Browsing by Author "Kaivola, Matti"

Filter results by typing the first few letters
Now showing 1 - 20 of 146
  • Active photonic crystals in indium phosphide membrane
    (2006) Sihvonen, Olli
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    Tässä työssä valmistettiin ja karakterisoitiin indiumfosfidikalvossa olevia aktiivisia fotonikiderakenteita. Tällaiset rakenteet tarjoavat mielenkiintoisen vaihtoehdon perinteisille pintaemittoiville pystykaviteeteille. Työssä kehitettiin spin-on-glass:n käyttöön liima-aineena perustuva kustannustehokas ja joustava sirutason menetelmä aktiivisen kvanttikaivorakenteen sisältävän indiumfosfidikalvon bondaamiseen piidioksidin päälle. Suunniteltu grafiitti-fotonikiderakenne optimoitiin tietokonesimulaatioiden avulla vertikaalista emissiota varten optiseen tietoliikenteeseen sopivalla aallonpituusalueella. Halkaisijaltaan 300 nm:n rei'istä koostuvan fotonikiderakenteen kuvioimiseen käytettiin elektronisuihkulitografiaa. Kehitysajan, resistin paksuuden sekä annoksen vaikutus reikien halkaisijaan sekä sivuprofiilin pystysuoruuteen määritettiin, ja optimaaliset parametrit esitetään. Resistiin kuvioitu rakenne siirrettiin piinitridimaskiin reaktiivista ionietsausta käyttäen. Induktiivisesti kytkettyä plasmaetsausta käytettiin indiumfosfidin etsaamiseen piinitridimaskin läpi. Etsausnopeudet ja selektiivisyydet määritettiin etsausaikojen sekä maski- ja resistikerroksen paksuuksien optimoimiseksi. Valmistettuja fotonikiderakenteita karakterisoitiin käyttäen fotoluminesenssi-menetelmää. Fotoluminesenssikuvaajissa havaittiin selkeitä resonanssipiikkejä aallonpituusalueella 1650-1700 nm vastaten valmistettujen rakenteiden simuloinnista saatuja tuloksia. Valon vahvistuminen perustuu fotonikiteen aikaansaamaan, laakeista fotonivöistä johtuvaan optisen tilatiheyden kasvuun.
  • Advanced Interferometric Imaging System for Surface Acoustic Waves
    (1998) Knuuttila, Jouni
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
  • All-optical modulation and detection using a gain medium in a pulse shaper
    (2020-11-23) Shevchenko, Andriy; Nyman, Markus; Kaivola, Matti
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We demonstrate all-optical modulation and ultrafast detection using an on-resonance optical gain medium, combined with spectral splitting in a Fourier transform pulse shaper. Multiple spectral channels of one optical beam can be independently modulated in time by another beam, allowing high-rate modulation and multiplexing without requiring ultrafast response from the gain medium. For detection of sub-picosecond signals we demonstrate a method of ultrafast signal detection (temporal imaging with no spatial resolution) that utilizes the spatio-temporal tilt of an optical pulse in a pulse shaper. The proposed methods can find applications in optical information technology and ultrafast imaging.
  • All-optical reversible switching of local magnetization
    (2007) Shevchenko, Andriy; Korppi, Maria; Lindfors, Klas; Heiliö, Miika; Kaivola, Matti; Il’yashenko, Eugene; Johansen, Tom H.
     School of Science | A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The authors demonstrate all-optical reversible switching of the magnetization direction in a uniformly magnetized ferrite-garnet film. The magnetization is switched by locally heating the film with a pulsed laser beam. The direction to which the magnetization flips is controlled by two parameters, the beam diameter and the pulse energy, and not by the direction of the external magnetic field. In the experiments, neither the magnitude nor the direction of the external magnetic field is changed. The results of this work illustrate the richness of optical methods to locally control the properties of magnetic materials and suggest all-optical device applications.
