Browsing by Title

Optical parametric oscillators (OPO) are sources of coherent light, often used to produce laser like light in wavelength regions where ordinary laser operation is challenging. In terms of chemistry, most attractive such a region is in mid-infrared, where strong fundamental vibrational transitions occur. OPOs are based on nonlinear polarization, which some materials exhibit when radiated with strong coherent light and effectively allow transferring optical power from one wavelength region to another. Even a simple OPO setup can offer watt-level of continuous-wave power in mid-infrared. There are ongoing challenges with the stability of OPO output frequency and continuous tuning of the wavelength, both of which are important for a light source used in high-resolution molecular spectroscopy. Theory and literature part of this thesis first covers the fundamentals of the theory behind OPO, centering on a continuous-wave single resonant operation. Afterwards, we look into the more well-known features affecting the stability of the OPO, as well as some common schemes used to combat the instabilities. In the experimental part, we measure and attempt to characterize some features of instabilities we have previously noticed that are not readily explained by known instability sources. The OPO's output wavelength occasionally changes in discrete jumps known as mode hops. There appear to be some preferences to the magnitude of these jumps that do not seem to fit in the current understanding of OPO operation. We followed the frequency changes of a typical singly resonant continuous-wave OPO for longer time periods and offered some possible explanations for the observations. We utilize a few methods to increase the number of mode hops to produce meaningful statistical data.

For millennia, phenomena of the magnetosphere have intrigued mankind. Studies of the geomagnetic field were first initiated to locate precious minerals, later on continued for purposes of navigation and in the modern times for scientific interest and protection of modern society. Strong changes in the interplanetary magnetic field and pulses of charged particles originating from the Sun pose serious risks to many cornerstones of our lifestyle, such as the power grid, telecommunication and space safety. Understanding the interaction between the interplanetary magnetic field, solar wind and the geomagnetic field is crucial in building protection systems for these critical technologies. Magnetometers are practically the only instrument to monitor changed in the magnetic environment and thus a key instrument in broadening this understanding. In this thesis I describe two projects: development of a digitization algorithm for old, analog magnetometer data and the design and building process of two small magnetometers: one for ground based measurements and one for space applications. The aim of the digitization project was to digitize a magnetic timeseries produced in 1970s and 1980s. The quality of the dataset is very high, but since the data is saved on photographic film as graphs, proper time series analysis is difficult. During the project, I used a custom-made film scanner and developed a MATLAB program to read out the measured values from the scanned films. The aim of the magnetometer building project was to show that it is possible to build science grade magnetometers from commercial-off-the-shelf (COTS) components, enabling magnetometric campaigns where state of the art instruments would be prohibitively expensive. One magnetometer was built based on the Honeywell HMC5883L sensor, controlled by a Raspberry Pi miniature computer. This magnetometer was placed at the Metsähovi Radio Observatory. Another magnetometer, the CubeMAG, was based on the Honeywell HMC2003 sensor and controlled by an STM32F100 microcontroller. This magnetometer will be one of the science payloads of the ESTCube-2 satellite. The magnetometer placed in Metsähovi showed promising results, recording one strong geomagnetic storm which was also recorded with observatory quality instruments at the Nurmijärvi geophysical observatory. The resolution of the HMC5883L was too low to record most interesting features of the storm, but was high enough to show that the Metsähovi observatory is a suitable place for a more sensitive magnetometer. As of writing this thesis, ESTCube-2 is in development and preparing for launch and scientific results from the CubeMAG are not available. Initial laboratory tests show promising results, with the significantly higher resolution of the HMC2003 compared to the HMC5883L being able to record very small changes in the surrounding magnetic field.

