valo

Uudenlaista optiikkaa: piipilarien muodostama metapinta

Ma, 09/07/2015 - 23:17 By Markus Hotakainen
Metapintalinssi

Litteät linssit ovat olleet Tiedetuubissa esillä aiemminkin, mutta nyt kehitetyssä optiikassa on luovuttu perinteisestä lasistakin. NASAn JPL:ssä (Jet Propulsion Laboratory) ja Caltechissa (California Institute of Technology) on kehitelty lattalinssi, jolla valoa voidaan manipuloida aiemmin hankalina tai peräti mahdottomina pidetyillä tavoilla.

Uudenlainen optiikka perustuu piistä tehtyihin nanopilareihin, jotka muodostavat hunajakennomaisen rakenteen. Tällainen "metapinta" muuttaa sen läpi kulkevan valon suuntaa ja ominaisuuksia.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tarkasteltuna optinen metapinta muistuttaa kaadettua metsää, josta on vain kannot jäljellä. Jokaisen "piikannon" tai pilarin poikkileikkaus on ellipsin muotoinen. Muuttamalla pilarien läpimittaa ja asentoa on mahdollista muokata pinnan läpi kulkevien valoaaltojen vaihetta ja polarisaatiota.

Jos valoaallot ovat samassa vaiheessa, niiden muodostama valonsäde on voimakkaampi. Siihen perustuu esimerkiksi laserin teho. Toisaalta vaiheen muuttaminen vaikuttaa valonsäteen taittumisen määrään ja sitä kautta esimerkiksi kameroissa kuvan tarkentumiseen.

Valon polarisaatio on puolestaan tärkeä tekijä monissa optiikan sovelluksissa, joista tutuimpia ovat aurinkolasit ja 3D-elokuvien katsomiseen tarvittavat lasit.

Lattalinsseillä voidaan myös muokata valonsäteen muotoa. Esimerkiksi puolijohdelaserien synnyttämä lasersäde on poikkileikkaukseltaan yleensä elliptinen, mikä vaikeuttaa sen käyttöä erilaisissa sovelluksissa. Säteen pyöristämiseen on tarvittu kalliita optisia järjestelmiä, mutta uusilla metapintalinsseillä se onnistuu paljon edullisemmin. 

Lattalinsseille löytyy potentiaalisia sovelluskohteita mikroskoopeista näyttöihin ja erilaisista ilmaisimista kameroihin. Optiikan koko ei ole enää rajoittava tekijä, sillä metapinnan muodostaman linssin paksuus on alle sadasosa hiuksen paksuudesta.

"Nykyisin optiset järjestelmät tehdään osa kerrallaan ja ne kootaan usein käsityönä", toteaa tutkimusryhmää johtanut Andrei Faraon

"Kehittämämme uusi tekniikka muistuttaa hyvin paljon puolijohdesirujen tulostamista piikiekoille, joten sillä voidaan valmistaa kerralla miljoonia järjestelmiä esimerkiksi mikroskooppeihin tai kameroihin."

Tutkimusryhmä on aloittanut jo yhteistyön alan teollisuuden kanssa. Tarkoituksena on kehittää metapintoja, joita voidaan käyttää kaupallisissa laitteissa, kuten pienikokoisissa kameroissa. 

Uudenlaisesta optiikasta kerrottiin JPL:n uutissivuilla.

Kuva: Amir Arbabi/Faraon Lab/Caltech

Pluton ohitus lykkääntyy neljällä tunnilla

New Horizons -luotain on juuri ohittanut Pluton noin 12500 kilometrin päästä. Se on yhä lähellä kääpiöplaneettaa ja sen viittä kuuta, mutta etääntyy niistä vauhdilla. Laite jatkaa tutkimuksiaan vielä useiden päivien ajan, ja lähettelee keräämäänsä aineistoa Maahan vielä useita kuukausia.

Toisaalta emme vielä tiedä, tapahtuiko mitään lähiohitusta ollenkaan. Luotain on voinut vaikkapa törmätä pieneen Plutoa kiertävään murikkaan.

Itse asiassa tarkempaa olisi sanoa, ettei koko ohitusta ole vielä edes tapahtunut. Sen hetki on vasta neljän tunnin kuluttua. Enkä tarkoita tässä luotaimen lähettämän aineiston saapumista ihasteltavaksemme (siihen kestää hieman kauemmin). Tarkoitan itse tapahtumaa: sitä ei tosiaankaan ole vielä tapahtunut. Enkä edes saivartele.

