Behavior of propagating and evanescent components in azimuthally polarized non-paraxial fields

The contribution of the propagating and the evanescent waves associated with freely propagating non-paraxial light fields whose transverse component is azimuthally polarized at some plane is investigated. Analytic expressions are derived for describing both the spatial shape and the relative weight of the propagating and the evanescent components integrated over the transverse plane. The analysis is carried out within the framework of the plane-wave angular spectrum approach. These results are used to illustrate the behavior of a kind of donut-like beams with transverse azimuthal polarization at some plane.

Counter-propagating dual-trap optical tweezers based on linear momentum conservation

We present a dual-trap optical tweezers setup which directly measures forces using linear momentum conservation. The setup uses a counter-propagating geometry, which allows momentum measurement on each beam separately. The experimental advantages of this setup include low drift due to all-optical manipulation, and a robust calibration (independent of the features of the trapped object or buffer medium) due to the force measurement method. Although this design does not attain the high-resolution of some co-propagating setups, we show that it can be used to perform different single molecule measurements: fluctuation-based molecular stiffness characterization at different forces and hopping experiments on molecular hairpins. Remarkably, in our setup it is possible to manipulate very short tethers (such as molecular hairpins with short handles) down to the limit where beads are almost in contact. The setup is used to illustrate a novel method for measuring the stiffness of optical traps and tethers on the basis of equilibrium force fluctuations, i.e., without the need of measuring the force vs molecular extension curve. This method is of general interest for dual trap optical tweezers setups and can be extended to setups which do not directly measure forces.

Tuulikuormien vaikutus teleskooppimaston toimintaan

Tämä diplomityö on tehty Patria Vehicles Oy:n toimeksiannosta. Patria Vehicles Oy:n tuotantoon kuuluvat vaativiin maasto-olosuhteisiin soveltuvat sotilasajoneuvot sekä teleskooppimastot. Tutkimuksen tarkoituksena oli mallintaa mastoperävaunusta joustava malli, johon vaikuttavat tuulikuormat. Mallin avulla voidaan tutkia maston siirtymiä, kallistumia sekä kiertymiä. Tutkimuksessa on käytetty ADAMS-simulointiohjelmistoa sekä I-DEAS- FEM ohjelmistoa. Dynaamisten ongelmien ratkaisemiseksi on ymmärrettävä rakenteiden käyttäytymistä. Tuulikuormien mallintamisen edellytyksenä on tuulikuormien syntymisen ymmärtäminen. Tämän työn peruslähtökohtana on mallintaa kaikki maston jäykkyyteen vaikuttavat komponentit joustavina FE-menetelmän avulla. Luodaan superelementit Craig-Bamptonin ominaismuotojen superponointimenetelmällä. Nämä superelementit liitetään toisiinsa ja asetetaan niille tuulikuormat. Luodaan kosketukset puomien, sekä maan ja maston välille. Pienennetään joustavien osien ominaismuotojen määrää, jotta saataisiin nopeammat analyysit. Parametrisoidaan malli, jolloin voidaan analysoida mallilla useampia tapauksia. Verifioidaan malli varmistaaksemme sen oikeellisuuden. Taulukoidaan tulokset.