  • Application of Diffractive Beam Shaping to Pulsed Laser Deposition: Preparation of Ni-Mn-Ga Thin Films
    (2007) Kekkonen, Ville
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    Laserablaatiomenetelmä (PLD - Pulsed Laser Deposition) on tehokas tapa valmistaa ohutkalvoja erityyppisistä materiaaleista. Tässä menetelmässä suuritehoiset laserpulssit vuorovaikuttavat kohtiomateriaalin pintakerroksen kanssa, ja riittävän suuri lasersäteen energiatiheys saa aikaan hiukkasten irtoamisen pinnasta. Irronneet hiukkaset kerääntyvät kohtiota vastapäätä olevalle kasvatusalustalle. Stoikiometrian säilyminen kasvatusprosessissa edellyttää, että laserpulsseilla on homogeeninen ja jyrkkäreunainen intensiteettijakauma. PLD-sovelluksissa tyypillisten eksimeerilaserien säteellä ei kuitenkaan yleensä ole tällaista "flat-top"-tyyppistä poikkileikkausta. Lisäksi jakauman muoto voi vaihdella pulssista toiseen. Tämän vuoksi tarvitaan lasersäteen muokkausta ja homogenisointia. Tämän työn tarkoituksena on liittää diffraktiivisiin hiloihin perustuva säteenmuokkausjärjestelmä TKK:n laserlaboratorion PLD-laitteistoon ja osoittaa sen toimivuus ohutkalvojen kasvatuksessa. Työssä käytettävät diffraktiiviset elementit on suunniteltu muuttamaan lasersäde 1,5x4,5 mm2:n kokoiseksi "flat-top" jakaumaksi polttoväliltään 500 mm:n linssin polttotasossa. Menetelmän toimivuus on osoitettu käytännössä aikaisemmissa kokeissa. Ferromagneettinen muistimetalliyhdiste Ni-Mn-Ga valittiin ohutkalvomateriaaliksi tämän työn kokeisiin, koska tutkimusryhmällämme on aiempaa kokemusta Ni-Mn-Ga-kalvojen kasvattamisesta ja karakterisoinnista. Muistimetallimateriaalit pystyvät muuttamaan palautuvasti kokoaan ja muotoaan jopa 10 % ulkoisessa magneettikentässä. Tämä mahdollistaa uudentyyppisten toimilaitteiden ja anturien toteuttamisen. Diffraktiivisten elementtien tuottama jakauma optimoitiin ennen kuin tutkittua säteenmuokkausmenetelmää sovellettiin käytännössä. Ni-Mn-Ga-ohutkalvoja, joista osaan seostettiin rautaa, kasvatettiin Si-, Al2O3-ja MgO-kasvatusalustoille, mutta vain Al2O3:11e kasvatetut kalvot olivat ferromagneettisia. Lasersäteen pieni energiatiheys kohtion pinnalla selittää osaltaan ferromagneettisuuden puuttumisen näytteistä. Pulssienergiaa ei kuitenkaan voitu suurentaa, koska muuten diffraktiiviset elementit olisivat saattaneet vahingoittua. Tämän vuoksi kehitettiin ja kokeiltiin menetelmiä lasersäteen poikkipinta-alan pienentämiseksi kohtion pinnalla siten, että energiatiheydeksi saataisiin 2,5-3 J/ cm2. Yhtä menetelmistä käytettiin osassa ohutkalvokasvatuksia. Työ osoittaa, että diffraktiivinen säteenmuokkaus voidaan yhdistää PLD-menetelmään. Tutkitulla menetelmällä aikaansaaduilla laserpulsseilla on hyvin määritelty energiatiheys,ja useimpiin PLD-sovelluksiin riittävä energiatiheys (3 J/ cm2) on mahdollista saavuttaa. Lisäksi energiahäviöt ovat merkittävästi pienemmät kuin aikaisemmalla säteenmuokkausjärjestelyllä.
  • Bath-induced persistent Rabi oscillations in a qubit
    (2019-03-12) Ilves, Jesper
     Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
    Decoherence is a quantum-mechanical phenomenon severely limiting quantum information processing and storage capability in quantum computers. Decoherence refers to mechanisms that cause transfer of information from a quantum system to its bath. Typically, in theoretical and experimental considerations of different systems containing superconducting qubits, the coupling strength between a qubit and its bath has been assumed to be constant in time. In this case, many standard results in the dynamics of two-level systems follow. For example, due to decoherence, driven Rabi oscillations in a qubit have a characteristic decay time. In addition, the oscillations may take place at any phase. However, by considering time-dependent coupling to the bath, these phenomena may be absent. In this thesis, we demonstrate with numerical simulations of a time-dependent Lindblad master equation persistent Rabi oscillations in a qubit driven by a coherent drive tone. The persistent Rabi oscillations are induced by modulating the coupling of the qubit to the bath with a sinusoidal temporal shape. We observe that the temporal modulation enforces a limit cycle on the evolution of the dressed qubit state with a fixed phase relative to the phase of the sinusoidal modulation regardless of the initial state of the system. Through a synchronization-like phenomenon, the frequency of the Rabi oscillation adapts to match the frequency of the modulation. We determine the effect of different system parameters on the limit cycle and study how the amplitude of the persistent oscillation depends on the coupling modulation parameters. We also observe a similar effect in the freely evolving qubit precession. In addition, the qubit acts as a non-linear mixer, resulting in different linear combinations of the original modulation waveform appearing in the bath-induced Rabi oscillations. We also introduce a design for a physical system where our simulations can be verified experimentally.