Ajan vääntelyä ja aivonystyröiden rapsuttelua

Kyse on informaation kulusta. Kaksi tapahtumaa sattuvat fysiikan perusperiaatteiden mukaan yht'aikaisesti, jos kummastakin lähtenyt nopein mahdollinen signaali - valo - saapuu perille tismalleen samaan aikaan. Tämä toimii myös, vaikkei fotoneja lähtisikään. Kyse on mahdollisista valohiukkasista.

Tässä tapauksessa kyse on sekä meidän itse itsellemme että New Horizonsin meille lähettämistä (tai lähettämättä jättäneistä) fotoneista. Omat fotonimme ovat tietysti varsin triviaaleja, ja ne voi jättää laskuista. Kyse on siitä, milloin Plutosta lähteneet (tai lähtemättä jääneet) fotonit ovat meillä.

Luotaimesta lähtevien (oikeiden tai kuviteltujen) valohiukkasten voi ajatella muodostavan 'samanaikaisuuden tason'. Jos asia tai esine on tason alla, se sattui 'ennen ohitusta'. Juuri nyt olemme yhä tuolla alueella. Huomenna olemme on sen yläpuolella, eli ajassa 'ohituksen jälkeen'. Ja tuo taso ennättää meille vasta 265 minuutin kuluttua uutisoidusta "nyt-se-tapahtuu" -hetkestä. New Horizonsin ja Maan välillä kun on etäisyyttä 4 valotuntia ja 25 valominuuttia. (Halutessaan asiaa voi lisäselvittää itselleen tutustumalla vaikkapa Minkowskin diagrammeihin.)

Miten sitten tiedämme, että ohitus tapahtui? Emmehän me tiedäkään. Me vain oletamme.

Homma on siis jo tapahtunut. Luotaimen kannalta. Nyt vain odotellaan että se tapahtuu.

Mitään ei tietystikään ole tehtävissä vaikka jotain menisi vikaan. Jos laitteen operoijat lähettivät juuri uutisoidulla "lähiohituksen hetkellä" uusia käskyjä luotaimelle, ne saapuvat laitteelle vasta runsaat neljä tuntia ohituksen jälkeen. Jolloin on jo myöhäistä.

Otsikkokuva ei ole lähiohituksen hetkeltä (eihän sellaisia kuvia ole edes vielä otettu). Se on muutamaa tuntia vanhempi, lähteenä NASAn Twitter-tili. Kuva: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

BLOG

Leikkiä valolla

Pe, 10/03/2014 - 18:36 By Toimitus

Nelisensataa vuotta sitten elänyt kuuluisa fyysikko Sir Isaac Newton on tunnettu tarinasta omenan putoamisesta ja siitä, että se – ainakin tarinan mukaan – sai Newtonin keksimään painovoiman. Jo tätä ennen Newton oli ennättänyt kuitenkin tekemään pari pientä mullistusta optiikan alalla: hän rakensi ensimmäisen käyttökelpoisen peilikaukoputken vuonna 1668 ja pohdiskeli, että valkoinen valo koostuu itse asiassa kaikista väreistä. Hän näytti, että prismassa valo hajoaa eri väreiksi, koska eri värit taipuvat lasissa eri tavoilla.

Nyt toinen britti, taiteilija Chris Wood, on ottanut lasinpalaset ja niistä heijastuvat sekä niissä taipuvat valonsäteet ilmaisunsa välineiksi. Tuloksena on kaleidoskooppimaisia, geometrisia värien ja valojen pintoja, joissa optiikan lait hämärtyvät varjoihin ja leikkautuvat vaaleaan pintaan.

Tavallisten lasipintojen lisäksi väri- ja lasitaiteilijaksi itseään nimittävä Wood käyttää puoliläpäiseviä pintoja ja pinnoitettuja laseja, jotka heijastavat vain tiettyjä aallonpituuksia. Toisessa ääripäässä ovat vedellä täytetyt viinilasit, jotka tuottavat myös paljon jännittäviä optisia ilmiöitä.

Lisää kuvia ja taustaa on Chris Woodin nettisivuilla. Sieltä teoksia voi myös ostaa, joskin vastaavanlaisia värien ja valojen leikkejä on helppoa luoda myös itse kotioloissa. Itse tekemällä ne ovat lisäksi hauskempia ja opettavaisempia.

Sissivalaisua Oulussa

Ti, 10/15/2013 - 15:44 By Toimitus

Marraskuun lopussa Oulussa osana kaupungin valofestivaalia järjestetään sissivalaisutempauksia. Ensimmäiset sissivalaisutapahtumat Suomessa olivat Jyväskylässä ja Helsingissä vuonna 2008, ja useamman kotimaisen tapahtuman jälkeen nyt valosissit suuntaavat Ouluu 22.11. ja Oulunsaloon 23.11. Yllä olevassa kuvassa ovat valosissit toimessa Salossa vuonna 2011.