Teräspalkkirakenteiden palomitoitus hiilivetypalossa

Työn tavoitteena oli kehittää teräspalkkirakenteiden palosuunnittelua ja palosuojauksen toteutusta öljynjalostamolla käytettävien kantavien teräspalkkirakenteiden osalta. Lisäksi tavoitteena oli luoda suunnitteluohjeen runko palomitoituksen toteuttamiseksi Neste Engineering Oy:ssä. Ongelmakohtia työssä olivat rakenteiden kapasiteettien tarkka määritys, toimivien toteutusratkaisujen etsiminen, sekä öljynjalostamolla mitoituspalona käytettävän hiilivetypalon SFS-ENV-1992-1-2 käyttö yleisemmin mitoituspalona käytettävän standardipalo ISO-834 sijaan. Työssä perehdyttiin kirjallisuuden perusteella eri palosuojausmenetelmiin. Tarkemman jatkotutkimuksen kohteeksi otettiin jo käytössä hyväksi havaittu teräsputkipalkkien sisäpuoleinen betonitäyttö. Menetelmässä teräsputkipalkin oletetaan kantavan kuormat normaalitilassa ja sisällä olevan raudoitetun betonin palossa. Palkkirakenteiden kapasiteettimitoitus määritettiin laskennallisesti poikkileikkauksille. Mitoitus perustuu palkissa tapahtuvien sisäisten venymien ja puristumien tarkasteluun, sekä poikkileikkauksen tarkan lämpötilajakauman huomioimiseen. Raudoitustankojen ankkurointia palkki-pilari-liitoksessa kehitettiin valmistuksen kannalta yksioikoisemmaksi ja helpommin toteutettavaksi. Palkkien raudoituksiin suunniteltiin kierremuhvijatkoksella toteutettava ankkurointimenetelmä, jolla palkkien raudoitustangot saadaan ankkuroitua täydestä kapasiteetistaan tapauskohtaisesti pilarin vastakkaisella puolella olevaan palkkiin tai ankkurointikappaleella pilariin. Teräsputkipilarin betonivalun vaihtoehtoisiin menetelmiin tutustuttiin. Pilarin alapäähän asennettavan venttiilin läpi tapahtuva täyttö helpottaa betonointityövaihetta. Tutkimuksen tuloksena luotiin suunnitteluohjeen runko, jonka pohjalta voidaan tehdä lopullinen ohje. Myös työn tuloksena saatu laskentaohjelma palkkien momentti-kapasiteetin ja pilarin nurjahduskuorman laskemiseksi helpottaa suunnittelua. Raudoituksen ankkurointiin ja betonointiin esitettyjen menetelmien toimivuus on syytä kokeilla käytännössä ja tehdä jatkokehitys näistä saatavien kokemusten pohjalta.

Synthesis of highly focused fields with circular polarization at any transverse plane

We develop a method for generating focused vector beams with circular polarization at any transverse plane. Based on the Richards-Wolf vector model, we derive analytical expressions to describe the propagation of these set of beams near the focal area. Since the polarization and the amplitude of the input beam are not uniform, an interferometric system capable of generating spatially-variant polarized beams has to be used. In particular, this wavefront is manipulated by means of spatial light modulators displaying computer generated holograms and subsequently focused using a high numerical aperture objective lens. Experimental results using a NA=0.85 system are provided: irradiance and Stokes images of the focused field at different planes near the focal plane are presented and compared with those obtained by numerical simulation.

On the longitudinal component of paraxial fields

The analysis of paraxial Gaussian beams features in most undergraduate courses in laser physics, advanced optics and photonics. These beams provide a simple model of the field generated in the resonant cavities of lasers, thus constituting a basic element for understanding laser theory. Usually, uniformly polarized beams are considered in the analytical calculations, with the electric field vibrating at normal planes to the propagation direction. However, such paraxial fields do not verify the Maxwell equations. In this paper we discuss how to overcome this apparent contradiction and evaluate the longitudinal component that any paraxial Gaussian beam should exhibit. Despite the fact that the assumption of a purely transverse paraxial field is useful and accurate, the inclusion of the above issue in the program helps students to clarify the importance of the electromagnetic nature of light, thus providing a more complete understanding of the paraxial approach.

Transverse and longitudinal components of the propagating and evanescent waves associated to radially-polarized nonparaxial fields

A comparison is established between the contributions of transverse and longitudinal components of both the propagating and the evanescent waves associated to freely propagating radially polarized nonparaxial beams. Attention is focused on those fields that remain radially polarized upon propagation. In terms of the plane-wave angular spectrum of these fields, analytical expressions are given for determining both the spatial shape of the above components and their relative weight integrated over the whole transverse plane. The results are applied to two kinds of doughnut-like beams with radial polarization, and we compare the behavior of such fields at two transverse planes.