  • Bessel-Gauss pulssien tuottaminen passiivisesti Q-kytketyllä diodipumpatulla Nd:YLF laserilla
    (2010) Tommila, Rurik
     Informaatio- ja luonnontieteiden tiedekunta | Bachelor's thesis
  • Boundary-Integral Method for Analysis of Optical Near Field in Nanometer-Scale Structures
    (2003) Lindberg, Jari
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    Tämä diplomityö käsittelee optisia lähikenttiä, joita esiintyy vain alle aallonpituuden etäisyydellä valoa sirottavasta tai emittoivasta objektista. Optisen lähikentän tarkastelu on tärkeää monissa nanofotoniikan sovelluksissa kuten atomi-optiikassa tai resonanttien pinta-aaltojen tutkimuksessa. Tällä hetkellä nanofotoniikan tärkein työkalu on optinen lähikenttämikroskooppi, jonka tuottamien kuvien tulkintaa lähikentän sirontailmiöiden tutkimus osaltaan helpottaa. Tässä työssä toteutetaan reunaintegraalimenetelmä optisen lähikentän tutkimiseksi kaksiulotteisissa nanorakenteissa. Reunaintegraalimenetelmää on aikaisemmin käytetty menestyksekkäästi tutkittaessa esimerkiksi valon sirontaa karheista pinnoista. Hiljattain menetelmää on sovellettu puolijohteiden nanorakenteiden kvantti-ilmiöiden tutkimuksessa sekä mikrokaviteettien mallinnuksessa. Reunaintegraalimenetelmässä optinen kenttä suljetun alueen sisällä lasketaan käyttämällä kentän ja sen normaaliderivaatan arvoja alueen reunalla. Kentän numeerinen ratkaiseminen edellyttää ainoastaan reunojen diskretisointia, mikä vähentää laskennallista työmäärää merkittävästi. Työssä reunaintegraalimenetelmää sovelletaan kolmeen eri tutkimusaihepiiriin: mittakärjen ja näytteen välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen optisessa lähikenttämikroskopiassa, valon transmissioon metalli-levyssä olevasta nanometrikokoluokan aukosta sekä plasmoniresonanssien analysointiin metallisissa nano-partikkeleissa. Tarkastelemalla erilaisia lähikenttämikroskoopin näyte-mittakärki -geometrioita saadaan tietoa pinnan topografian, näytemateriaalin sekä kuvannustavan vaikutuksesta lähikentästä muodostuvaan kuvaan. Tulokset osoittavat p-polaroidun valon läpäisevän mittakärjen apertuurin selvästi s-polaroitua valoa paremmin. Lisäksi havaitaan, että p-polaroituneelle valolle optinen lähikenttä voi olla plasmoniresonanssien vaikutuksesta hyvinkin lokalisoitunut ja monta kertaluokkaa voimakkaampi kuin tuleva kenttä. Tarkastelemalla p-polaroidun valon läpäisykykyä metallilevyssä olevasta nanoaukosta havaitaan, että voimakas transmissio on seurausta aukkoon virittyneistä plasmoniaalloista. Laskut osoittavat kolmionmuotoisten hopeaisten nanopartikkelien plasmonivirityksen riippuvan voimakkaasti partikkeliin kohdistetun valon aallonpituudesta. Reunaintegraalimenetelmän tuottamat tulokset ovat erittäin hyvässä sopusoinnussa muilla numeerisilla menetelmillä saatujen tulosten kanssa. Tämä työ osoittaa reunaintegraalimenetelmän soveltuvan hyvin optisen lähikentän mallintamiseen kaksiulotteisissa geometrioissa.
  • Characterization of energy trapping in a bulk acoustic wave resonator
    (2010) Kokkonen, Kimmo; Meltaus, Johanna; Pensala, Tuomas; Kaivola, Matti
     School of Science | A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Acoustic wave fields both within the active electrode area of a solidly mounted 1.8 GHz bulk acoustic waveresonator, and around it in the surrounding region, are measured using a heterodyne laser interferometer. Plate-wave dispersion diagrams for both regions are extracted from the measurement data. The experimental dispersion data reveal the cutoff frequencies of the acoustic vibration modes in the region surrounding the resonator, and, therefore, the energy trapping range of the resonator can readily be determined. The measureddispersionproperties of the surrounding region, together with the abruptly diminishing amplitude of the dispersion curves in the resonator, signal the onset of acoustic leakage from the resonator. This information is important for verifying and further developing the simulation tools used for the design of the resonators. Experimental wave field images, dispersion diagrams for both regions, and the threshold for energy leakage are discussed.