”Sissivalaisu on sotaa huonoa valaistusta ja turhaa valon käyttöä vastaan", sanoo Oulun yliopiston arkkitehtuurin osaston yliopisto-opettaja Henrika Pihlajaniemi. "Ennen kaikkea se on luova tapa lisätä tietoisuutta valosta ja valon käytöstä. Tarkoituksenamme on tuoda esille valon ja valaistussuunnittelun merkitystä ja saada asukkaat kiinnostumaan omasta ympäristöstään".

Guerrilla- eli sissivalaisu on toimintatapa, jonka on kehittänyt Social Light Movement -liike. Oulussa yliopiston lisäksi sitä on edistämässä Oulun kaupunki.

Oulun yliopiston arkkitehtuurin osasto on tutkinut kaupunkivalaistuksen kehittämistä Valosta vetovoimaa -hankkeessaan. Tänä syksynä järjestettiin myös valaistusaiheinen ideakilpailu arkkitehtuurin opiskelijoille yhteistyössä uuden Oulun juhlavuoden kanssa. Tuomaristossa oli mukana englantilainen Sharon Stammers Social Light Movement -liikkeestä.

Kilpailun tavoitteena oli parantaa uudella valaistuksella ja valotaideteoksilla Oulun pimeän ajan ilmettä ja pohtia valon käyttöä osana kaupunkikuvaa. Palkittuja kilpailuehdotuksia toteutetaan Valoa Oulu -festivaaleissa marraskuussa ja ehdotuksista järjestetään Oulun paikalliskeskuksia kiertävä näyttely.

Ideakilpailuun osallistui 11 ehdotusta, joista parhaana palkittiin Juha Nissisen teos ”Starry Night”. Voittajatyötä pidettiin runollisena ehdotuksena palauttaa tähtitaivas Oulun Hupisaarille. Kaikkiaan kilpailu nosti esille monia Oulun valaistuksessa pohdittavia asioita, joihin halutaan jatkossa kiinnittää huomiota.

”Valolla korostettavia oululaisia asioita ja kohteita olivat kilpailutöissä vesi ja tuuli, pohjoinen tähtitaivas, pitkä talvi ja puuttuva aurinko, kalastaminen ja lohien vaellus, teatteri ja kirjasto”, kuvaa Henrika Pihlajaniemi.

Tule mukaan valosissiksi!

Jokainen sissivalaisutapahtuma noudattaa Social Light Movementin guerrilla-tapahtumien muotoa ja tapahtumat myös dokumentoidaan huolellisesti "ennen" ja "jälkeen" kuvin. Kuvat julkaistaan heti tapahtuman jälkeen näillä nettisivuilla.

Hankkeen järjestäjät toivottavatkin kaikki tervetulleiksi mukaan seuramaan ja kuvaamaan sissivalaisuiskuja. Lähtöpaikat ja –ajat ovat:

  • Oulu: perjantaina 22.11. klo 20.15, lähtö Piispantalon kulmalta, Rantakatu 1.
  • Oulunsalo: lauantaina 23.11. klo 18.15, lähtö kirkon edustalta, Jääsköntie 8.

    Kaikki halukkaat pääsevät myös mukaan valosisseiksi: mukaan voi ilmoittautua täällä.

    Social Light Movementin perustajista kaksi, Sharon Stammers ja Martin Lupton, tulevat Ouluun opastamaan arkkitehtiopiskelijoita, suunnittelemaan yhdessä kohteita ja suunnitelmia ja marraskuussa vetämään sissivalaisuiskut läpi.

  • Värikkäitä varjoja

    Ti, 01/22/2013 - 19:02 By Markus Hotakainen

    Valon ja varjon vaihtelu helpottaa ympäröivän maailman hahmottamista – tai oikeastaan tekee sen ylipäätään mahdolliseksi. Jos katselee vaikkapa korkealta kukkulalta notkelmassa kasvavaa tiheää metsää siten, että aurinko paistaa suoraan selän takaa, puustosta on vaikea erottaa yksityiskohtia: tummat varjot jäävät auringon valaisemien puiden taakse piiloon. Varjot ovat tosiaan aina tummia, mutta ne eivät aina ole samanvärisiä.

    Jos kävelee kuutamoiltana lumisella tiellä, jota valaisevat harvakseltaan sijaitsevat katulamput, lankeaa maahan kaksi varjoa. Toinen niistä on kellertävä ja toinen sinertävä. Värieron syynä on se, että Kuun valon langettamaa varjoa valaisee keltainen katulamppu. Katuvalojen luomia varjoja puolestaan valaisee Kuusta heijastunut auringonvalo. Se ei ole sinistä vaan valkoista, mutta silmä tulkitsee kontrastin takia näkemänsä sinertäväksi, ja maassa näkyy kaksi selvästi eriväristä varjoa.

