Optisten materiaalien dispersion kompensointi metapintoja hyödyntämällä

Abstract

Optiset komponentit ovat usein normaalisti dispersiivisiä, mikä aiheuttaa pulssimaiseen valoon ajallista levenemistä, mikä on erityisesti tarkkuutta ja pientä aikaskaalaa vaativien ultranopeiden laserien sovelluskohteissa haitallinen vaikutus. Työssä esitellään metapinnat eli ohuet nanorakenteet vaihtoehtoisena ratkaisuna pulssien ajallisen levenemisen kumoamiseen eli dispersion kompensointiin. Työssä käytetään Lorentzin mallia systeemien resonanssitilojen kuvaamiseen, jonka avulla voidaan mallintaa sekä optisten materiaalien että metapintojen optista vastetta niiden kanssa vuorovaikuttavaan valoon. Työn tavoite on selvittää metapintojen ominaisuuksiin liittyvien suureiden riippuvuuksia optiseen vasteeseen ja kompensointitehoon.

Metapintojen vaihevasteita mallinnettaessa kävi ilmi, että resonanssitiloja kuvaava hidastuvuusvakio on yksi merkittävimmistä dispersion kompensointitehoon vaikuttavista suureista. Metapintojen resonanssien kuvaamiseen käytetään hidastuvuusvakion sijaan usein siihen kääntäen verrannollista hyvyyslukua. Työssä tutkitaan hidastuvuusvakion arvoja välillä 10–50 THz, jotka vastaavat noin 800:n nanometrin resonanssiaallonpituudella hyvyyslukuja väliltä 45–240. Tutkimus osoittaa, että myös metapinnassa esiintyvien resonanssien määrä sekä niiden välinen vaiheero vaikuttavat optiseen vasteeseen. Työssä tarkastellaan metapintoja, jotka sisältävät joko yhden tai kaksi resonanssitilaa. Kahden resonanssin tapauksessa tarkastellaan myös tilanteita, joissa resonanssit ovat sekä samassa että vastakkaisissa vaiheissa. Tulokset osoittavat kahden vastakkaisvaiheisen resonanssin metapinnan olevan näistä resonanssikonfiguraatioista kompensointiteholtaan paras. Saatuja metapintojen dispersiotermejä vertaillaan työssä myös kvartsilasin, piinitridin ja litiumniobaatin dispersiotermeihin kompensoitavien paksuuksien määrittämiseksi.

Tutkimus osoittaa, että kasvattamalla metapinnan hyvyyslukua voidaan kompensoida paksumpien materiaalikerrosten dispersiota, mutta kompensoitavien pulssien lyhin mahdollinen kesto pitenee. Hidastuvuusvakio osoittautuu olevan noin kääntäen verrannollinen kompensoitavan paksuuden neliöön ja suoraan verrannollinen kompensoivan alueen kaistanleveyteen. Tulosten perusteella voidaan siis päätellä metapintojen haasteen olevan kompensointitehon ja kompensoitavan pulssin keston välillä tehtävä kompromissi. Metapintojen parametrit on tästä johtuen määriteltävä sovelluksiin tilannekohtaisesti. Metapintojen etuna muihin dispersion kompensointimenetelmiin voidaan tutkimuksen perusteella todeta olevan lyhyt optinen matka ja laitteiston yksinkertaisuus, mikä mahdollistaa kompaktimpia ratkaisuja dispersiota kompensoiville laitteistoille.