopa 11 eri taajuutta.
Reaalimaailman sovelluksia ajatellen saavutuksella voisi olla potentiaalia tiedonsiirron parissa. Yksi mahdollinen sovellus liittyy kanavointiin ja toinen optiseen modulaatioon.
Käytännön sovellukset ovat vielä kaukana, sillä tempun toteuttamiseen tarvitaan vapaaelektronilaseria, joka on rakennuksen kokoinen laboratoriolaitteisto.
Teoreettisesti vapaaelektronilaserin sijaan voitaisiin käyttää transistoria tuottamaan vahvoja terahertsien säteilykenttiä joilla moduloida lähi-infrapunan sädettä.
Viritettävä kvanttipistelaseri
Vapaaelektronilaserit ovat laajasti viritettäviä lasereita. Niissä voidaan laseroida elektroneja alkaen mikroaalloista aina röntgensäteiden aallonpituuksille asti.
Käytännöllisempien lasereiden aallonpituuksien virittely vaatii ihan omat konstinsa.
Esimerkiksi japanilaisten Tohoku Universityn ja National Institute of Information and Communications Technologyn (NICT) tutkijat kertoivat kesällä 2015 kehittäneensä ultrakompaktin viritettävän heterogeenisen laserdiodin.
Nykyiset optiset siirtoverkot perustuvat WDM-järjestelmiin, joissa on tiheä taajuuskanavajako. Taajuudet kaistoilla 1530- 1565 nm ovat jo täyttymässä mutta hyödyntämätön taajuusresurssi on miltei käyttämättömänä lähi-infrapunan aallonpituuksilla 1000 - 1300 nm.
Tämä aallonpituudeltaan viritettävä laserdiodi perustuu osittain kvanttipisteiden tekniikkaan, joilla on suuri optinen vahvistus juuri tällä aallonpituusalueella. Piifotoniikka tarjoaa puolestaan lupaavan alustan pitkälle integroiduille fotoniikan laitteille.
Japanilaisten kehittämän laserin keskitaajuus on 1250 nm ja taajuusviritys-alue 8,8 terahertsiä, joka on maailmanennätys luokassaan. Tällainen 44 nanometrin säätöalue kattaa sopivasti optisen liikenteen niin kutsutun L-kaistan.
Pienen tehonkulutuksen polaritoni-laser
Vuonna 2014 Michiganin yliopiston tutkijat esittelivät käytännöllisen ja mahdollisesti tehokkaan tavan tehdä koherentti laserin tapainen valonsäde.
He toteuttivat polaritonilaserin, jota syötetään sähkövirralla. Saavutus voisi vauhdittaa ”lasereiden” sijoittamista mikropiireille korvaamaan lankajohteita.
Tällaisten laitteiden ennustetaan olevan energiatehokkaampia kuin perinteiset laserit. Uusi prototyyppi vaati 250 kertaa vähemmän sähkötehoa kuin samasta materiaalista valmistettu tavanomainen vastineensa.
Teknisesti järjestelmä ei ole laser vaan se perustuu uudelle periaatteelle. Polaritonilaserit eivät stimuloi säteilyemissiota vaan polaritonien sirontaa. Ne eivät ole riippuvaisia populaatioinversiosta, joten ne eivät tarvitse paljoakaan käynnistymisenergiaa virittääkseen ja pudottaakseen elektroneja.
Polaritoni on yhdistelmä fotonia ja eksitonia, jotka fuusioituvat valohiukkasten kanssa oikeissa olosuhteissa, jolloin muodostuu polaritoneja. Ne sitten heijastuvat järjestelmässä kunnes pysähtyvät alimmalle energiantasolle, jossa ne hajoavat ja vapauttavat yksivärisen valonsäteen.
Polaritonilasereille löytyy käyttöä samoilla alueilla kuin lasereille nykyään, kuten optisen viestinnän alalla ja lääketieteen alalla leikkauksissa.