    Päiväsaikaan auringon synnyttämät varjot sen sijaan ovat todellisuudessakin sinisiä. Mistä niitä valaisevat vähäisempi valo on peräisin? Siniseltä taivaalta. Kun auringosta tuleva valkoinen, kaikista eri väreistä koostuva valo etenee Maan ilmakehässä, sinisen valon kulkusuunta muuttuu eniten, punaisen vähiten. Sinistä valoa leviää ympäri taivasta ja siksi sinitaivas on todellakin sininen. Samasta syystä nouseva ja laskeva aurinko on punainen: suuri osa sinisestä valosta on sironnut taivaalle.

    Aurinkoisena päivänä varjot eivät välttämättä näytä sinisiltä, sillä valon ja varjon kirkkausero on niin suuri, että silmä ei erota sinistä väriä. Sinisten varjojen näkeminen on helpompaa lumen peittämässä talvimaisemassa ja erityisesti auringon ollessa matalalla – mikä Suomessa on sydäntalven päivinä vallitseva tilanne. Paitsi että yleensä aurinko on pilvien takana…

    Jos aurinko kuitenkin sattuu paistamaan matalalta talviselta taivaalta, valo lankeaa maanpintaan hyvin viistossa kulmassa. Silloin lumi ei hohda yhtä kirkkaasti kuin keskellä aurinkoista kevättalven päivää. Matalalla olevan auringon valon väri on lisäksi hieman punertunutta, mikä entisestään lisää valon ja varjon kontrastia. Kun silloin tarkastelee hangen pinnalle heittyviä pitkiä varjoja, ne ovat voimakkaan sinisiä, lähes yhtä sinisiä kuin yllä kaartuva sininen taivas.

    Fotoneita virtuaalihiukkasista

    Ti, 02/21/2012 - 19:10 By Toimitus

    Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat onnistuivat luomaan tyhjön kohinan virtuaalihiukkasista todellisia hiukkasia, kokeellisesti havaittavissa olevia fotoneita. Tyhjöllä näyttää olevan ominaisuuksia, joita ei ole aiemmin havaittu.

    Kvanttimekaniikan lakien mukaisesti tyhjiö on kaikkea muuta kuin tyhjä: siellä on eräänlaista kohinaa, joka voidaan tulkita kvanttimekaniikan epätarkkuusperiaatteen mukaisesti energiaksi. Tässä tyhjiön kohinassa on hetkessä syntyvien ja kuolevien hiukkasten virtuaalisia pareja, jotka voidaan muuttaa havaittaviksi valohiukkasiksi.

    PNAS-tiedelehdessä juuri julkaistussa artikkelissa Aallon ja VTT:n tutkijat kuvataan, miten hiukkaset saavaan ilmestymään tyhjästä peilikokeen avulla. Muuttamalla tyhjiössä olevan peilin paikkaa nopeasti, virtuaalihiukkaset saadaan muutettua todellisiksi, kokeellisesti havaittaviksi fotoneiksi.

    "Jos toimimme riittävän nopeasti, voimme estää virtuaalihiukkasia yhdistymästä. Tällöin ne muuttuvat todellisiksi hiukkasiksi, jotka voidaan havaita", sanoo tohtori Sorin Paraoanu Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulusta.

    Kokeessa tutkijat käyttivät suprajohtavien kvantti-interferenssilaitteiden (SQUID) ketjua. Nämä osat muistuttavat aivojen pienten magneettikenttien kuvantamiseen käytettäviä laitteita. Muuttamalla niiden läpi kulkevaa magneettikenttää, voidaan laitteen läpi kulkevan valon nopeutta muuttaa. Tyhjiön sähkömagneettisen kentän näkökulmasta katsottuna tällaisesta laitteesta heijastuva säteily näkee liikkuvan peilin.

    "Vaihtelemalla nopeasti ketjun valon nopeutta voimme synnyttää mikroaaltofotoneja tyhjiön kvanttikohinasta", selittää tohtorikoulutettava Pasi Lähteenmäki.

    Kvanttifysiikan ja -mekaniikan tutkimuksen tulevia kehitysnäkymiä ovat muun muassa keinotekoisen tapahtumahorisontin tuottaminen ja siitä lähtevän Hawkingin säteilyn havaitseminen suprajohtavissa piireissä. Nyt tehty havainto auttaa kosmologeja pääsemään hieman lähemmäs maailmankaikkeuden synnyn saloja ja edistää äärimmäisen tehokkaiden kvanttitietokoneiden kehittämistä.

    Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

    Tagit