  • Characterization of polarization fluctuations in random electromagnetic beams
    (2009) Setälä, Tero; Shevchenko, Andriy; Kaivola, Matti; Friberg, Ari T.
     School of Science | A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Two stationary, partially polarized electromagnetic beams with equal degrees of polarization may exhibit completely different time evolutions of the instantaneous polarization state. In this work, we derive a statistical quantity that describes the rate at which the field intensity in the beam, on average, is redistributed between the beam's polarization state at any time and the state orthogonal to it. This method allows one to treat the dynamical properties of the polarization fluctuations both theoretically and experimentally. We demonstrate the method by applying it to important special cases, such as fields obeying Gaussian statistics, black-body radiation pencils and depolarized laser beams. We also prove that a geometric approach introduced earlier is closely connected with the present model.
  • Characterization of polarization fluctuations in random electromagnetic beams
    (2009-07) Shevchenko, Andriy; Setälä, Tero; Kaivola, Matti; Friberg, Ari
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Two stationary, partially polarized electromagnetic beams with equal degrees of polarization may exhibit completely different time evolutions of the instantaneous polarization state. In this work, we derive a statistical quantity that describes the rate at which the field intensity in the beam, on average, is redistributed between the beam's polarization state at any time and the state orthogonal to it. This method allows one to treat the dynamical properties of the polarization fluctuations both theoretically and experimentally. We demonstrate the method by applying it to important special cases, such as fields obeying Gaussian statistics, black-body radiation pencils and depolarized laser beams. We also prove that a geometric approach introduced earlier is closely connected with the present model.
  • Characterization of Self-Assembled Protein Monomolecular Layer and Protein-Substrate Interface
    (2009) Kainlauri, Markku
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
    In this Master's thesis, we studied the self-assembly of a hydrophobin protein named HFBI and the possibility to use directed self-assembly with silicon surfaces. Additionally, a generic silicon template was designed and fabricated in order to enable electrical characterization of self-assembled hydrophobin monolayers in a controlled conguration setup. The directed self-assembly of HFBI protein monolayer was studied on a patterned Si{SiO2 surface. The monolayer of a protein variant (nCys-HFBI) was transferred onto the substrate after an HF dip. The sample was next immersed in a solution containing 15 nm Au nanoparticles, which were known to bind to the cystein terminal of the protein. The outcome was investigated using Scanning Electron Microscope (SEM) and Atomic Force Microscope (AFM). A clear contrast in protein adhesion and non-adhesion was observed between silicon and silicon dioxide areas, respectively. This was a new result for the patterning of HFBI protein monolayers. Electrical characterization of the Au-nanoparticle covered nCys-HFBI on top of Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) was performed using Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM). The measured conductance map corresponded with the internanoparticle distance observed in AFM and SEM images. Additionally, a thousand fold dirence in conductivity was measured between plain protein monolayer and protein monolayer with 15 nm Au nanoparticles. Part of this work included the design and fabrication of a generic template for silicon{hydrophobin interface studies. The process consisted of the fabrication of a silicon template and a stencil mask, which was used as a hard mask during the evaporation of Au contacts on top of the protein monolayer. Electrical transport measurements were carried out on the nal device at room temperature and at cryogenic temperatures (77 K and 4 K). The results indicated that the protein{silicon interface device is feasible to produce and, additionally, electrical transport measurements of the self-assembled hydrophobin monolayer can be performed with the device.
  • Characterization of surface acoustic waves by stroboscopic white-light interferometry
    (2015) Kokkonen, Kimmo; Lipiäinen, Lauri; Shavrin, Igor; Novotny, Steffen; Kaivola, Matti; Ludvigsen, Hanne
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We present phase-sensitive absolute amplitude measurements of surface acoustic wave fields obtained using a stroboscopic white-light interferometer. The data analysis makes use of the high resolution available in the measured interferometric phase data, enabling the characterization of the out-of-plane surface vibration fields in electrically excited microstructures with better than 100 pm amplitude resolution. The setup uses a supercontinuum light source with tailored spectral properties for obtaining the high amplitude resolution. The duration of the light pulses is less than 300 ps to allow the detection of high frequencies. These capabilities enabled a detailed measurement of the focusing of surface acoustic waves by an annular interdigital transducer structure operating at 74 MHz, featuring a maximum vibration amplitude of 3 nm.