Spiraalinen lasersäde luo kvanttipyörteitä
Australian National Universityn (ANU) fyysikot toteuttivat vuonna 2014 kierteisen lasersäteen ja ovat käyttäneet sitä luomaan hybridejä valo-aine hiukkasten pyörteitä, eli polaritoneja.
Kyky hallita polaritonien virtaa tällä tavalla voisi tukea täysin uuden teknologian kehitystä joka yhdistää perinteisen elektroniikan uudenlaisiin laser- ja kuitupohjaisiin tekniikoihin.
Tutkijaryhmä loi kierresäteen laittamalla laserinsa messinkipalan läpi, jossa on spiraalinen aukkomuodostelma. Edelleen säde suunnattiin alumiini-gallium-arsenidi puolijohteen mikrokaviteettiin.
Tutkijoiden mukaan kyseessä on ikkuna kvanttimaailmaan ja niitä voisi käyttää myös kvantti-informaation kantajina. Polaritonisia pyörteitä voidaan käyttää erittäin herkkinä sähkömagneettisten kenttien ilmaisimina, samanlaisia kuin SQUIDSit (Superconducting QUantum Interference Devices).
Mikropiireille sopivia lasereita
Alkuvuodesta 2015 tutkimuskeskus Jülichin ja Paul Scherrer Instituten tutkijat kertoivat kehittäneensä ensimmäinen puolijohdelaserin, joka koostuu yksinomaan pääryhmän IV alkuaineista.
Kehitetty germanium-tina (GeSn) -perustainen laser voidaan valmistaa suoraan piisirulle jolloin syntyy uusi perusta siirtää dataa mikropiireillä valon avulla tai toteuttaa kuluttajahintaisia laseriin perustuvia anturijärjestelmiä.
Toistaiseksi toiminta on rajoitettu vain -183 asteen lämpötilaan ja koelaitetta viritettiin optisesti mutta tavoitteena on luoda sähköisesti pumpattava laser, joka toimii huoneenlämmössä.
Singaporelaisen A*STAR:in tutkijat ovat kehittäneet reaalisemman piisirulle jo valmistusvaiheessa integroitavan huonelämpötilassa toimivan laserin. Nykyään fotoniikkapiireihin tarvittavat laserit valmistetaan erikseen ja liitetään sitten jälkikäteen piisiruille.
Tutkijat valmistivat laserinsa yhdistelmästä piitä ja puolijohteita, jotka sisältävät kolmannen ja viidennen sarakkeen alkuaineita (III-V piilaserit).
University of Washingtonin ja Stanfordin yliopiston tutkijat ovat yhdessä rakentaneet nanolaserin, jonka vahvistuksen ja valon tuottavana materiaalina on käytetty wolframi-diseleeniä (WSe2).
Sitä on helppo käsitellä ja säteilee valoa tehokkaasti ja sekin on yhteensopiva nykyiselle elektroniikalle.
Useampikin tutkimuslaitos on esitellyt puolijohteisesta nanolangasta valmistettuja lasereita, joita voidaan kasvattaa piille.
Infrapunan tutkaimet
Lähes kaikki kemikaalit, mukaan lukien räjähteet ja teollisuusjätteet, absorboivat voimakkaasti valoa keski-infrapunan aallonpituusalueella. Tätä aluetta kutsutaankin usein kemikaalien "sormenjälkien alueeksi".
Mutta tällä alueella toimivilla lasereilla on rajoituksia. Suuremmat, optisesti pumpatut laserit ovat liian monimutkaisia käyttää kentällä mutta kompakteilla ja kevyellä diodilasereilla on taas rajallinen spektrialue.
Northwestern yliopiston Center for Quantum Devices on käyttänyt muun muassa kvanttimekaanista suunnittelua luodessaan laserdiodin, jossa on integroitu useita aallonpituuden emittereitä yhteen laitteeseen.
Se kykenee emittoimaan laajakaistaisia aallonpituuksia tarpeen mukaan ja toimii huonelämmössä. Se voi säteillä valoa taajuuksilla +/- 30 prosenttia laserin keskitaajuudesta.
