Erittäin nopea laser saadaan aikaan kultananopartikkeleiden avulla

Hyvin nopeiden, säädettävien ja vakaiden nanopartikkelihila-lasereiden avulla voisi kehittää tehokkaita kytkimiä ja sensoreita.

Uudessa tutkimuksessa on luotu laservaloa, jossa valopulssit ovat erittäin lyhyitä ja nopeasti toistuvia. Laservalon tuottamiseen käytettiin metallisia nanorakenteita ja orgaanisia väriaineita. Niiden valmistaminen on edullista, joten uusilla lasereilla on  potentiaalia kaupallisen teknologian kehittämiseen.

”Halusimme selvittää, miten nopeita laservalon pulsseja voimme saada aikaan – eli miten nopeasti saamme kytkettyä laserin edestakaisin päälle ja pois. Erittäin nopeiden pulssien tuottaminen voi olla hyödyllistä tietojenkäsittelyssä ja optoelektronisissa laitteissa”, Aalto-yliopiston tutkijatohtori Konstantinos Daskalakis kertoo.

Kokeissa käytetyt näytteet on tehty kultananopartikkeleista, jotka on valmistettu lasille ja upotettu orgaaniseen, valoa säteilevään materiaaliin. Partikkelit on järjestetty neliönmuotoiseen hilaan erittäin lähelle toisiaan, ja niiden ympärillä oleva voimakas sähkömagneettinen kenttä saa väriaineen molekyylit reagoimaan nopeasti.

Kenttien, kultananopartikkelien ja orgaanisen väriaineen vuorovaikutuksesta syntyy ultranopeita, vain sekunnin biljoonasosien mittaisia laserpulsseja.

Niin nopea laser on lupaava esimerkiksi täysin optisten kytkimien ja sensorien kehittämisen kannalta. Valoa tiedonkäsittelyyn käyttävien laitteiden – kameroiden, transistorien ja telekommunikaatioteknologian – suorituskyky ja -nopeus voisivat myös parantua.

Erittäin pienien nanolasereiden säteet ovat harvoin hyvin suunnattuja. Nanopartikkelien järjestäminen hilamuodostelmaan parantaa säteen suuntautuneisuutta huomattavasti. Tällä tavalla tuotettuja lasereita on luotu useissa laboratorioissa eri puolilla maailmaa, mutta niiden kykyä tuottaa ultranopeita pulsseja ei ole todistettu ennen Aalto-yliopiston kokeita.

Pulssien ominaisuuksien mittaaminen on erittäin vaativaa niiden valtavan nopeuden vuoksi.

”Keskeinen tuloksemme on se, että osoitimme kokeellisesti näytteidemme laserpulssien todella olevan ultranopeita. Laserointi tapahtuu optisissa tiloissa, jotka ovat valon ja metallin elektronien liikkeen yhdistelmiä. Tiloja kutsutaan pintahilaresonansseiksi”, selittää akatemiaprofessori Päivi Törmä.

Laservalo puristetaan ensin metallisten nanopartikkelien avulla valon aallonpituutta pienempään tilaan. Sen jälkeen valo vapautuu pintahilaresonansseista sekunnin biljoonasosien välein sykkiviin, tiiviisiin laserpulsseihin.

”Tällaiset laserit ovat erityisen hyviä tuottamaan lasersäteilyä, jonka modulaatiotaajuus on korkea”, kertoo tohtoriopiskelija Aaro Väkeväinen.

Nanopartikkeli-laserilla tuotettu pulssi on niin nopea, ettei tavallisilla sähköisillä kameroilla voida tallentaa sen liikettä. Tutkijat käyttivät toista laseria ikään kuin kamerana saadakseen erittäin nopeita ”kuvia” piskuisesta laserista. Menetelmää kutsutaan ultranopeaksi spektroskopiaksi.