Pumpattu kiekkolaser Tampereelta

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.