Kuvaaja
Laura Vesa
Kirjoittaja
Petja Partanen

Laservalo tunnistaa materiaalin

Jari Nikkisen väitöstyössään kehittämä laservalonlähde tekee Star Trekin tieteiskuvitelmasta todellisuutta.

Oikeaa vai kissankultaa? Helppo tapa selvittää eri materiaalien kemiallinen koostumus on kiehtonut ihmistä kautta aikojen. Jo 40 vuotta sitten Star Trek -sarjassa esiintynyt skanneri tunnisti, mihin materiaaliin sen lähettämä säde osui.

Tv-sarjan teknologia ei ollut puhdasta tieteisfantasiaa, sillä intialainen C.V Raman oli jo 1920-luvulla havainnut heikon sirontailmiön, joka loi kullekin aineelle tyypillisen “sormenjäljen”. Kun aineeseen osuu valonsäde, hyvin pieni osa fotoneista siroaa takaisin siten, että niiden aallonpituus muuttuu. Aineen Raman-spektristä voidaan tunnistaa varmuudella esimerkiksi se, onko valkoinen jauhe kokaiinia vaiko leivinjauhetta.

Käytännön sovelluksia ilmiöllä ei kuitenkaan juuri ollut ennen seuraavaa Nobel-palkittua keksintöä, 1960-luvulla kehitettyä laservaloa. Riittävän voimakkaan valonlähteen ja entistä herkempien ilmaisimien myötä Raman-spektroskopiasta onkin tullut käytännöllinen menetelmä eri aineiden kemiallisen rakenteen tunnistamiseen ilman mutkikkaita analyysejä.

– Raman-spektroskopiaa käytetään nykyisin paljon esimerkiksi kemianteollisuuden laboratorioissa, Jari Nikkinen kertoo.

Ilmaisinkeksintö kaipasi laservaloa

Samaan aikaan kun Nikkinen vielä viimeisteli DI-opintojaan, olivat Oulun VTT:n ja Oulun yliopiston tutkijat kehittäneet uudenlaisen Raman-ilmaisimen, joka perustui yksittäisten fotonien havaitsemiseen hyvin lyhyen aikaikkunan sisällä.  

– Se oli todella hyvä keksintö, mutta se edellytti tietynlaista laseria, jota ei ollut kaupallisesti saatavilla, Nikkinen kertoo.

Tästä sai alkunsa Nikkisen vuonna 2014 alkanut tutkijan ura. Hänen ohjaajansa, optoelektroniikan keskuksen professori Mircea Guina, ehdotti väitöstyön aiheeksi oululaisten speksit täyttävän laserin kehitystyötä. Tilaus oli selkeä: alle 100 pikosekunnin mittaisia pulsseja lähettävä, niin sanottu Q-kytketty laservalonlähde. Kilpaileva teknologia, muotolukittu laser, pystyi lyhyisiin pulsseihin, mutta se ei muilta ominaisuuksiltaan sopinut oululaistutkijoiden patentoiman detektorin parivaljakoksi.

Tarvitaan alle sekunnin miljardisosan mittaisia laserpulsseja.

Erittäin lyhyitä, alle sekunnin miljardisosan mittaisia laserpulsseja tarvitaan, sillä ne auttavat pääsemään eroon Raman-spektroskopiaa häiritsevästä fluoresenssi-ilmiös
tä. Loisteputkilampuissa ilmiö on hyödyllinen, mutta Raman-spektroskopiassa se häiritsee esimerkiksi monien biologisten näytteiden tunnistamista.  

– Potentiaalisia käyttökohteita olisi paljon nykyistä enemmän, mutta monen materiaalin Raman-spektri peittyy kokonaan fluoresenssi-ilmiön alle, Nikkinen selittää.

Oululaistutkijoiden idea oli hyödyntää niin sanottua aikaikkunointitekniikkaa. Siinä tutkittavaa materiaalia valaistaan niin nopeilla laserpulsseilla, että Raman-sironta ehditään mitata lyhyen aikaikkunan sisällä, ennen haitallisen fluoresenssin syntymistä.

ORC:n osaaminen apuna

Jari Nikkisen tutkimustyö laajentaa Raman-spektroskopian käyttömahdollisuuksia. Esimerkiksi aidon Extra Virgin -laatuisen oliiviöljyn erottaminen halvasta väärennöksestä onnistuu uudella aikaikkunointitekniikalla, joka on immuuni monissa materiaaleissa esiintyvälle fluoresenssi-ilmiölle.

Nikkinen tarttui haasteeseen ja ryhtyi rakentamaan sopivaa laservalonlähdettä. Hänen apunaan oli tutkimuskeskuksen lavea osaaminen ja kymmenet tutkijakollegat. 

Vuonna 1999 TTY:lle perustetun ORC:n optoelektroniikan tutkimustyö tunnetaan nykyisin ympäri maailmaa.Tampereen ORC:llä on erinomainen track record uusien yritysten synnyttäjänä. Merkittävä osa TTY:n tutkimuslähtöisistä yrityksistä kehittää juuri laser-tekniikkaa, ja niiden juuret ovat optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa.

– ORC:llä voidaan valmistaa optisia puolijohderakenteita hyvin erilaisiin käytännön sovelluksiin, esimerkiksi lasereihin, ilmaisimiin ja korkean hyötysuhteen aurinkokennoihin, Nikkinen kehuu.

Väitöstyössä käytetyt laservalonlähteet ovat varsin pienikokoisia.

