Single-shot pixel super-resolution phase imaging by wavefront separation approach

We propose a novel approach for lensless single-shot phase retrieval, which provides pixel super-resolution phase imaging. The approach is based on a computational separation of carrying and object wavefronts. The imaging task is to reconstruct the object wavefront, while the carrying wavefront corrects the discrepancies between the computational model and physical elements of an optical system. To reconstruct the carrying wavefront, we do two preliminary tests as system calibration without an object. Essential for phase retrieval noise is suppressed by a combination of sparse- and deep learning-based filters. Robustness to discrepancies in computational models and pixel super-resolution of the proposed approach are shown in simulations and physical experiments. We report an experimental computational super-resolution of 2µm, which is 3.45× smaller than the resolution following from the Nyquist-Shannon sampling theorem for the used camera pixel size of 3.45µm. For phase bio-imaging, we provide Buccal Epithelial Cells reconstructed with a quality close to the quality of a digital holographic system with a 40× magnification objective. Furthermore, the single-shot advantage provides a possibility to record dynamic scenes, where the frame rate is limited only by the used camera. We provide amplitude-phase video clip of a moving alive single-celled eukaryote.publishedVersionPeer reviewe

Thermal Control of Plasmonic Surface Lattice Resonances

Plasmonic metasurfaces exhibiting collective responses known as surface lattice resonances (SLRs) show potential for realizing tunable and flat photonic components for wavelength-selective processes, including lasing and optical nonlinearities. However, post-fabrication tuning of SLRs remains challenging, limiting the applicability of SLR-based components. Here, we demonstrate how the properties of high quality factor SLRs are easily modified by breaking the symmetry of the nanoparticle surroundings. We break the symmetry by changing the refractive index of the overlying immersion oil simply by controlling the ambient temperature of the device. We show that already modest temperature changes of 10{\deg}C can increase the quality factor of the investigated SLR from 400 to 750. Our results demonstrate accurate and reversible modification of the properties of the SLRs, paving the way towards tunable SLR-based photonic devices. On a more general level, our results demonstrate how symmetry breaking of the surrounding dielectric environment can be utilized for efficient and potentially ultrafast modification of the SLR properties

Phase-Matched Second-Harmonic Generation from Metasurfaces Inside Multipass Cells

We demonstrate a simple and scalable approach to increase conversion efficiencies of nonlinear metasurfaces by incorporating them into multipass cells and by letting the pump beam to interact with the metasurfaces multiple times. We experimentally show that by metasurface design, the associated phase-matching criteria can be fulfilled. As a proof of principle, we achieve phase matching of second-harmonic generation (SHG) using a metasurface consisting of aluminium nanoparticles deposited on a glass substrate. The phase-matching condition is verified to be achieved by measuring superlinear dependence of the detected SHG as a function of number of passes. We measure an order of magnitude enhancement in the SHG signal when the incident pump traverses the metasurface up to 9 passes. Results are found to agree well with a simple model developed to estimate the generated SHG signals. We also discuss strategies to further scale-up the nonlinear signal generation. Our approach provides a clear pathway to enhance nonlinear optical responses of metasurface-based devices. The generic nature of our approach holds promise for diverse applications in nonlinear optics and photonics

Imeytystä, suodatusta ja linnunlaulua: Luontopohjaisen vesienhallinnan moninaishyödyt Porissa

