Nonlinear optics using resonant metamaterial structures

Metamaterials are artificial structures consisting of nanoscale building blocks that exhibit properties not found in nature. They have recently shown potential for utilizing nonlinear processes such as second-harmonic generation (SHG) and spontaneous parametric down-conversion (SPDC) in nanoscale applications. Despite the constant progress, metamaterials still lack in terms of conversion efficiency when compared with conventional nonlinear materials that benefit of long propagation lengths and gradual increase of signals via phase matching. In previous studies of plasmonic metamaterials, the nonlinear properties of metal nanoparticles are enhanced with localized surface plasmon resonances (LSPRs). These resonances have rather short lifetimes leading to high losses typical to metal nanoparticles. Therefore, alternative approaches to realize efficient metamaterials are required. In this thesis, we present two enhancement methods that are rather well known and studied but not yet fully utilized in nonlinear nanophotonics. The first methods is to utilize collective responses of periodic nanoscale structures known as surface lattice resonances (SLRs) and guided-mode resonances (GMRs). They are associated with narrow spectral features implying the presence of strong local fields and thus enhanced nonlinear responses. Another method to enhance local fields is to couple relevant fields to an external cavity. This method is used in various nonlinear applications such as in optical parametric oscillators (OPOs) and it has been studied also in nanoscale processes. Here, we investigate how SLRs and microcavities could be used to improve nonlinear metamaterials. First, we perform proof-of-principle studies showing that utilization of GMRs can dramatically enhance SHG occurring in sub-wavelength dielectric gratings. We measure linear and SH response of two silicon nitride gratings and compare the results with simulations based on the nonlinear scattering theory (NLST). As our experiments agree with simulations, we then propose two novel plasmonic metamaterial structures designed for SPDC. The first structure is a metasurface consisting of L-shaped aluminum nanoparticles arranged in a rectangular lattice. The metasurface exhibits SLRs at pump and signal wavelengths resulting in a strong enhancement for the SPDC process where the pump and signal have orthogonal polarizations. Thus, the metasurface mimics a type-I SPDC-crystal which are widely used in quantum optics as photon-pair sources. Our second design consists of a singly-resonant plasmonic metasurface that is placed inside a microcavity formed with two distributed Bragg reflectors. The cavity is designed to resonate with the pump while the SLR of the metasurface is designed to enhance the local field at the signal wavelength. Our simulations demonstrate a polarization-independent operation where the SPDC is dramatically enhanced at the operation wavelength. This design then can act as either type-0, type-I or type-II nonlinear material, which are all used in quantum optics. The simulations presented here demonstrate a clear path towards efficient photon-pair generation with nanoscale structures via SPDC. In addition to SHG and SPDC, our structure designs and methods could be utilized also for other nonlinear processes such as cascaded third-harmonic generation or difference-frequency generation. These approaches could pave the path towards development of nanoscale light sources operating in ultraviolet and terahertz regions.Metamateriaalit ovat keinotekoisia rakenteita, joilla on luonnosta löytymättömiä ominaisuuksia. Metamateriaalit koostuvat yleensä nanoskaalan rakenteista kuten metallinanohiukkasista. Viimeaikainen kehitys nanorakenteiden valmistuksessa on mahdollistanut epälineaaristen ilmiöiden, kuten taajuudenkahdennuksen tai parametrisen fluoresenssin (eng. spontaneous parametric down-conversion, SPDC) tutkimisen metamateriaaleissa. Jatkuvasta kehityksestä huolimatta metamateriaalien epälineaariset vasteet ovat huomattavasti heikompia kuin perinteisten epälineaaristen materiaalien, jotka hyödyntävät vaihesovitusmenetelmiä. Tässä työssä esitellään kaksi menetelmää, joita on tutkittu ja sovellettu laajasti, mutta joiden mahdollisia nanoskaalan sovelluksia on vasta hiljattain alettu tutkimaan. Ensimmäinen menetelmä hyödyntää hilaresonansseja, jotka ovat jaksollisten rakenteiden vasteita. Hilaresonanssien viritystilat ovat tyypillisiä materiaalivasteita huomattavasti pitkäikäisempiä. Tämän seurauksena epälineaariset vasteet voimistuvat niitä käyttämällä paljon enemmän ja paljon kapeammalla kaistanleveydellä, kuin aikaisemissa tutkimuksissa. Toisena menetelmänä käsitellään oleellisten kenttien kytkemistä optisiin resonaattoreihin, joita on jo pitkään hyödynnetty useissa epälineaarisen optiikan sovelluksissa, kuten optisissa parameterisissa oskillaattoreissa. Tässä työssä tutkitaan kuinka hilaresonanssien ja optisien resonaattoreiden avulla voidaan vahvistaa metamateriaalien epälineaarisia vasteita. Työn ensimmäisessä osassa osoitettiin hilaresonanssien vaikutus mittaamaalla taajuudenkahdennusta resonanteista piinitridihiloista. Mittaustuloksia vertailtiin simulaatiotuloksiin, jotka perustuivat epälineaariseen sirontateoriaan. Mittaukset ja simulaatiot yhtenäisesti osoittivat hilaresonanssien toimivuuden, mikä kannustaa suunnitelemaan uusia metamateriaalirakenteita mainittujen menetelmien avulla. Työn toisessa osassa esitellään kaksi resonanttia metamateriaalirakennetta, jotka on suunniteltu mahdollisimman tehokkaaseen fotoniparien muodostukseen SPDC:n avulla. Ensimmäisenä materiaalina tutkittiin alumiininanopartikkeleista muodostettua metamateriaalia. Partikkelit asetettiin suorakulmaiseen hilaan siten, että näytteellä oli hilaresonanssit sekä pumppu- että signaaliaallonpituuksilla. Tällöin huomattiin huomattava vahvistus SPDC-vasteessa, kun pumppu ja signaali ovat kohtisuorasti polarisoituneita. Täten metamateriaali voisi toimia fotoniparilähteenä kvanttioptiikan sovelluksissa. Toinen ehdotettu rakenne koostuu metamateriaalista, joka on asetettu mikroskaalan resonaattoriin. Suurin SPDC:n vahvistus saadtiin kytkemällä pumppu Bragg-hiloista muodostettuun resonaattoriin samalla, kun hilaresonanssit vahvistavat paikalliskenttiä signaaliaallonpituudella. Signaalien arvioitiin olevan yhtä voimakattaita kaikille sallituille polarisaatioyhdistelmille, mikä kuvastaa kyseisen metamateriaalin toiminnan joustavuutta ja soveltuvuutta moniin eri käytttötarkoituksiin. Työssä esitetyt simulaatiot kannustavat resonanttien metamateriaalien kehittämiseen nanoskaalan fotoniparimuodostusta varten. SPDC:n ja taajuudenkahdennuksen lisäksi työssä esiteltyjä rakenteita voidaan käyttää myös muiden epälineaaristen ilmiöiden kuten taajuudenkolmennuksen tai erotustaajuden muodostuksen vahvistamiseen metamateriaaleissa. Tämän työn tulokset voisivat siten olla lähtökohta tutkimukselle, jonka tavoitteena olisi ultravioletti-ja terahertsialueilla toimivien nanoskaalan valonlähteiden kehittäminen