Nikkisen laserin tärkein palanen on puolijohteesta valmistettu peili, niin sanottu Q-kytkin, joka potkaisee ulos lyhyen ja intensiivisen laserpulssin. Puolijohdepeilin ja laserin tarvitseman ohjauselektroniikan rakensivat Nikkisen aiheeseen erikoistuneet kollegat.

Käytännön spektroskopiasovelluksia varten laser tarvitsee myös vahvistimen, sekä mielellään mahdollisuuden muuttaa valon väriä.

– Käyttämällä pidempää viritysaallonpituutta haitallista fluoresenssia voidaan vähentää entisestään.

Aluksi riittävän lyhyen pulssin synnyttäminen onnistui vain vihreällä laserilla.

– Väitöstyön tärkein oivallus oli se, kuinka päästä käsiksi uusiin aallonpituuksiin. Alku oli hirveää kivikkoa, mutta kun keksin sen, homma alkoi toimia.

Mielenkiintoisimmat tulokset syntyivät yhteistyössä Glasgow’n Strathclyde-yliopiston tutkijoiden kanssa.

Väitöstyön mielenkiintoisimmat tulokset syntyivät yhteistyössä Glasgow’n Strathclyde-yliopiston tutkijoiden kanssa. Skotlantilaisen tutkijaryhmän timanttilaser auttoi muuttamaan Nikkisen vihreät valopulssit eri aallonpituuksille, muun muassa keltaisiksi ja punaisiksi.

Star Trekista todellisuutta

Kolmen vuoden uurastus väitöstyön parissa kannatti. Professorin tekemä tilaus on toimitettu, ja sadan pikosekunnin pulsseja monella eri taajuudella synnyttävä laser on osoittanut toimivuutensa. Onnistumisen avain oli Nikkisen mukaan ORC:n oma puolijohde-osaaminen.

Onnistumisen avain oli 
ORC:n oma puolijohdeosaaminen.

– Pystyimme tekemään tärkeimmän komponentin, laserin Q-kytkimen, itse. Juuri sen avulla päästään lyhyisiin pulsseihin.

Jari Nikkinen onnistui väitöstyössään yhdistämään laserin komponentit, päävalonlähteen, Q-kytkimen, vahvistimen sekä kaksi eri taajuusmuunnostapaa hyvin toimivaksi kokonaisuudeksi.

Jari Nikkisen tie tohtoriksi

1984. Jari Nikkinen syntyy Hollolassa.

2000. Viimeistään lukiossa käy selväksi, että matemaattiset aineet kiinnostavat eniten. “Isovelikin oli jo silloin tekniikkaa opiskelemassa.”

2003. Nikkinen aloittaa opinnot Tampereen teknillisessä yliopistossa, opinto- suuntana matemaattiset aineet.

2008. Tutkimusapulaiseksi TTY:n tieteellisesti kovatasoiseen optoelektroniikan tutkimuskeskukseen.

2014. Jari Nikkinen valmistuu DI:ksi ja aloittaa väitöstutkimuksen.

2017. Nikkisen fotoniikan alan väitöskirja Sub-100 ps Light Sources Based on Q-Switched Microchip Lasers hyväksytään TTY:n teknis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa.

Kuka? Jari Nikkinen

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
Takana on lähes neljännesvuosisata ilmaista koulutusta. Tässä vaiheessa haluan jo tuottaa verorahoja takaisin valtiolle ja kehittää suomalaista teknologiaa.

Suosikkileikkikalu?
30 litran vetoinen kotipanimolaitteisto. Viimeksi valmistui erä Pale Alea. Töissä teemme isoilla rosteripannuilla puolijohdetekniikkaa, kotona syntyy pienemmillä rosteripannuilla olutta. Prosessitekniikkaa molemmat.

Lempiharrastus?
Oluen paneminen.

Tutkimusideasta tuotteeksi

Haastattelupäivä sattuu Jari Nikkisen viimeiseksi työpäiväksi ORC:n palkkalistoilla. Seuraavana maanantaina tuore tekniikan tohtori suuntaa töihin aivan yliopiston naapurissa sijaitsevan Modulightin lasiseinäiseen pääkonttoriin. Lääketieteellisiä laserlaitteita valmistava yritys on ORC:n spinoff-yritys 2000-luvun alusta, ja kovassa kasvussa.

Nikkisen väitöstyössään kehittämää laservalonlähdettäkin kaupallistaa jo tuore startup-yritys Picophotonics. Lyhyitä pulsseja tuottavilla kompakteilla lasereilla on Nikkisen mukaan paljon potentiaalisia käyttökohteita. Q-kytkettyjä lasereita käytetään jo paljon lääketieteessä, esimerkiksi tatuointien poistossa. Nikkisen tutkijakollega on parhaillaan rakentamassa uutta valonlähdettä hyödyntävää laitteistoa biologisten solunäytteiden tutkimukseen.

Myös laserin alkuperäinen käyttökohde, Raman-spektroskopia, on etenemässä kaupalliseksi tuotteeksi. VTT:n ja Oulun yliopiston detektoritekniikkaa kaupallistaa vuonna 2014 perustettu Timegate Instruments Oy.

Nikkinen ei säästele sanojaan kehuessaan ORC:tä ja sen puolijohderyhmää johtavaa professori Mircea Guinaa. Iso, mutta tiivis ryhmä pystyy paitsi suunnittelemaan, myös valmistamaan itse erilaisia lasereita ja erittäin suorituskykyisiä aurinkokennoja.

– Käytännön tutkimuksesta saadaan hyödyllistä tekniikkaa, joita meillä syntyneet spinoff-yritykset kaupallistavat, Nikkinen kertoo.

Asiasana