Erilaiset luontopohjaiset ratkaisut ovat viime vuosina herättäneet kasvavaa kiinnostusta kansainvälisissä ja kansallisissa toimijoissa. Luontopohjaiset ratkaisut täydentävät teknistä lähestymistapaa painottavia maankäytön ja suunnittelun ratkaisumalleja, sillä niiden avulla voidaan ratkoa samanaikaisesti useita yhteiskunnallisia ongelmia. Luontopohjaisten ratkaisujen kysyntää ja ajankohtaisuutta lisäävät myös muut yhteiskuntien kohtaamat haasteet, kuten kaupungistumisen hallinta, luonnon monimuotoisuuden turvaaminen sekä kestävän kehityksen tavoitteisiin vastaaminen. Kaupunkisuunnittelussa luontopohjaisten ratkaisujen monihyötyisyyden tunnistaminen voi edistää toimialojen rajat ylittävää toimintaa. Hyötyjen ja kustannusten laaja-alainen tunnistaminen ja arviointi ovat edellytys myös valittaessa kokonaisuuden kannalta parhaita vaihtoehtoja sekä arvioitaessa maankäytön ristiriitatilanteita. Laaja-alainen hyötyjen tunnistaminen ja intressien yhteensovittaminen edellyttävät monitieteistä tutkimustietoa sekä uudenlaisia suunnittelun ja päätöksenteon toiminta- ja yhteistyömalleja. Luontopohjaisilla ratkaisuilla on mahdollista vastata myös moniin kuntien velvoitteisiin, kuten vesienhallinnan, virkistyspalveluiden, viherrakenteen ja biodiversiteetin kehittämiseen. Luontopohjaisten ratkaisuiden mahdollisuuksia vastata ilmastonmuutoksen aiheuttamiin yhteiskunnallisiin haasteisiin on tutkittu ”Tehokkaat ja vaikuttavat luontopohjaiset ratkaisut ilmastonmuutoksen sopeutumisen välineinä” -hankkeessa (TASAPELI). Vuonna 2018 käynnistynyttä tutkimushanketta koordinoi Suomen ympäristökeskus (SYKE) ja rahoittaa valtioneuvosto. Turun yliopiston maisemantutkimuksen toteuttamassa tapaustutkimuksessa selvitettiin luontopohjaisten vesienhallintaratkaisujen sosiaalista ja kulttuurista vaikuttavuutta. Tapaustutkimusta varten tehtiin haastatteluja ja järjestettiin sidosryhmätyöpaja.  Haastatteluilla pyrittiin selvittämään eri toimijoiden sekä kirjattuja että muita tavoitteita ja näiden toteutumista heidän näkökulmastaan. <br /

Koon ja sijainnin vaikutus kaupallisten radioiden tunnuslukuihin

Tutkielman tarkoituksena oli selvittää, vaikuttavatko yrityksen koko ja sijainti kaupallisten radioiden kannattavuuden, maksuvalmiuden ja vakavaraisuuden tunnuslukujen arvoihin. Empiirinen tutkimusaineisto koostui kaupallisten radioiden tilinpäätöstiedoista vuosilta 1999 ja 2000, jotka on kerätty voitto+ tietokannasta. Yritykset jaettiin kotipaikkansa perusteella kolmeen ryhmään: Pääkaupunkiseutu, isot kaupungit ja muut kunnat. Tilastollisena tutkimusmenetelmänä käytettiin regressioanalyysia ja käytännön merkittävyyttä tutkittiin effect size mittarilla. Lähdeaineistona käytettiin kotimaista ja ulkomaista kirjallisuutta ja tutkimuksia. Tutkimustulokset antoivat viitteitä siitä, että muissa kunnissa sijaitsevat radiot olisivat kannattavampia kuin pääkaupunkiseudulla ja isoissa kaupungeissa käyttökateprosentilla ja liikevoittoprosentilla mitattuna vuonna 2000. Koolla oli myös positiivinen riippuvuus edellä mainittuihin tunnuslukuihin, tosin vaikutus oli varsin vähäinen. Tutkimustuloksia ei voida kuitenkaan yleistää koskemaan radioita yleensä, koska mallin regressiokertoimet eivät aivan yltäneet tilastollisesti merkitsevälle tasolle ja koska aineisto oli varsin suppea. Muihin tunnuslukuihin koolla ja sijainnilla ei ollut vaikutusta. Keksiarvolukututkimuksen tulokset osoittivat muissa kunnissa sijaitsevien radioiden maksuvalmiuden tunnuslukujen olevan keskimäärin parempia kuin muissa sijaintiryhmissä.fi=Kokotekstiversiota ei ole saatavissa.|en=Fulltext not available.|sv=Fulltext ej tillgänglig