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

Spectral Vector Beams for High-Speed Spectroscopic Measurements

Structured light harnessing multiple degrees of freedom has become a powerful approach to use complex states of light in fundamental studies and applications. Here, we investigate the light field of an ultrafast laser beam with a wavelength-depended polarization state, a beam we term spectral vector beam. We demonstrate a simple technique to generate and tune such structured beams and demonstrate their spectroscopic capabilities. By only measuring the polarization state using fast photodetectors, it is possible to track pulse-to-pulse changes in the frequency spectrum caused by, e.g. narrowband transmission or absorption. In our experiments, we reach read-out rates of around 6 MHz, which is limited by our technical ability to modulate the spectrum and can in principle reach GHz read-out rates. In simulations we extend the spectral range to more than 1000 nm by using a supercontinuum light source, thereby paving the way to various applications requiring high-speed spectroscopic measurements.Comment: 11 pages, 12 figure

Backward phase-matched second-harmonic generation from stacked metasurfaces

We demonstrate phase-matched second-harmonic generation (SHG) from three-dimensional metamaterials consisting of stacked metasurfaces. To achieve phase matching, we utilize a novel mechanism based on phase engineering of the metasurfaces at the interacting wavelengths, facilitating phase-matched SHG in the unconventional backward direction. By stacking up to five metasurfaces, we obtain the expected factor of 25 enhancement in SHG efficiency. Our results motivate further investigations to achieve higher conversion efficiencies also with more complex wavefronts.Comment: 5 pages, 3 figures, supplementary materia

Diffusion tensor imaging is associated with motor outcomes of very preterm born children at 11 years of age

Aim Very preterm children born Methods A cohort of 37 very preterm infants (mean gestational age 29 4/7, SD 2 0/7) born in 2004-2006 in Turku University Hospital underwent diffusion tensor imaging at term. A region of interest analysis of fractional anisotropy and mean diffusivity was performed. Motor outcomes at 11 years of age were measured with the Movement Assessment Battery for Children - Second Edition. Results The diffusion metrics of the corpus callosum (genu P = .005, splenium P = .049), the left corona radiata (P = .035) and the right optic radiation (P = .017) were related to later motor performance. Mean diffusivity decreased and fractional anisotropy increased in proportion to the improving performance. Conclusion The diffusion metrics of the genu and splenium of the corpus callosum, the left corona radiata and the right optic radiation at term were associated with motor skills at 11 years of age. Diffusion tensor imaging should be further studied as a potential tool in recognising children at risk for motor impairment.</div

EuReCa ONE—27 Nations, ONE Europe, ONE Registry A prospective one month analysis of out-of-hospital cardiac arrest outcomes in 27 countries in Europe

AbstractIntroductionThe aim of the EuReCa ONE study was to determine the incidence, process, and outcome for out of hospital cardiac arrest (OHCA) throughout Europe.MethodsThis was an international, prospective, multi-centre one-month study. Patients who suffered an OHCA during October 2014 who were attended and/or treated by an Emergency Medical Service (EMS) were eligible for inclusion in the study. Data were extracted from national, regional or local registries.ResultsData on 10,682 confirmed OHCAs from 248 regions in 27 countries, covering an estimated population of 174 million. In 7146 (66%) cases, CPR was started by a bystander or by the EMS. The incidence of CPR attempts ranged from 19.0 to 104.0 per 100,000 population per year. 1735 had ROSC on arrival at hospital (25.2%), Overall, 662/6414 (10.3%) in all cases with CPR attempted survived for at least 30 days or to hospital discharge.ConclusionThe results of EuReCa ONE highlight that OHCA is still a major public health problem accounting for a substantial number of deaths in Europe.EuReCa ONE very clearly demonstrates marked differences in the processes for data collection and reported outcomes following OHCA all over Europe. Using these data and analyses, different countries, regions, systems, and concepts can benchmark themselves and may learn from each other to further improve survival following one of our major health care events