  • Koherentit transientit magneto-optisessa atomiloukussa
    (1997) Kujala, Markku
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
  • Collision effects in velocity-selective optical pumping of sodium
    (1983) Aminoff, C. G.; Javanainen, Juha; Kaivola, Matti
     School of Science | A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We report on a quantitative experimental investigation of velocity-changing collisions by means of velocity-selective optical pumping (VSOP). We have calculated the VSOP line shape for an atom with hyperfine structure with the use of two phenomenological kernels for the collision effects: the Keilson-Storer kernel, and a two-term kernel consisting of a broad Keilson-Storer part and a narrower Gaussian component. Corrections were included to account for the finite absorption in the sample and the backward reflection of the pumping beam. The experiments were carried out in sodium vapor with neon as the perturber gas. The D1 line of sodium was used for optical pumping, and the orientation of the ground state was detected. Free parameters of the theory were determined by fitting the predicted line shapes to experimental curves. The Keilson-Storer kernel proved unsatisfactory, but the two-term kernel reproduced well the observed line shapes over the entire collision profiles in the neon pressure range 0-57 mtorr. In an independent experiment using rapidly modulated VSOP we also measured directly the cross section of velocity-changing collisions: σ=(1.13±0.10)×10exp−14 cm2. The large weight obtained for the narrow Gaussian from the fits, as well as the collision cross section which is three times as large as the cross section deduced from tabulated gas kinetic radii, may indicate the presence of collisions with relatively small velocity changes in addition to hard-sphere encounters.
  • Comparing polymer-azobenzene complexes based on different halogen bond motifs
    (2016-10-09) Lehtonen, Ossi
     Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
  • Connection between electric and magnetic coherence in free electromagnetic fields
    (2005) Jouttenus, Teppo; Setälä, Tero; Kaivola, Matti; Friberg, Ari T.
     School of Science | A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We introduce quantitative measures for the description of the electric and magnetic coherence in a stationary, random electromagnetic field at two points, in a volume, and in the Fourier space. These quantities are applied to free electromagnetic fields, and several theorems regarding the relationship between the two types of coherences in such fields are established. Fields which are statistically homogeneous, and those which, in addition, are statistically isotropic are considered separately. Furthermore, the connection between the electric and magnetic coherence is exemplified for some specific statistically homogeneous fields.
  • Connection Between Electric and Magnetic Coherence in Free Electromagnetic Fields
    (2005-10-26) Jouttenus, T.; Setälä, Tero; Kaivola, Matti; Friberg, Ari
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We introduce quantitative measures for the description of the electric and magnetic coherence in a stationary, random electromagnetic field at two points, in a volume, and in the Fourier space. These quantities are applied to free electromagnetic fields, and several theorems regarding the relationship between the two types of coherences in such fields are established. Fields which are statistically homogeneous, and those which, in addition, are statistically isotropic are considered separately. Furthermore, the connection between the electric and magnetic coherence is exemplified for some specific statistically homogeneous fields.
  • Conoscopic interferometry of wafers for surface-acoustic wave devices
    (1997) Äyräs, Pekka; Friberg, Ari T.; Kaivola, Matti; Salomaa, Martti M.
     School of Science | A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We show that in interpreting the conoscopic interference fringes, one should exercise care in employing approximate expressions which fail for certain crystal cuts. In this paper, we study 64°- and 128°-rotated Y-cut and Z-cut LiNbO3 wafers. We show that the error made in using the approximate formulae for the samples is more than 25% and that one has to use exact formulae in order to attain quantitative agreement with the experimental data.
  • Continuous wave Bessel beams with a strong longitudinal acceleration in free space
    (2022-08-15) Ilina, Elena; Hildén, Panu; Kaivola, Matti; Shevchenko, Andriy
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    A variety of transversely accelerating optical beams, such as Airy, Mathieu, and Weber beams, have been proposed and intensively studied in the past few decades, while longitudinal acceleration of optical beams in free space has been considered much less and mostly for ultrashort optical pulses. In this work, we create two-component continuous wave Bessel beams that exhibit extremely high longitudinal acceleration in free space, with the group velocity changing by a factor of 10 in just a few centimeters of propagation. The beam components are co-propagating interfering optical beams that can have different frequencies and angular spectra. We also demonstrate large-magnitude negative group velocities and zero-group-velocity modes for a two-component beam. The group velocities are measured interferometrically, using a common-path optical interferometer. The measurement results agree well with the theoretical predictions. The presented methods to control and measure the group velocity of light in free space are expected to attract the attention of researchers working on optical interferometry, ultrafast optics, nonlinear optics, and optical tweezers.