Rakenteesta voi valita käyttöönsä minkä tahansa sensorisovelluksille ihanteellisen taajuuden aallonpituusalueelta 5,9 - 10,9 mikrometriä.
Laveaa laserkuitua
Tanskan teknillinen yliopiston (DTU) tiedemiehet ovat kehittäneet optisen kuidun, joka voi siirtää infrapuna-valoa, jolla on korkeampi aallonpituus kuin aikaisemmin oli mahdollista.
Uusi tekniikka on erittäin jatkuva (super-continuum) laservalolähde joka kattaa ennätysmäisen 1,4 - 13,3 mikrometrin aallonpituusalueen.
Nykyiset tähän tarkoitukseen käytettävä valonlähteet ovat heikkoja ja säteilevät ulos valoa kaikkiin suuntiin, mikä tekee säteilyn vähemmän keskittyneeksi ja heikommaksi.
Tästä syystä elintarviketeollisuus, sairaalat, ja useat muut teollisuuden alat ovat jo pitkään kaivanneet tehokkaampaa infrapunavaloa emittoivaa valokuitulaseria.
Uudella tekniikan avulla infrapunavalo voi esimerkiksi mennä syvemmälle orgaaniseen materiaaliin kuin aikaisemmin oli mahdollista.
Nestemäinen nanolaser
Northwestern Universityn tutkijat ovat kehittäneet varsin erikoisen eli nestettä laseroivana väliaineena käyttävän nanomittakaavan plasmonilaserin.
Mikrokanavassa virtaavan nesteen ansiosta se on viritettävissä niin nopeasti kuin neste vaihtuu. Näin erikoinen ominaisuus voi olla hyödyllinen esimerkiksi lääketieteen "lab chip" -diagnostiikan sovelluksissa.
Plasmoni-ilmiöön perustuvat laserit mahdollistavat rakennekoot, jotka ovat diffraktiorajan alapuolella ja tuottavat siten erittäin hyvän dynamiikan.
Plasmonlasereita on demonstroitu eri spektrialueilla, ultravioletista lähi-infrapunaan. Kuitenkaan kiinteitä vahvistusmateriaaleja käyttävien rakenteiden spektrialuetta ei valmistuksen jälkeen muuteta.
Tutkijat toteuttivat kiinteällä ontelorakenteella mutta nestettä vaihtamalla laserointia aallonpituuksilla välillä 860 - 910 nanometriä. Tutkijoiden mukaan tällainen laitteisto on jopa helpommin valmistettavissa kuin muunlaiset nanolaserit.
Terahertsitaajuuksilla tutkiminen
Terahertsien aallot olisivat erittäin hyödyllisiä tutkimuskäytössä sillä ne tunkeutuvat moniin materiaaleihin, jotka eivät läpäise näkyvää valoa ja sopivat havaitsemaan myös erilaisia molekyylejä.
Mutta riittävän tehokkaiden terahertsilähteiden puute jarruttaa kehitystä. Terahertsitaajuuksien säteilyä voidaan tuottaa muun muassa kvanttikaskadisilla lasereilla. Ne koostuvat räätälöityjen puolijohdekerroksien ketjutetuista rakenteista.
Wienin teknillisen yliopiston (TU Wien) tutkijaryhmä saavutti tällaiselle laitteelle vuonna 2013 yhden watin ennätystason. Se on saavutettu liittämällä kaksi symmetristä kvanttikaskadilaseria yhteen, jolloin onnistuttiin nelinkertaistamaan laservalon intensiteetti.
Kemiallisen ilmaisun lisäksi terahertsien säteilyä voidaan käyttää tarkkaan lääketieteellisen kuvantamiseen ja koska se ei ole ionisoivaa säteilyä, sen energian ollessa huomattavasti pienempi kuin x-ray säteilyn, joten se ei ole vaarallista.
