Show simple item record

dc.creatorKiviniemi, Antti Sulo Mikael
dc.date.accessioned2018-05-24T05:22:47Z
dc.date.available2018-05-24T05:22:47Z
dc.identifier.urihttp://dspace.cc.tut.fi/dpub/handle/123456789/26180
dc.description.abstractNonlinear light-matter interactions can lead to second-harmonic generation (SHG) or frequency doubling of light. Previously, we have measured SHG from nanoparticle arrays using just one incident wavelength. In order to understand more deeply the nonlinear effects occurring in these nanoparticle arrays, we needed an instrument that could measure the nonlinear response spectrally. In this Thesis, the process of designing and implementing a spectroscopic measurement instrument for SHG is described. As a light source, we use a titanium-sapphire mode-locked pulsed laser at 770 nm pumping an optical parametric oscillator (OPO) which outputs tunable monochromatic light. The OPO wavelength range is from 1000 nm to 1300 nm. The light polarization can be adjusted using a computer controlled half-wave plate (HWP). The light is weakly focused on the sample and SHG light emitted by the sample is collected at a maximum of 60° angle. A polarizer is used to select the measured light polarization and a photomultiplier tube is used as the detector. Photons incident on the detector are counted using photon counting hardware inside a computer. Alignment of the incident beam and the sample are performed using a camera. The instrument is computer controlled and measurements are automated. The measurement software is mainly written in Python and the user interface is implemented using IPython. The measurement program is designed in a modular and extendable way. We implemented a proportional-integral controller adjusting a HWP in front of a polarizer to keep the incident power constant on the sample. The power was read using a germanium photodiode which was calibrated by the software using a power meter. The measured SHG power emitted from the sample was also calibrated, thus allowing SHG conversion efficiencies for studied materials to be calculated. We demonstrated that the instrument gives reliable and accurate results using two different types of samples. First, we measured SHG from a quartz crystal in a transmission configuration. An effect similar to Maker fringes was observed. We determined a second-order susceptibility tensor component for quartz by comparing our test results to analytically calculated values. The susceptibility component value is in agreement with the values found in literature. The measurement results show that the power calibrations work as intended. Second, we measured SHG from two L-shaped gold nanoparticle arrays. We found that the new instrument gives great insight into nonlinear interactions in these kinds of samples. We observed an eight-fold enhancement of SHG by halving the particle number density in a nanoparticle array. This is a new scientific result that could not have been obtained without the new instrument.en
dc.description.abstractValon ja aineen epälineaariset vuorovaikutukset voivat johtaa valon taajuudenkahdennukseen. Aikaisemmin epälineaarisen optiikan laboratoriossa on mitattu nanopartikkelihiloissa tapahtuvaa taajuudenkahdennusta käyttäen vain yhtä allonpituutta. Nanopartikkelihilojen epälineaaristen ominaisuuksien ymmärtämiseksi syvällisemmin tarvittiin mittalaitteisto, jolla voi mitata epälineaarisia vasteita spektroskooppisin menetelmin. Tässä diplomityössä käsitellään spektroskooppisen taajuudenkahdennusmittalaitteiston suunnittelua ja toteutusta. Valonlähteenä käytetään optista parametrista oskillaattoria (OPO), jonka ulostuloaallonpituutta voidaan säätää 1000 nm ja 1300 nm välillä, ja jota pumpattiin 770 nm aallonpituudella käyttäen pulssitettua titaani-safiiri laseria. Näytteelle tulevan valon lineaarinen polarisaatio säädetään tietokoneohjatulla puoliaaltolevyllä. Valo fokusoidaan heikosti näytteelle, ja taajuudenkahdennettua valoa kerätään näytteeltä maksimissaan 60° keräyskulmalla. Mitattavan valon polarisaatio valitaan polarisaattorilla ja valomonistinputkea käytetään ilmaisimena. Ilmaisimeen tulevat fotonit lasketaan tietokoneeseen asennetulla pulssilaskurilla. Näytteelle tulevan lasersäteen ja näytteen kohdistus tehdään kameraa apuna käyttäen. Mittalaitteisto on tietokoneohjattu, ja mittaukset ovat automatisoituja. Mittausohjelmisto on pääosin kirjoitettu Python-ohjelmointikielellä, ja käyttöliittymä on tehty hyödyntäen IPython-komentotulkkia. Mittausohjelma on suunniteltu modulaariseksi ja helposti laajennettavaksi. Toteutimme ohjelmaan PI-säätimen, jolla näytteelle tuleva teho stabiloidaan säätämällä puoliaaltolevyn kulmaa. Teho mitattin germanium-valodiodilla, joka kalibroitiin tehomittarilla mittausohjelmaa käyttäen. Myös näytteiden sirottaman taajuuskahdennetun valon teho kalibroitiin, minkä avulla näytteen konversiotehokkuus voidaan laskea. Mittaamalla kahta eri tyyppistä näytettä osoitettiin, että mittalaitteiston antamat tulokset ovat luotettavia ja tarkkoja. Ensin mitattiin taajuudenkahdennusta kvartsikiteestä suoralla tulokulmalla. Havaitsimme Maker-raitoja muistuttavan ilmiön. Määritimme toisen asteen suskeptibiliteettitensorikomponentin kvartsille vertaamalla mittaustuloksia analyyttisella kaavalla laskettuihin arvoihin. Määrittämämme suskeptibiliteettikomponentin arvo on hyvin lähellä kirjallisuudesta löytyvää arvoa. Mittaustulokset osoittavat, että tehokalibroinnit toimivat odotetusti. Seuraavana mitattiin taajuskahdennusta kahdesta nanopartikkelihilasta. Partikkelit olivat L-muotoisia ja valmistettu kullasta. Tärkeä tulos on, että uusi mittalaitteisto auttaa ymmärtämään paremmin nanopartikkelien epälineaarisia vuorovaikutuksia. Havaitsimme kahdeksankertaisen taajuuskahdennetun signaalin puolittamalla partikkelien lukumäärätiheyden hilassa. Uuden mittalaitteiston käyttö mahdollisti tämän tieteellisesti uuden ja yllättävän tuloksen.fi
dc.format.extent72en
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.language.isoenen
dc.rightsThis publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
dc.titleSpectral Measurements of Second-Harmonic Generated Lighten
dc.title.alternativeSpektrimittauksia taajuuskahdennetusta valostaen
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:tty-201805241849
dc.contributor.laitosFotoniikka – Photonicsen
dc.contributor.tiedekuntaTeknis-luonnontieteellinen tiedekunta – Faculty of Natural Sciencesen
dc.contributor.yliopistoTampereen teknillinen yliopisto - Tampere University of Technology
dc.programmeTeknis-luonnontieteellinenen
dc.date.published2018-06-06
dc.permissionPermission granteden
dc.contributor.thesisadvisorHuttunen, Mikko
dc.contributor.thesisadvisorKauranen, Martti
dc.contributor.degreesupervisorHuttunen, Mikko
dc.contributor.degreesupervisorKauranen, Martti
dc.type.ontasotDiplomityö - Master's thesis


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record