Nonlinear optics using resonant metamaterial structures

Metamaterials are artificial structures consisting of nanoscale building blocks that exhibit properties not found in nature. They have recently shown potential for utilizing nonlinear processes such as second-harmonic generation (SHG) and spontaneous parametric down-conversion (SPDC) in nanoscale applications. Despite the constant progress, metamaterials still lack in terms of conversion efficiency when compared with conventional nonlinear materials that benefit of long propagation lengths and gradual increase of signals via phase matching. In previous studies of plasmonic metamaterials, the nonlinear properties of metal nanoparticles are enhanced with localized surface plasmon resonances (LSPRs). These resonances have rather short lifetimes leading to high losses typical to metal nanoparticles. Therefore, alternative approaches to realize efficient metamaterials are required. In this thesis, we present two enhancement methods that are rather well known and studied but not yet fully utilized in nonlinear nanophotonics. The first methods is to utilize collective responses of periodic nanoscale structures known as surface lattice resonances (SLRs) and guided-mode resonances (GMRs). They are associated with narrow spectral features implying the presence of strong local fields and thus enhanced nonlinear responses. Another method to enhance local fields is to couple relevant fields to an external cavity. This method is used in various nonlinear applications such as in optical parametric oscillators (OPOs) and it has been studied also in nanoscale processes. Here, we investigate how SLRs and microcavities could be used to improve nonlinear metamaterials. First, we perform proof-of-principle studies showing that utilization of GMRs can dramatically enhance SHG occurring in sub-wavelength dielectric gratings. We measure linear and SH response of two silicon nitride gratings and compare the results with simulations based on the nonlinear scattering theory (NLST). As our experiments agree with simulations, we then propose two novel plasmonic metamaterial structures designed for SPDC. The first structure is a metasurface consisting of L-shaped aluminum nanoparticles arranged in a rectangular lattice. The metasurface exhibits SLRs at pump and signal wavelengths resulting in a strong enhancement for the SPDC process where the pump and signal have orthogonal polarizations. Thus, the metasurface mimics a type-I SPDC-crystal which are widely used in quantum optics as photon-pair sources. Our second design consists of a singly-resonant plasmonic metasurface that is placed inside a microcavity formed with two distributed Bragg reflectors. The cavity is designed to resonate with the pump while the SLR of the metasurface is designed to enhance the local field at the signal wavelength. Our simulations demonstrate a polarization-independent operation where the SPDC is dramatically enhanced at the operation wavelength. This design then can act as either type-0, type-I or type-II nonlinear material, which are all used in quantum optics. The simulations presented here demonstrate a clear path towards efficient photon-pair generation with nanoscale structures via SPDC. In addition to SHG and SPDC, our structure designs and methods could be utilized also for other nonlinear processes such as cascaded third-harmonic generation or difference-frequency generation. These approaches could pave the path towards development of nanoscale light sources operating