Valkoinen laser
Sitten laserien keksimisen niitä käytetään monissa sovelluksissa, mutta kukaan ei ole kyennyt luomaan laseria, jonka säde on valkoista valoa.
Arizona State Universityn tutkijat kertoivat äskettäin osoittaneensa, että puolijohdelaser pystyy emittoimaan yli koko näkyvän värin spektrin, joka on välttämätöntä kehitettäessä valkoinen laser.
Tutkijat ovat luoneet tekniikkansa nanoarkeista, joissa on kolme rinnakkaista segmenttiä, joista kukin tukee lasertoimintaa yhdellä kolmesta alkeisvärillä. Laiterakenne pystyy laseroimaan mitä tahansa näkyvää väriä, ja kun koko kenttä kerätään, syntyy valkoinen väri.
Professori Cun-Zheng Ningin johdolla tehty kehitystyö tuo laserit askeleen lähemmäksi valtavirran valonlähteitä ja mahdollisesti korvaten tai luoden vaihtoehdon valoledeille.
Laserit ovat ledejä kirkkaampia ja energiatehokkaampia ja voivat potentiaalisesti tarjota tarkempia ja kirkkaampia värejä näyttöihin. Ningin ryhmä on jo osoittanut, että heidän rakenteet voisivat kattaa jopa 70 prosenttia enemmän värejä kuin nykyiset näyttöratkaisut.
Jo aiemmin on tuotettu ihmissilmän kokemaa valkoista valoa neljästä erillisestä laserista mutta tämä tutkimusryhmä otti haasteekseen tuottaa se yhdestä lähteestä.
Suurin haaste tässä työssä liittyi puolijohdemateriaalin käsittelyyn ja muutenkin kyseessä on vasta todiste konseptin toimivuudesta ja seuraava vaihe on saavuttaa sen toiminta jänniteohjattuna. Demossa valkoinen laseri saatiin toimimaan elektronien pumppauksella.
Tiedettä ja tehoa
Tieteellisellä tasolla laserin mahdollisuuksia tutkitaan muun muassa erittäin edullisiin OLED-tekniikoihin liittyen. Toisaalta huipputieteen tasolla lasereille tavoitellaan attosekuntien pituisia valopulsseja, jolloin päästäisiin kuvaamaan kemiallisissa prosesseissa liikkuvia elektroneja.
Sähköisesti pumpatut laserit perustuvat diodiin ja keveimmillään niitä käytetään monissa kuluttajalaitteissa. Teollisuudessa on puolestaan leikkaus- ja hitsauskäytössä jopa kymmenien kilowattien tehoisia diodilasereita.
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) on tuottanut huipputeholtaan 3,2 megawattisen laserdiodien ryhmän. Se on keskeinen osa High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser Systemiä (HAPLS), joka otetaan käyttöön Euroopan unionin tieteelliseen Extreme Light Infrastructure (ELI) Beamlines -tutkimuslaitokseen, joka on rakenteilla Tšekissä ja käynnistyy vuonna 2017.
Puolijohteiden käyttö on jo varsin laajaa yhä tehokkaampien lasereiden parissa. Yhdysvaltain laivasto kertoo testanneensa laseraseitaan Persian operaation aikana. Kokeiltu tekniikka perustuu kiinteän kemikaalien (SSL) lasereihin, joiden valolähteenä käytetään valoa emittoivia diodeja.
Kolmiulotteista kartoitusta mikromitoilla
Viime vuosikymmeninä tutkatekniikkaa on mullistanut elektronisesti vaiheistetut antennityhmät, jotka lähettävät radioaaltoja tiettyyn suuntaan ilman mekaanista liikettä.
RF-aaltojen tapaan samanlaista tekniikkaa voidaan käyttää myös lasereilla. Tällainen LADAR-järjestelmä tarjoaa tarkemmalla tasolla tietoja, joita voidaan käyttää esimerkiksi nopeassa 3-D kartoituksessa.
