Valosta työkaluja Fysiikan Nobel-palkinnot Prof. Martti Kauranen Tampereen (teknillinen) yliopisto

Transkriptio

1 Valosta työkaluja Fysiikan Nobel-palkinnot 2018 Prof. Martti Kauranen Tampereen (teknillinen) yliopisto

2 Fysiikan Nobel-palkinnot 2018 perustavaa laatua olevista keksinnöistä koskien laserfysiikkaa Arthur Ashkin Gerard Mourou Donna Strickland optisista pinseteistä ja niiden sovelluksista biologisissa systeemeissä kehittämästään menetelmästä, jonka avulla voidaan saada aikaan korkeatehoisia ja ultralyhyitä optisia pulsseja

3 Sisältö Optiikka ja fotoniikka Henkilöt ja paikat Optiset pinsetit Ultranopeat laserit Nobel-politiikka Optiikan ja fotoniikan Nobel-palkintoja Optiikka ja fotoniikka Tampereella

4 Optiikka ja fotoniikka Optiikka Fysiikan osa-alue, joka tutkii valoa ja valon ja aineen vuorovaikutusta Fotoniikka teknologiat, jotka käyttävät hyväksi optisia ilmiöitä Optoelektroniikka optisen menetelmän lisäksi myös elektroniikka keskeisessä roolissa Edullista perustutkimusta Sovellukset voivat tulla nopeasti

5 Arthur Ashkin , Brooklyn, New York, USA 1947 Columbian yliopisto, NY, USA Cornellin yliopisto, NY, USA Väitös Bell Labs, Holmdel, NJ, USA Nobel-palkintoon johtava työ Eläkkeelle Tutkimusta kotona

6 Gerard Mourou , Albertville, Ranska 1973 Väitöstyö, Pierre ja Marie Curie yliopisto Kalifornian yliopisto, San Diego ENSTA Paris Tech korkeakoulu Rochesterin yliopisto, USA Nobel-palkintoon johtava työ Michiganin yliopisto, USA ENSTA Paris Tech, CNRS, École Polytechnique École Polytechnique

7 Donna Strickland , Guelph, Ontario, Kanada McMaster yliopisto, Kanada Rochesterin yliopisto, USA Nobel-palkintoon johtava työ 1985 Väitös Kanadan kansallinen tutkimusneuvosto 1992 Lawrence Livermore laboratorio, USA Princetonin yliopisto, USA Waterloon yliopisto, Kanada 3. naispuolinen fysiikan nobelisti Edellinen 55 v. sitten

8 Maantiede

9 Bell-laboratorio Esimerkillinen teollisuuslaboratorio 1877 Keksintöjä Transistori, CCD-kenno, kaasulaser, informaatioteoria, C, C++ ja S -ohjelmointikielet, Unix-käyttöjärjestelemä, radioastronomia 9 Nobel-palkintoa Alexander Graham Bell

10 Rochesterin yliopisto Eastman School of Music USA:n johtavia konservatorioita Optiikan instituutti Perustettu 1929 Ensimmäinen optiikan tutkimusta painottava yksikkö USA:ssa Melkein Nobelistit: Emil Wolf, Leonard Mandel George Eastman Laboratory of Laser Energetics USA:n energiaministeriö rahoittaa Laser-fuusion tutkimus Omega-laserin 60 sädettä

11 Optiset pinsetit Valon liikemäärä Säteen kulkusuunnassa Hiukkasiin kohdistuu voima Valon taittuminen pienhiukkasissa Voima liikemäärän muutokselle vastakkaiseen suuntaan Hiukkanen pyrkii säteen keskelle voimakkaan valon alueelle Fokusoitu lasersäde Vangitsee hiukkasen lähelle säteen polttopistettä voima hiukkanen sivussa hiukkanen keskellä

12 Optiset pinsetit Valon liikemäärä Säteen kulkusuunnassa Hiukkasiin kohdistuu voima Valon taittuminen pienhiukkasissa Voima liikemäärän muutokselle vastakkaiseen suuntaan Hiukkanen pyrkii säteen keskelle voimakkaan valon alueelle Fokusoitu lasersäde Vangitsee hiukkasen lähelle säteen polttopistettä voima hiukkanen sivussa hiukkanen keskellä

13 Optisten pinsettien sovelluksia Uudet kohteet Atomit ja molekyylit Elävät solut, bakteerit ja virukset Biologisia sovelluksia Molekyylien voima ja liikemittaukset Solujen lajittelu

14 Optisten pinsettien sovelluksia

15 Optisten pinsettien sovelluksia Uudet kohteet Atomit ja molekyylit Elävät solut, bakteerit ja virukset Biologisia sovelluksia Molekyylien voima ja liikemittaukset Solujen lajittelu

16 Laserit pumppaus Valovahvistin Tuodaan energiaa ulkoa Valovahvistin + takaisinkytkentä Laser käynnistyy itsestään heikko signaali valovahvistin vahva signaali Ominaisuuksia Suunnattu kirkas valonsäde Koherenssi