Lujitemuovisen kaavinterän kannatinpalkin suunnittelu

Diplomityössä perehdytään lujitemuovikomposiitteihin sekä niiden valmistusmenetelmiin. Tavoitteena on kehittää lujitemuovinen paperikoneen kaavinterän kannatinpalkkirakenne. Suunniteltavalla tuotteella pyritään korvaamaan perinteisesti teräksestä valmistetut paperikoneiden kaavinterän pidikepalkit paremmin tarkoitukseen sopivalla lujitemuovisella rakenteella sekä parantamaan jo tuotannossa olevan tuotteen ominaisuuksia. Työssä selvitetään tuotteen vaatimukset, joiden pohjalta laaditaan tuotteen vaatimusprofiili ja suoritetaan materiaalinvalinta perustuen ominaisarvovertailuihin. Suunnitteluosiossa tutkitaan eri rakenneratkaisujen soveltuvuutta kohteeseen. Tutkimustulosten perusteella saatiin kattava kuva eri materiaalien soveltuvuudesta kohteeseen sekä kehitettiin rakenneratkaisu, joka täyttää tuotteelta vaaditut ominaisuudet. Tutkimustulosten pohjalta syntyi myös uuden tyyppinen rakenne jolla saavutetaan huomattavaa tilansäästöä perinteisiin rakenneratkaisuihin nähden. Tämän rakenneratkaisun kehitystyötä on tarkoitus jatkaa.

Doses monitoring in radiology: calibration of air kerma-area product (PKA) meters

Objective The authors have sought to study the calibration of a clinical PKA meter (Diamentor E2) and a calibrator for clinical meters (PDC) in the Laboratory of Ionizing Radiation Metrology at Instituto de Energia e Ambiente - Universidade de São Paulo. Materials and Methods Different qualities of both incident and transmitted beams were utilized in conditions similar to a clinical setting, analyzing the influence from the reference dosimeter, from the distance between meters, from the filtration and from the average beam energy. Calibrations were performed directly against a standard 30 cm3 cylindrical chamber or a parallel-plate monitor chamber, and indirectly against the PDC meter. Results The lowest energy dependence was observed for transmitted beams. The cross calibration between the Diamentor E2 and the PDC meters, and the PDC presented the greatest propagation of uncertainties. Conclusion The calibration coefficient of the PDC meter showed to be more stable with voltage, while the Diamentor E2 calibration coefficient was more variable. On the other hand, the PDC meter presented greater uncertainty in readings (5.0%) than with the use of the monitor chamber (3.5%) as a reference.

Design of highly focused fields that remain unpolarized on axis

Research on the properties of highly focused fields mainly involved fully polarized light, whereas partially polarized waves received less attention. The aim of this Letter is to provide an appropriate framework, for designing some features of the focused field, when dealing with incoming partially polarized beams. In particular, in this Letter, we describe how to get an unpolarized field on the axis of a high numerical aperture objective lens. Some numerical results that corroborate theoretical predictions are provided.

Monte Carlo simulation of x-ray emission by kilovolt electron bombardment

A physical model for the simulation of x-ray emission spectra from samples irradiated with kilovolt electron beams is proposed. Inner shell ionization by electron impact is described by means of total cross sections evaluated from an optical-data model. A double differential cross section is proposed for bremsstrahlung emission, which reproduces the radiative stopping powers derived from the partial wave calculations of Kissel, Quarles and Pratt [At. Data Nucl. Data Tables 28, 381 (1983)]. These ionization and radiative cross sections have been introduced into a general-purpose Monte Carlo code, which performs simulation of coupled electron and photon transport for arbitrary materials. To improve the efficiency of the simulation, interaction forcing, a variance reduction technique, has been applied for both ionizing collisions and radiative events. The reliability of simulated x-ray spectra is analyzed by comparing simulation results with electron probe measurements.

Monte Carlo simulation of x-ray spectra generated by kilo-electron-volt electrons

We present a general algorithm for the simulation of x-ray spectra emitted from targets of arbitrary composition bombarded with kilovolt electron beams. Electron and photon transport is simulated by means of the general-purpose Monte Carlo code PENELOPE, using the standard, detailed simulation scheme. Bremsstrahlung emission is described by using a recently proposed algorithm, in which the energy of emitted photons is sampled from numerical cross-section tables, while the angular distribution of the photons is represented by an analytical expression with parameters determined by fitting benchmark shape functions obtained from partial-wave calculations. Ionization of K and L shells by electron impact is accounted for by means of ionization cross sections calculated from the distorted-wave Born approximation. The relaxation of the excited atoms following the ionization of an inner shell, which proceeds through emission of characteristic x rays and Auger electrons, is simulated until all vacancies have migrated to M and outer shells. For comparison, measurements of x-ray emission spectra generated by 20 keV electrons impinging normally on multiple bulk targets of pure elements, which span the periodic system, have been performed using an electron microprobe. Simulation results are shown to be in close agreement with these measurements.

