Pääsisältö

Valkoinen laser mahdollistaa monipuoliset optiset mittaukset

4.11.2020

Valoon perustuvilla mittauksilla saadaan reaaliaikaista tietoa aineen koostumuksesta ilman fyysistä kosketusta näytteen kanssa. Laser on tähän käyttöön oiva työkalu, mutta sen yksivärisyys rajoittaa mittauksella saatavan tiedon määrää. Diplomi-insinööri Antti Aalto tutki väitöskirjassaan uudenlaisten superjatkumovalonlähteiden, ”valkoisten laserien”, käyttöä optisessa spektroskopiassa.

Optiset mittaukset yleistyvät kovaa vauhtia, ja esimerkiksi ihmiskehoa, elintarvikkeita, lääkkeitä, kosmetiikkaa, kasvistoa, ilmaa, maaperää, vesistöjä ja teollisia prosesseja seurataan yhä enemmän optisesti. Erilaisten valonlähteiden kehitys on tässä suuressa roolissa, ja erityisesti laserit ovat viime vuosikymmenten aikana mullistaneet käsitykset siitä mihin kaikkeen valolla pystytään.

Laservalon yksivärisyys rajoittaa kuitenkin sen käyttöä spektroskopiassa. Koska käytössä on vain yksi aallonpituus, voidaan mitata vain yhtä molekyylityyppiä kerralla, esimerkiksi selvittää kaasun hiilidioksidipitoisuus. Superjatkumo on lupaava uudentyyppinen valonlähde, jossa laserin ominaisuudet yhdistyvät leveään spektriin. 

- Voidaan sanoa että kyseessä on melko ultimaattinen valonlähde spektroskopiaan. Koska käytössä on iso liuta aallonpituuksia, pystytään mittaamaan useita molekyylityyppejä samaan aikaan, Antti Aalto sanoo.

Yksi tulevaisuuden sovelluskenttä tällaiselle teknologialle on lääketiede. Ihmisen uloshengitysilma kantaa mukanaan solujen aineenvaihdunnan tuotoksia, kuuluvat nämä solut sitten bakteereille, kehon kudoksille tai kasvaimille. Monien eri molekyylityyppien mittaaminen samanaikaisesti erittäin korkealla herkkyydellä voisi mahdollistaa esimerkiksi syövän tai koronavirusinfektion aikaisen havaitsemisen uloshengitysilmasta.

- Jos laservalo laitetaan heijastelemaan kahden laadukkaan peilin väliin, niin valon ja kaasunäytteen välinen vuorovaikutusmatka voidaan kasvattaa kymmeniin kilometreihin. Tämä mahdollistaa erittäin herkät mittaukset, Aalto kertoo.

- Työssä saavutettiin superjatkumon avulla ennätysherkkyys eräälle tällaiselle tekniikalle. Superjatkumoiden käyttökohteet eivät kuitenkaan rajoitu laboratorioihin. Toisena sovelluksena työssä rakennettiin lasertutka polttovoimalaitoksen tulipesän sisäisen lämpötilaprofiilin kartoittamiseen.

- Reaaliaikainen kolmiulotteinen lämpötilakartta polttokammion sisältä olisi erittäin arvokasta dataa prosessinohjauksen kannalta, erityisesti kun poltetaan epähomogeenista ainetta kuten jätettä, joka vaatii syötön jatkuvaa optimointia, Aalto selventää.

Työssä rakennettiin superjatkumoa hyödyntävä lasertutkan prototyyppi, jolla saatiin alustavia tuloksia lämpötilan etämittauksesta. Lopullinen tuote voisi mahdollistaa polttoprosessin optimoinnin siten, että samasta määrästä polttoainetta saadaan enemmän energiaa pienemmillä päästöillä. Superjatkumolasertutkan kehitys jatkuu edelleen Tampereen yliopiston Fotoniikan laboratoriossa.

Diplomi-insinööri Antti Aallon fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Advanced Optical Techniques for Gas Sensing Using Supercontinuum Sources tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 6.11.2020 Vastaväittäjänä toimii professori Zhipei Sun Aalto-yliopistosta etäyhteydellä. Kustoksena toimii professori Juha Toivonen tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöstä voi seurata myös etäyhteydellä. 

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1743-0