Voimakas 8 kW:n laser, missä on neljä kiekkolaseria. Kuva: TRUMPF.

Pumpattu kiekkolaser Tampereelta

Kyseessä ei ole jääkiekko, vaikka Kiekko-Laser on oululainen latkäjoukkue ja Tampereelta tuleva pumpattu kiekkoilija voisi olla Tapparan tai Ilveksen uusi salilla aikaansa viettänyt hyökkääjä. Tämä tarina kertoo sen sijaan Tampereen teknillisen yliopiston uutuudesta: tavasta saada galliumantimonidipohjaisesta laserista erittäin lyhyitä keski-infrapuna-alueella olevia valopulsseja.

Ei, asia ei kuullosta huimalta, mutta se on jälleen eräs arkea helpottava pieni edistysaskel tekniikassa. Sen ansiosta voidaan mm. havaita paremmin hyvin pieniä kaasupitoisuuksia vaikkapa hengitysilmasta ja tämän kaltaisilla lasereilla on lukuisia käyttökohteita esimerkiksi langattomassa optisessa tiedonsiirrossa, lääkeiteteellisessä mikrokirurgiassa sekä LIDAR-laitteistoissa, joilla voidaan kartoittaa laserin avulla kohteita pitkänkin etäisyyden päästä. Rakennustyömailla ja tutkimuksessa käytetään yhä enemmän ja enemmän LIDAR-laitteita.

Kyseessä on diplomi-insinööri Jonna Paajasteen väitöstyö, mikä keksittyi galliumantimonidi-nimisestä puolijohteesta (GaSb) tehtyjen johdepeilien kehittämiseen sekä laserien vahvistinpeileiksi että epälineaarisiksi peileiksi, joilla voidaan saada aikaan tarkasti kontrolloituja laserpulsseja. Työn osana kehitettiin hyvin korkeatehoisia ja laajasti säädeltäviä GaSb-kiekkolasereita, jotka ovat erityisen tärkeitä spektroskopisia sovelluksia ajatellen. Esimerkiksi kaasujen havaitseminen laserin avulla etäisyyden päästä perustuu spektroskopiaan, eli kohteesta takaisin heijastuvan valon allonpituuksien analysointiin.

Kiekkolaserin periaate

Kiekkolaserit ovat toiselta nimeltään aktiivisia peilejä. Nimitys johtuu siitä, että nämä puolijohteista tehdyt peilit heijastavat niistä ulospäin enemmän valoa kuin niihin osuu valoa. Ne siis ikään kuin toimivat laservalon vahvistimina. Verrattuna perinteisiin puolijohdelasereihin kiekkolaserin jäähdytys on suhteellisen helppoa, joten niillä voidaan saada aikaan voimakkaita pulsseja. Toinen hyväksi osoittautunut tapa voimakkaiden lasersäteiden tuottamiseen on valokuitulaser, missä valokuidun lasimateriaalia ryyditetään jollain sopivalla alkuaineella, esimerkiksi erbiumilla, jolloin lasi itsessään saa aikaan laservalon voimistumista. Tämän tekniikan kehittivät vuoden 2008 Millennium-palkintoehdokkaat David Payne, Emmanuel Desurvire ja Randy Giles. Kiekkolaserin keksi vuonna 1990s Adolf Giesenin johtama tutkimusryhmä Stuttgartin yliopistossa.

Kiekkolaserit voivat olla muodoltaan myös muunlaisia kuin pyöreät kiekot. Niillä ei ole myöskään mitään tekemistä laserlevyjen kanssa. Koska kiekkolasereilla voidaan saada suuria tehoja ja ne ovat pienikokoisia, ovat myös sotilaat hyvin kiinnostuneita niistä.

Jonna Paajasteen väitöskirjassa esitetään ensimmäisenä maailmassa saavutettu GaSb-pohjaisen kiekkolaserin ns. muotolukitus ja erittäin lyhyiden pulssien tuottaminen. Muotolukitukseen käytettyjen puolijohdepeilien luonnostaan äärimmäisen nopea palautumisaika antoi kimmokkeen peilien ominaisuuksien tarkemmalle tutkimukselle. Väitöskirjassa epälineaaristen peilien palautumisaikaa on pyritty hallitsemaan valmistusolosuhteiden ja rakenteiden muutoksen kautta. Työssä havaittiin selkeitä eroavaisuuksia jo hyvin tunnettuihin galliumarsenidi- ja indiumfosfidipohjaisiin peileihin verrattuna.

"Tyypillisesti galliumarsenidi- ja indiumfosfidipohjaisten peilien palautumisajat ovat nanosekunnin luokkaa, mikä on liian pitkä aika onnistuneelle muotolukitukselle", kertoo Paajaste. "Palautusmisaikaa voidaan kuitenkin lyhentää muun muassa luomalla rakenteeseen kidevirheitä. GaSb-pohjaisilla peileillä sen sijaan havaittiin luonnostaan nopea pikosekuntien palautumisaika optisesti hyvälaatuisessa materiaalissa".

Tyypillisimmät keski-infrapuna-alueen lasersovellukset liittyvät maanmittaukseen, kaukokartoitukseen, geologiaaan, meteorologiaan, ilmakehäfysiikkaan ja seismologiaan. LIDARit ovat olennaisessa osassa laitteissa, jotka kartoittavat kolmiulotteisesti ympäristöä.

Erityisen hyvin tekniikka toimii erilaisten jäännös- ja kasvihuonekaasujen havainnoinnissa: keski-infrapuna-aallonpituusalueella toimivat optoelektroniikan komponentit ja laserabsorptiospektroskopia mahdollistavat näiden kaasujen herkän ja selektiivisen havainnoinnin, minkä ansiosta jo hyvin pieniä kaasumääriä voidaan analysoida luotettavasti.

Galliumantimonidipohjaiset (GaSb) optisesti pumpatut puolijohdekiekkolaserit soveltuvat hyvin tähän tarkoitukseen niille tyypillisen toiminta-aallonpituuden (2-3,5 mikrometriä) ja leveän toimintakaistan (~150 nanometriä) vuoksi. GaSb-pohjaisilla lasereilla on spektroskopian lisäksi myös lukuisia muita käyttökohteita, muun muassa langaton optinen tiedonsiirto, lääketieteen sovellukset kuten mikrokirurgia sekä optinen havainnointitekniikka LIDAR, jossa kartoitetaan laserin avulla kaukaisia kohteita.

Artikkeli perustuu Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteeseen.

Jonna Paajasteen väitöskirja tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnassa torstaina 28.11.2013 kello 12 alkaen Tietotalon salissa TB104. Vastaväittäjänä toimii tohtori Nils Gerhardt (Rühr-Universität Bochum, Saksa). Väitöskirjan tutkimustyö on suoritettu TTY:n optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa puolijohdeteknologian tutkimusryhmässä. Tällä hetkellä Jonna Paajaste työskentelee tutkijana NEST-laboratoriossa (National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology) Pisassa, Italiassa.

Juttuja samasta aiheesta

Joidenkin vanhimpien juttujen tekstin näyttämisessä on ongelma. Pyrimme saamaan jutut pikaisesti taas normaaleiksi! Pahoittelut!