Runkopalkkien valmistuksen kehittäminen

Diplomityössä kehitetään runkopalkkien valmistusta Juhani Haavisto Oy:ssä. Palkkien valmistusta käsitellään hitsauksen ja koneistuksen osalta. Työn alussa perehdytään hitsauksen mekanisointiin, hitsattavuuteen, lastuttavuuteen sekä hitsaus- ja koneistuskiinnittimiin teorian osalta. Tämän jälkeen esitellään valmistettava tuote. Kokeellisessa osassa esitetään runkopalkkien valmistusvaiheet ennen ja jälkeen kehityksen. Esille tulevat niin hitsauksen kuin koneistuksenkin valmistusvaiheet. Tutkimuksessa selvisi, että uudet hitsaus- ja koneistuskiinnittimet pienentävät työaikoja mm. mahdollistamalla laajemman mekanisoidun hitsauksen ja pienentämällä kappaleen kääntöihin ja vaihtoon kuluvaa aikaa. Lopuksi pohditaan mahdollisia jatkokehityssuunnitelmia, jotka koskevat uuden hitsauskuljettimen ja uusien lisäaineiden käyttöä.

Coherent patterns and self-induced diffraction of electrons on a thin nonlinear layer

Electron scattering on a thin layer where the potential depends self-consistently on the wave function has been studied. When the amplitude of the incident wave exceeds a certain threshold, a soliton-shaped brightening (darkening) appears on the layer causing diffraction of the wave. Thus the spontaneously formed transverse pattern can be viewed as a self-induced nonlinear quantum screen. Attractive or repulsive nonlinearities result in different phase shifts of the wave function on the screen, which give rise to quite different diffraction patterns. Among others, the nonlinearity can cause self-focusing of the incident wave into a beam, splitting in two "beams," single or double traces with suppressed reflection or transmission, etc.

Kehittyneiden hitsausprosessien soveltuvuus alumiinin ja hiiliterästen hitsaukseen

Diplomityössä tutkitaan hitsausprosessien kehitystä. Työn kirjallisen osan alku kuvaa hitsauksen nykypäivää ja tulevaisuutta sekä millainen on hitsaava Suomi. Kehittyneiden hitsausprosessien tarkastelu on jaettu hiiliterästen ja alumiinien hitsausprosesseihin. Hiiliteräksien hitsauksen osalta työssä esitellään kitkahitsaus pyörivällä työkalulla, muunnettu lyhytkaarihitsaus, laserhitsaus, laser-hybridihitsaus ja kapearailohitsaus. Alumiinien hitsauksen osalta työssä esitellään laserhitsaus, muunnettu lyhytkaarihitsaus, kitkahitsaus pyörivällä työkalulla ja vaihtovirta MIG hitsaus. Diplomityön käytännönosuudessa todennettiin hitsausprosessien kehitys. Ensimmäisissä hitsauskokeissa hitsattiin merialumiinia eri kaarityypeillä. Vertailua tehdään pulssihitsauksen, lankapulssihitsauksen sekä CMT-kaarihitsauksen välillä. Koehitsaukset osoittavat CMT-hitsauksen tuottavan MIG-pulssihitsausta pienemmät hitsausmuodonmuutokset. CMT-hitsauksessa alumiinin oksidikerros aiheuttaa MIGpulssihitsausta vähemmän ongelmia, sillä kaari syttyy varmemmin suurillakin hitsausnopeuksilla, eikä hitsiin synny huokosia. Hitsausnopeudella 40 cm/min lankapulssihitsauksella ja MIG-pulssihitsauksella päittäisliitoksena hitsattujen vesileikattujen alumiinikappaleiden hitseihin ei syntynyt huokosia. Kokeen perusteella voidaan todeta, ettei oksidikerroksella ollut vaikutusta hitsin onnistumiseen. Hitsauskokeiden toinen osio tutkii hiilimangaaniteräksisen T-palkin kuitulaserhitsausta. Viiden kilowatin laserteholla hitsattiin onnistuneesti viisi metriä pitkiä T-palkkeja hitsausnopeudella 2 m/min. Takymetrimittauksella ja Tritop 3D-koordinaattimittauksella todennettiin laserhitsatun T-palkin hitsausmuodonmuutosten olevan huomattavasti Twin-jauhekaarihitsauksella hitsattua T-palkkia pienemmät.