in ultraviolet and terahertz regions.Metamateriaalit ovat keinotekoisia rakenteita, joilla on luonnosta löytymättömiä ominaisuuksia. Metamateriaalit koostuvat yleensä nanoskaalan rakenteista kuten metallinanohiukkasista. Viimeaikainen kehitys nanorakenteiden valmistuksessa on mahdollistanut epälineaaristen ilmiöiden, kuten taajuudenkahdennuksen tai parametrisen fluoresenssin (eng. spontaneous parametric down-conversion, SPDC) tutkimisen metamateriaaleissa. Jatkuvasta kehityksestä huolimatta metamateriaalien epälineaariset vasteet ovat huomattavasti heikompia kuin perinteisten epälineaaristen materiaalien, jotka hyödyntävät vaihesovitusmenetelmiä. Tässä työssä esitellään kaksi menetelmää, joita on tutkittu ja sovellettu laajasti, mutta joiden mahdollisia nanoskaalan sovelluksia on vasta hiljattain alettu tutkimaan. Ensimmäinen menetelmä hyödyntää hilaresonansseja, jotka ovat jaksollisten rakenteiden vasteita. Hilaresonanssien viritystilat ovat tyypillisiä materiaalivasteita huomattavasti pitkäikäisempiä. Tämän seurauksena epälineaariset vasteet voimistuvat niitä käyttämällä paljon enemmän ja paljon kapeammalla kaistanleveydellä, kuin aikaisemissa tutkimuksissa. Toisena menetelmänä käsitellään oleellisten kenttien kytkemistä optisiin resonaattoreihin, joita on jo pitkään hyödynnetty useissa epälineaarisen optiikan sovelluksissa, kuten optisissa parameterisissa oskillaattoreissa. Tässä työssä tutkitaan kuinka hilaresonanssien ja optisien resonaattoreiden avulla voidaan vahvistaa metamateriaalien epälineaarisia vasteita. Työn ensimmäisessä osassa osoitettiin hilaresonanssien vaikutus mittaamaalla taajuudenkahdennusta resonanteista piinitridihiloista. Mittaustuloksia vertailtiin simulaatiotuloksiin, jotka perustuivat epälineaariseen sirontateoriaan. Mittaukset ja simulaatiot yhtenäisesti osoittivat hilaresonanssien toimivuuden, mikä kannustaa suunnitelemaan uusia metamateriaalirakenteita mainittujen menetelmien avulla. Työn toisessa osassa esitellään kaksi resonanttia metamateriaalirakennetta, jotka on suunniteltu mahdollisimman tehokkaaseen fotoniparien muodostukseen SPDC:n avulla. Ensimmäisenä materiaalina tutkittiin alumiininanopartikkeleista muodostettua metamateriaalia. Partikkelit asetettiin suorakulmaiseen hilaan siten, että näytteellä oli hilaresonanssit sekä pumppu- että signaaliaallonpituuksilla. Tällöin huomattiin huomattava vahvistus SPDC-vasteessa, kun pumppu ja signaali ovat kohtisuorasti polarisoituneita. Täten metamateriaali voisi toimia fotoniparilähteenä kvanttioptiikan sovelluksissa. Toinen ehdotettu rakenne koostuu metamateriaalista, joka on asetettu mikroskaalan resonaattoriin. Suurin SPDC:n vahvistus saadtiin kytkemällä pumppu Bragg-hiloista muodostettuun resonaattoriin samalla, kun hilaresonanssit vahvistavat paikalliskenttiä signaaliaallonpituudella. Signaalien arvioitiin olevan yhtä voimakattaita kaikille sallituille polarisaatioyhdistelmille, mikä kuvastaa kyseisen metamateriaalin toiminnan joustavuutta ja soveltuvuutta moniin eri käytttötarkoituksiin. Työssä esitetyt simulaatiot kannustavat resonanttien metamateriaalien kehittämiseen nanoskaalan fotoniparimuodostusta varten. SPDC:n ja taajuudenkahdennuksen lisäksi työssä esiteltyjä rakenteita voidaan käyttää myös muiden epälineaaristen ilmiöiden kuten taajuudenkolmennuksen tai erotustaajuden muodostuksen vahvistamiseen metamateriaaleissa. Tämän työn tulokset voisivat siten olla lähtökohta tutkimukselle, jonka tavoitteena olisi ultravioletti-ja terahertsialueilla toimivien nanoskaalan valonlähteiden kehittäminen