Polymeerihilojen käyttö pintaplasmonitutkimuksessa metallipinnoilla

In this work the use of polymer gratings for coupling of light into surface plasmon polariton (SPP) modes on a metal interface is studied using a simplified theoretical model, with numerical simulations and experimentally. SPPs are commonly excited on metal interfaces using evanescent near-fields or through periodic structures embedded in the metal itself. For use with special surfaces, such as single crystal metals, these common methods have several drawbacks either in terms of difficulty of the near-field coupling or the requirement for modifying the surface itself. By using polymer gratings these issues can be avoided, as the polymer gratings can be manufactured easily using electron beam lithography tools and subsequently removed whenever necessary using organic solvents. The effect of the polymer grating on the SPP dispersion is described analytically and through numerical simulations. We find that the SPP modes under the polymer grating behave similarly as in a one-dimensional photonic crystal. For the experiments several polymer gratings were fabricated with different dimensions to test the model derived in the theory section. The dispersion of the SPP modes under the grating structure are obtained with two different techniques and compared to numerical simulations and simplified theoretical models. The grating structures were also fabricated on top of graphene nanoribbons grown on a single crystal silver substrate.Tämä työ käsittelee valon kytkemistä pintaplasmonimoodeihin polymeeripohjaisten hilarakenteiden avulla. Rakenteiden vaikutuksia pintaplasmonimoodeihin tutkitaan yksinkertaistetun teoreettisen mallin, numeeristen simulaatioiden ja kokeiden avulla. Tyypillisesti valoa kytketään pintaplasmonimoodeihin lähikenttien avulla tai rakentamalla periodinen hila suoraan metallipintaan. Erikoisempien näytteiden kohdalla nämä metodit eivät välttämättä ole mahdollisia. Lähikenttien käyttö on koejärjestelyjen osalta hankalaa ja metallipintojen suora muokkaus ei ole aina järkevä vaihtoehto, kuten yksikiteisten substraattien kanssa. Käyttämällä polymeerihiloja näiltä ongelmilta vältytään. Hilat voidaan valmistaa tavanomaisia litografiakeinoja käyttäen ja ne voidaan myös poistaa näytettä muuten vahingoittamatta käyttämällä orgaanisia liuottimia. Työssä havaittiin pintaplasmonimoodien käyttäytyvän polymeeripohjaisten hilojen alla kuten valo yksiulotteisissa fotonikiteissä. Työn kokeellisessa osuudessa hiloja valmistettiin eri parametreja käyttäen, joilla pystyttiin testaamaan teoreettisen mallin ennusteita käytännössä. Pintaplasmonimoodien dispersio mitattiin kahta eri metodia käyttämällä ja mittaustuloksia verrattiin numeerisiin simulaatioihin ja teoriamalleihin. Hilarakenteita valmistettiin myös yksikiteisen hopean pinnalle, jonka päälle oli kasvatettu grafeeninauhoja

