Tutkimuksia edetessään muuttumattomien pulssien ja polykromaattisen valon koherenssista

Väitös fysiikan alalta

Väittelijä FM Kimmo Saastamoinen

Väitösaika ja -paikka: 11.12.2012 klo 12.00, M101, Metria, Joensuun kampus

FM Kimmo Saastamoinen on tutkinut väitöskirjassaan osittain koherentteja optisia pulsseja sekä polykromaattisen valon koherenssimittausta. Väitöskirjan tarkoitus on täydentää erityisesti edetessään muuttumattomien, niin sanottujen propagaatioinvarianttien kenttien tuntemusta optisten pulssien osalta. Lisäksi käsittelyssä on pulssien fysikaalinen spektrimittaus ja leveän aallonpituuskaistan omaavan valon paikkakoherenssin mittauksen tarkastelua perinteisen Youngin interferometrin kannalta, jota voidaan myös soveltaa pulssien tapaukseen.

Luonnollisten valonlähteiden mallinnuksessa on usein tärkeää huomioida että valo ei koskaan ole täysin säännöllistä aaltoliikettä, vaan sisältää satunnaisia värähtelyjä. Tätä satunnaisuutta voidaan tutkia tilastollisesti koherenssiteorialla, joka on keskeinen osa tätä väitöstyötä. Väitöskirjassa sovelletaan koherenssiteoriaa optisten pulssien tutkimiseen. Keskeisenä osa-alueena ovat propagaatioinvariantit kentät, joilla on nimensä mukaan ominaisuutena muuttumattomuus edetessään. Klassisimman määritelmän mukaan kentän voidaan sanoa olevan propagaatioinvariantti jos valon etenemissuuntaa kohtisuoran tason intensiteettijakauma pysyy vakiona. Tällaisten muuttumattomien kenttien teoria on osittain koherenttien pulssien osalta epätäydellinen, jota tämän tutkimuksen on tarkoitus parantaa.

Lisäksi tarkastelun alla on pulssien spektrin mittaus fysikaalisen tilanteen kannalta. Keskeisenä ajatuksena on huomioida se, että käytetty laitteisto vaikuttaa aina mittaustulokseen, jonka seurauksena alkuperäinen lähteen spektri eroaa aina mitatusta spektristä. Esimerkkinä tästä, työssä havainnollistetaan niin sanottua fysikaalista spektriä osittain koherenttien gaussisten Schell-mallin pulssien tapauksessa. Tällaisia pulssimallia noudattaa esimerkiksi yleisesti käytetyt excimer-laserit.

Viimeisenä perehdytään klassiseen Youngin interferometriin paikkakoherenssin mittaamisessa ja havainnollistetaan miksi tätä perinteistä järjestelyä ei voida käyttää polykromaattisen valon koherenssimittauksissa. Väitöskirjassa esitetään muutos laitteistoon, minkä ansiosta mittaus voidaan suorittaa kuten normaalisti erittäin kapean kaistan omaavan valon tapauksessa tehdään. Tämä helpottaa erilaisten laajakaistaisten valonlähteiden, kuten ledien, koherenssiominaisuuksien tutkimista.