Järn och hälsa - Tonårstjejers uppfattningar och medvetenhet om järn

Järnbrist är en av de tio enskilt största riskfaktorerna för förlorade friska levnadsår, studier har visat att upp till 40 % av tonårsflickor i Sverige har järnbrist. Vad man kan göra för att påverka järnstatusen för denna utsatta grupp är att få dem att öka intaget av livsmedel, ge kunskap om måltidssammansättning eller att återinföra järnberikning av mjöl Kostens sammansättning har betydelse för absorptionen av järn, en kost som innehåller stimulerande faktorer kan öka absorptionen av järn med 2.5 gånger jämfört med en kost som innehåller hämmande faktorer. Kalcium har visat sig ha en hämmande effekt på absorptionen av järn, exempelvis kan ett glas mjölk hämma absorptionen med 50 %. Syftet med detta examensarbete var att undersöka tonårstjejers uppfattningar om järn i kosten samt deras medvetenhet om järnrika livsmedel och faktorer som påverkar absorptionen av järn. Vi ville se om uppfattningar eller medvetenhet påverkade tonårstjejers val av livsmedel och hur väl de kombinerade ihop en måltid ur järnhänseende. För att få svar på våra frågeställningar valde vi att göra en enkätundersökning på en gymnasieskola samt hos en idrottsförening i västra Sverige, totalt medverkade sjuttiofem tonårstjejer i studien. Resultat av enkätundersökningen visade att det inte fanns några korrelationer mellan uppfattningar eller medvetenhet med tonårstjejernas val av livsmedel. För denna grupp tonårstjejer kan man konstatera att ur järnhänseende görs det oftast inga bra livsmedelsval, de bra matval man gör i avseende järn förstörs av att man väljer dryck som hämmar kroppens absorption av järn