Laserilla kohti tähtiä

Markus Hotakainen

Tähtienvälinen lento naapuritähti Alfa Centauriin 20 vuodessa kuulostaa juuri sellaiselta huuhaalta, johon tutkijat eivät halua nimeään missään tapauksessa liitettävän. Silti Kalifornian Santa Barbaran yliopiston fysiikan professori Philip Lubin pitää ajatusta täysin mahdollisena.

Kun aluksen energianlähteeksi otetaan vielä valo, ei välttämättä uskoisi, että ideaa koskeva tutkimus saa rahoitusta Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinnolta NASAlta.

Lubin johtaa "kokeellisen kosmologian ryhmää", joka on mukana useissa maailmankaikkeuden varhaisia kehitysvaiheita tutkivissa hankkeissa. Laserkäyttöisen tähtialuksen toteuttamista selvittelevä hanke on yksi NASAn viidestätoista Innovative Advanced Concepts -projekteista. 

Tavoitteena on tukea "innovatiivisia ja edistyksellisiä ideoita" siten, että tieteiskuvitelmilta kuulostavat ajatukset saataisiin muutettua tieteelliseksi tutkimukseksi kehittämällä uraauurtavaa tekniikkaa.

Lubinin vetämä projekti, Directed Energy Propulsion for Interstellar exploratioN (DEEP-IN) eli kankeasti käännettynä ”suunnatun energian käyttö työntövoimana tähtienvälisessä tutkimuksessa”, perustuu tieteiskirjallisuudesta tuttuun ideaan.

Maata kiertävällä radalla on voimakas "lasertykki", jonka säde suunnataan ultrakevyeen, aurinkopurjeella varustettuun luotaimeen. Säteilypaine vauhdittaa alusta niin, että sen nopeus kasvaa kaiken aikaa. 

Ennen pitkää vauhtia on niin paljon, että Einsteinin suhteellisuusteoria tulee apuun. Aika hidastuu ja matka taittuu luotaimen näkökulmasta nopeammin kuin Maasta katsottuna.

NASAn rahoituksen turvin ei sentään olla vielä matkaamassa tähtiin, vaan tarkoituksena on kehittää tekniikkaa, jota tähtienvälisen luotaimen lähettämiseksi tarvittaisiin. Avaruuteen sijoitetuilla suurteholasereilla olisi kuitenkin myös muuta käyttöä: sellaisia on kaavailtu planetaariseksi puolustusjärjestelmäksi.

Samaan tapaan kuin laser voisi vauhdittaa kauas matkaavia luotaimia, sillä voitaisiin muuttaa Maata kohti tulevien asteroidien tai komeettojen ratoja. Sekin on vielä tieteiskuvitelmaa, mutta kosminen uhka on silti todellinen.

Tutkimuksesta kerrottiin Kalifornian Santa Barbaran yliopiston The Current -verkkolehdessä.

Kuva: Adrian Mann

Tuulisatelliitti saa teleskooppinsa

ESAn valmistumassa oleva Aeolus-satelliitti on aiheuttanut tavallista enemmän päänvaivaa: sen tehtävänä on mitata maapallon tuulia ja kartoittaa ilmassa olevia pilviä sekä aerosoleja aivan uudentyyppisellä laserkeilaimella, mutta sen tekeminen on osoittautunut varsin hankalaksi.

Satelliitin keskeinen osa on ultraviolettialueella toimiva kaukoputki, nimeltään Aladin, ja sen tärkein osa on Suomessa tarkasti oikeaan muotoonsa hiottu 1,5 metriä halkaisijaltaan oleva peili.

Peili, kuten monet osat satelliitista ovat olleet tekeillä jo pitkään, mutta nyt Aeolus on valmistumassa. Avaruuteen se pääsee näillä näkymin ensi vuonna.

ESA
esablog
Aeolus
Opteon
laser
aerosolit
blog

Pumpattu kiekkolaser Tampereelta

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

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.

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.

Laserilla voi kirjoittaa nesteeseen

Kuvakaappaus alla olevalta videolta
Toimitus

Laserilla on voitu jo pitkään piirtää kiiteälle pinnalle, ja mikäli laseria on käännetty hyvin tehokkaaksi, voidaan valolla myös leikata ja muovata kiinteitä kappaleita. Laser-piirtämisessä olennaista on ollut valoherkkä pinta, mitä sopivasti laserilla valottamalla pystytään tekemään monimutkaisiakin kuvioita esimerkiksi muovipinnalle.

Nyt piirtäminen onnistuu myös nesteeseen – kiitos Helsingin yliopiston kemian laitoksen tutkijoiden, jotka ovat keksineet tavan tehdä kuvioita alkoholipohjaiseen nesteeseen laservalon avulla.

Tällä on runsaasti sovelluskohteita mm. optiikan ja elektroniikan uusia materiaaleja kehitettäessä. Modernissa materiaalitieteessä etenkin optoelektroniikan materiaalit, biomateriaalit, älykkäät polymeerit ja niistä tehdyt pinnoitteet ovat hyvin kiinnostavia tutkimusalueita, koska niiden merkitys etenkin elektroniikka- ja sähkölaitteiden valmistuksessa on hyvin suuri.

Helsingin yliopiston kemian laitoksella valmistettiin valokemiallisesti aktiivisia polymeerejä, jotka voitiin liuottaa veteen tai esimerkiksi alkoholeihin. Valo sai aikaan sen, että polymeeri liukeni ja samea neste kirkastui. Näin piirretty kuva erottui useiden tuntien ajaksi, muun muassa nesteen väkevyydestä riippuen.

Valoon reagoivan ja nesteeseen liukenevan uuden polymeerin valmisti tohtorikoulutettava Szymon Wiktorowicz polymeerikemian laboratoriosta, jossa toimii Funktionaalisten materiaalien huippututkimusyksikkö.

Tutkimuksessa osoitettiin laserilla sakeaan nesteeseen, johon uusi polymeeri ei ollut kunnolla liuennut, jolloin polymeerit ottivat niin sanotun cis-muodon. Kyseessä on valon avulla esiin piirtyvä ja kirkkaana seoksesta erottuva polymeerin liukoinen muoto.

Tutkimus raportoitiin alan merkittävässä kansainvälisessä Macromolecules-julkaisussa
2013, 46 (15), pp 6209–6216, Using Light To Tune Thermo-Responsive Behavior and Host–Guest Interactions in Tegylated Poly(azocalix[4]arene)s, DOI: 10.1021/ma4011457

Juttu perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen ja alla on aiheeseen liittyvä yliopiston tuottama video.

Tilaa aihepiirin laser RSS-syöte