DARPA:n tutkijat ovat saaneet aikaan mikrosirulle sopivan laserien vaiheryhmän, joka mitat ovat vain 576 x 576 mikrometriä ja sisältäen silti 4096 (64 x 64) nanoantennia.
Tällaisella sirulla voi olla sovelluksia biolääketieteen kuvantamisen, 3D holografianäyttöjen ja ultranopen viestinnän parissa.
Laserointia kuiskausten galleriasta
Berkeley Labin tutkijat ovat upottaneet yksikerroksista volframidisulfidia erityiseen mikrolevyiseen resonaattoriin saavuttaen kirkkaan eksitonisen laseroinnin näkyvän valon aallonpituuksilla.
Tutkijoiden mukaan havainto laadukkaasta eksitonisesta laseroinnista yhden molekyylikerroksen volframidisulfidissa on merkittävä askel kohti kaksiulotteista on-chip optoelektroniikkaa.
Aiemmassa tutkimuksessa sama tutkijaryhmä kehitti kuiskausten gallerian mikrokaivantoja plasmoneja varten. Uudessa työssä ryhmä pystyi mukauttamaan mikrokaivantojensa teknologian plasmoneilta eksitoni-virityksille yksittäisen molekyylikerroksen sisällä.
Fotoniikan ja optoelektroniikan sovelluksien lisäksi, tällä eksitonisella eli elektroneihin ja aukkoihin tukeutuvalla lasertekniikalla on myös potentiaalia ”valleytroniikan” sovelluksiin.
Kehitetty tekniikka voi myös tarjota tien helposti viritettävälle ympäripolarisoituneille lasereille. Sellaisille olisi kysyntää alkaen kolmiulotteisista näytöistä tehokkaisiin spinlähteisiin spintroniikalle ja informaation kantajille kvanttilaskentaan.
Spaseri hiilen avulla
Australialaisella Monash yliopistolla on mallinnettu maailman ensimmäinen spaser (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation), joka tehtiin kokonaan hiilestä.
Spaser on oikeastaan nanomittakaavan laser. Se emittoi valonsäteen vapaiden elektronien värähtelyjen kautta, eikä tilaa vievän sähkömagneettisen aallon emission kautta kuten perinteinen laser.
Tutkijoiden mukaan hiileen perustuva spaser-suunnitelma tarjoaisi monia etuja. Aiemmat spaserit on tehty kullan tai hopean nanohiukkasista ja puolijohde kvanttipisteistä kun taas Monashin laite koostui grafeenisesta resonaattorista ja hiilinanoputkisesta vahvistinelementistä.
Hiilen käyttö tarkoittaa, että spaser olisi vakaampi, joustava ja toimisi korkeissa lämpötiloissa.
Esitelty tutkimus osoitti myös ensimmäistä kertaa, että grafeeni ja hiilinanoputket voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään ja siirtää energiaa toisiinsa valon kautta.
Kvantti-ilmiöitä piisiruille
Kun tietoliikenneverkot ovat saavuttamassa nykyisen teknologian fyysiset rajat. Jotta niistä päästäisiin yli, on ryhdyttävä hyödyntämään valon kvanttiominaisuuksia.
Kanadalaisen INRS (Institut national de la recherche scientifique) yliopiston Roberto Morandotti ryhmineen tasoittaa tietä tällaiselle teknologiselle vallankumoukselle poistamalla kvanttifotoniikan teknisiä esteitä kehittämiensä optisten sirujen avulla.
Dr. Morandottin tiimi on suunnitellut vakaan ultranopean laserin, joka perustuu integroituun mikrorengas resonaattoriin. Kehitetty kokeellinen laite tuottaa fotoniparin, jolla on suorakulmainen polarisaatio ja samalla se poistaa fotonit, joilla on haitallisia taajuuksia.
Laitteen avulla voidaan muodostaa monenlaisia monimutkaisia kvanttitiloja, joilla on sitten mahdollisuus tarjota merkittäviä etuja optiseen viestintään ja sovelluksille, kuten signaalinkäsittely ja spektroskopia.
Joulukuu 2015