17 Laserit pumppaus Valovahvistin Tuodaan energiaa ulkoa Valovahvistin + takaisinkytkentä Laser käynnistyy itsestään heikko signaali valovahvistin vahva signaali Ominaisuuksia Suunnattu kirkas valonsäde Koherenssi lasersäde kaviteetti

18 Laserit pumppaus Valovahvistin Tuodaan energiaa ulkoa Valovahvistin + takaisinkytkentä Laser käynnistyy itsestään heikko signaali valovahvistin vahva signaali Ominaisuuksia Suunnattu kirkas valonsäde Koherenssi lasersäde kaviteetti

19 Ultralyhyet pulssit Moodilukitus Monta aallonpituutta/taajuutta yhdessä Aikakuvaus Syntyy pulssijono Pulssinpituus Suoraan laserista 5 fs = 0, s Aallonpituuden muutoksella 200 as aika

20 Ultralyhyet pulssit Moodilukitus Monta aallonpituutta/taajuutta yhdessä Aikakuvaus Syntyy pulssijono Pulssinpituus Suoraan laserista 5 fs = 0, s Aallonpituuden muutoksella 200 as aika

21 Ultralyhyet pulssit Moodilukitus Monta aallonpituutta/taajuutta yhdessä Aikakuvaus Syntyy pulssijono Pulssinpituus Suoraan laserista 5 fs = 0, s Aallonpituuden muutoksella 200 as aika

22 Vahvistus (Nobel-työ 1985) Lyhyt pulssi Venytetty pulssi Vahvistettu venytetty pulssi Yhteen puristettu voimakas pulssi Hilapari venyttää pulssin Vahvistin Hilapari puristaa pulssin yhteen

23 Ultralyhyiden pulssien sovelluksia Vahvat kentät ja attofysiikka Voimakkaat optiset kentät muuttavat materiaalien ominaisuuksia Erittäin nopeiden ilmiöiden mittaaminen atomeissa ja molekyyleissä Hiukkaskiihdyttimet Kompakti koko mahdollistaa sovellukset sairaaloissa Säteilyhoidot Teollisuus ja lääketiede Materiaalien työstö

24 Ultralyhyiden laserpulssien etuja Erinomainen säteen laatu Tasainen intensiteettijakauma Ultralyhyet pulssit 100 fs = s Korkea huipputeho Pieni pulssinenergia Epälineaarinen vaste Vain polttopisteessä tapahtuu ns fs Termiset ongelmat voidaan minimoida B.N. Chichkov et al., Appl. Phys. A 63, 109 (1996)

25 LASIK-silmäleikkaus Femtosekuntilaser irrottaa läpän sarveiskalvon pinnasta Eksimeerilaser muotoilee sarviskalvon taittovoimakkuus korjaantuu

26 ELI-infrastruktuuri Gérard Mourou Hankkeen isä Paikat Romania, Unkari, Tsekin tasavalta

27 Fysiikan Nobel 1997 Atomien jäähdytys ja vangitseminen lasereiden avulla Steven Chu, Stanford C. Cohen-Tannoudji Collége de France William D. Phillips, NIST

28 Steven Chu , St. Louis, Missouri, USA 1970 Rochesterin yliopisto, NY, USA Kalifornian yliopisto, Berkeley, USA Väitös Bell Labs, Holmdel, NJ, USA Atomien laserjäähdytys Ashkinin kanssa 1997 Nobel-palkintoon johtava työ Stanfordin yliopisto, CA, USA Lawrence Berkeley -laboratorio USA:n energiaministeri

29 Fysiikan Nobel 1974 Radioastronomia Jocelyn Bell Burnell Ensimmäinen havainto pulsareista 1967 Jatko-opiskelija Cambridgen yliopistossa Ei saanut Nobel-palkintoa 2,3 M Breakthrough Prize 2018 Anthony Hewitt Bell Burnellin ohjaaja Martin Ryle Anthony Hewitt Jocelyn Bell Burnell Martin Ryle

30 Optiikan ja fotoniikan Nobel-palkintoja Vuosi Ala Aiheet 2005 Fysiikka Koherenssin kvanttiteoria, taajuuskampaan perustuva tarkkuusspektroskopia 2008 Kemia Vihreä fluoresoiva proteiini 2009 Fysiikka Kuituoptinen tiedonvälitys, CCD-kenno kuvadetektorina 2012 Fysiikka Kvanttisysteemien mittaus ja manipulointi 2014 Fysiikka Siniset LED-valonlähteet 2014 Kemia Superresoluutiomikroskopia 2017 Fysiikka LIGO-interferometri ja painovoima-aallot

31 Optiikka ja fotoniikka Tampereella Yliopiston strateginen kärkialue 2019 alusta yli 10 professoria Fysiikka, kemia, materiaalitiede Perustutkimus Ultranopeat laserit ovat perustyökaluja Epälineaariset ilmiöt Uudet materiaalit ja nanorakenteet Sovellukset Uudet valonlähteet Spektroskopia Lääketiede