Nanopartikkeleista koostuvat rakennelmat

This thesis explores the optical response of systems made from metallic nanoparticles, combining numerical simulations and experimental studies. Metallic nanoparticles, which are much smaller than the wavelength of light, interact with optical fields through plasmonic resonances. These resonances depend strongly on the size, shape and environment of the particles, and the wavelengths that they scatter can be tuned across the whole visible spectrum using particles made from gold, silver and aluminum. The sensitivity to the environment has lead to applications for instance in chemical sensing, where particles floating in a solution aggregate when the target chemical is introduced, leading to a change in color observable without any specialized instrumentation.  The change in color of the aggregates comes from the near-field interactions between the particles. Instead of uncontrolled aggregation, the particles can also be self-assembled around other nanoscale objects acting as scaffolds for the construction. The self-assembled structures have been studied in the Publications III and IV of this thesis, where gold nanoparticles were assembled around twisting, stick-like nanostructures. The resulting structures were found to show large plasmonic circular dichroism, while the individual gold nanoparticles used to make the structures do not have this property. The structures were simulated numerically in the work conducted for this thesis, and found to match the experiments well.  The color of the nanoparticles can be changed also by making periodic lattices from them. In reflection or transmission through the structure, a narrow wavelength range can be boosted due to constructive interference, while others are diminished by destructive interference. This wavelength range can be chosen by tilting the incident angle or changing the particle spacing. The cover image shows a number of aluminum nanoparticle arrays with different periodicities, reflecting light across the whole visible spectrum. This type of structures have been studied in Publications I and II of the thesis as a platform for realizing minituarized laser sources.  The optical properties of the particle lattices are discussed in detail, starting from simplified models and moving to numerical simulations and experiments done. Both one dimensional and two dimensional lattices are shown to act as lasers when covered with organic dye molecules. Curiously, both structures show lasing in an optical dark mode -- a mode where light typically cannot be coupled to from the far field.Tämä väitöskirja käsittelee metallisista nanohiukkasista koostuvien järjestelmien optista vastetta numeeristen simulaatioiden ja kokeellisen tutkimuksen kautta. Metalliset nanohiukkaset vuorovaikuttavat valon kanssa plasmoniresonanssien kautta. Nämä resonanssit riippuvat voimakkaasti hiukkasten koosta, muodosta ja ympäristöstä. Plasmoniresonanssien herkkyyttä hiukkasia ympäröivälle materiaalille käytetään hyväksi esimerkiksi kemiallisessa tunnistuksessa, jossa liuoksessa kelluvat hiukkaset tarttuvat toisiinsa kiinni kun kohdekemikaalia lisätään. Tästä seuraa liuoksen värin muutos, joka voidaan havaita paljain silmin ilman erityistä mittalaitteistoa.  Toisiinsa tarttuneiden hiukkasten värin muutos on seurausta plasmoniresonanssien lähikenttien välisestä vuorovaikutuksesta. Hallitsemattoman tarttumisen sijaan hiukkaset voidaan myös järjestää muiten nanokokoisten objektien ympärille, jotka toimivat rakennustelineinä hiukkasille. Tämän tyyppisten itsejärjestyneiden systeemien optista vastetta tutkittiin julkaisuissa III ja IV, missä kultananohiukkaiset koottiin kiertyneiden, nanokokoisten tikkujen ympärille. Tuloksena olevilla rakenteilla havaittiin olevan suuri plasmoniresonansseista riippuva ero vasen- ja oikeakätisen valon polarisaatioille. Rakennuspalikoina käytetyillä kultahiukkasilla tätä ominaisuutta ei ole. Rakenteita simuloitiin numeerisesti ja tulokset vastaavat hyvin kokeellisia havaintoja.  Nanohiukkasten väriä voidaan muuttaa myös tekemällä säännöllisiä hilarakenteita. Heijastuneessa tai läpi menneessä valossa kapea aallonpituusalue näkyy voimakkaammin konstruktiivisen interferenssin vuoksi, kun taas muilla aallonpituuksilla destruktiivinen interferenssi heikentää valon intensiteettiä. Tätä aallonpituusaluetta voidaan säätää kallistamalla näytettä tai muuttamalla hiukkasten välistä etäisyyttä. Väitöskirjan kansikuvassa on alumiinipartikkeleista valmistettuja hiloja eri partikkeleiden välisillä etäisyyksillä, jotka heijastavat eri aallonpituuksia koko näkyvän spektrin alueelta. Tämäntyyppisiä rakenteita on tutkittu väitöskirjan julkaisuissa I ja II alustana miniariturisoitujen laserlähteen toteuttamisessa.  Hilojen optisia ominaisuuksia käydään läpi väitöskirjassa alkaen yksinkertaistetuista malleista, jonka jälkeen siirrytään numeerisiin malleihin ja kokeisiin. Yksi- ja kaksiulotteisia hiloja käytettiin laserlähteinä orgaanisten väriaineiden kanssa

One-Dimensional Plasmonic Nanoparticle Chain Lasers

Controlling and generating coherent light fields in the nanoscale is critical for reducing the size of photonic circuitry. There are several demonstrations of zero-, one-, two-, and three-dimensional nanolaser architectures. Here we experimentally demonstrate a one-dimensional plasmonic laser, which consists of a periodic chain of aluminum nanoparticles and organic gain media. Lasing is observed at visible wavelengths, with clear thresholds and line widths down to 0.11 nm. Lasing occurs in a dark mode that extends over the whole structure, even outside the pumped area. The single lithography step fabrication and one-dimensional character allow for easy integration of these laser sources with other plasmonic structures.Peer reviewe