This thesis covers the factorization properties of number fields, and presents the structures necessary for understanding a proof on Iwasawa's theorem. The first three chapters aim to construct a ring of integers for arbitrary number fields, and prove that such a ring exists. We prove that our ring of integers is a Dedekind ring, giving us unique factorization on the set of prime ideals. We prove that there exists an isomorphism between principal and factorial divisors and ideals, define an equivalence relation on the set of all divisors, and show that the equivalence classes form the ideal class group. The class number of a field is defined as the order of the ideal class group. We define ramification of primes, and the invariants related to a prime P called the ramification index, inertia degree and decomposition number. We expand on the Galois theory of finite extensions, by introducing a topology on an infinite algebraic Galois extension, and a Galois correspondence between closed subgroups and intermediate fields. We show how to define the decomposition- and inertia group in the infinite case. The maximal unramified field extension, the Hilbert class field, whose Galois group is isomorphic to the ideal class group, is introduced. We introduce a p-adic metric on the ring of integers with the help of valuations, and construct the p-adic integers as a completion with regards to the metric. We prove some structure results for this ring. The lambda-modules are constructed as a limit of modules over group rings, where the group rings are generated by the p-adic integers, and a suitable multiplicative cyclic group. The final result is a proof of Iwasawa’s theorem as found in Washington, Introduction to Cyclotomic fields. We view the Galois group of the p-adic extension as a lambda-module, and from the structure theorems of lambda-modules, we prove results that carry on to the galois groups of the intermediate fields, culminating in a formula for the exact power of p, that divides the class number of the n-th intermediate field.

The term 'Third World women' has its connotations back in the history reflecting both the juxtaposition of developed and developing world, and the dichotomy based on sex. It is still a widely used concept in current everyday life. The women of developing countries are portrayed under one category as Third World women in news, journalism and textbooks. As a term Third World women is understood in context of certain geographical locations and stagnant representations of people. In core are also their victim roles in relation for example to religion, culture or men. The aim of this master's thesis is to examine representations of the Third World women in Finnish development journal. Temporal changes in representations are discovered by observing the forty-year long publishing history of Kehitys -journal (former Kehitysyhteistyö). The main premise of this thesis is the idea of social constructionism. In social constructionism actions and thoughts are seen creating the social reality and language used both reflecting and creating it. The thesis questions media's representational power to name, illustrate and portray women in developing countries. This is done by utilizing theories of feminism, postcolonialism and development studies. Caroline Moser's and Janet Momsen's listings about the policy approaches on Third World women can be held as the frame work of this thesis. They have categorized global trends in development discourses relating to women. By comparing these approaches, trends in feminist and development theories, with the Finnish development journals, linkages between context and place specific representations of the Third World were found. Even though Finnish trends in Third World women's representations were less varying, still universal relations were able to be discovered. By conducting critical discourse analysis and content analysis of the women related articles in Kehitysyhteistyö and Kehitys -journals during the publications period from 1969 to 2009, it was possible to find five different kinds of discourses: women in development discourse, welfare discourse, efficiency discourse, misery discourse and life story discourse. Within these discourses main changes were in the ways to write and position women. Changes occurred for example in the themes relating to women and in their subjective narration. During forty years, the representations of the Third World women have changed back and forth, but it seems that the current trend in development journalism in Finland is highlighting the subjectivity and expertise of women. Women's own interests and thoughts are getting more exposure and the representational top-down dictation is decreasing while giving the floor to personal depictions.

Halogenated species have a significant impact on atmospheric composition, including catalytic ozone destruction and influence on HOx and NOx cycles. Halogens are also involved in marine and coastal new particle formation, a process that can ultimately affect Earth's radiation balance. However, the exact processes governing halogen chemistry and halogen new particle formation have been puzzling the community for years. One of the major difficulties in understanding these processes has been the lack of techniques able to measure inorganic halogenated radicals and stable species simultaneously both in laboratory studies and in ambient conditions. This is because previous spectroscopic and mass spectrometric methods utilized could only measure one, or a few halogenated species at once, while most of the halogenated species existing in the atmosphere were likely un-measurable. Here we present new chemical ionization (CI) mass spectrometric methods to measure over 20 halogenated species simultaneously at ambient pressure. These species include halogen oxides, halogen acids, nitrogen containing halogen species, halogen radicals and molecular halogens, covering the major categories present in the ambient atmosphere. The methods will further be deployed into field measurements in various locations around the world to better understand the impact of halogenated species to the atmosphere. A recent study revealed homogeneous nucleation processes by (HIO3) (brackets here indicate all the isomers). However, the exact formation mechanism of (HIO3) has not been investigated in laboratory experiments. We deployed the above mentioned new measurements methods to study the formation mechanism of (HIO3) in dedicated flow tube experiments. The results show that OIO and OH radical could form (HIO3) as indicated by previous quantum mechanism calculations. In addition, two novel (HIO3) formation pathways from photo-oxidation of CH2I2 and molecular iodine were suggested. One pathway shows that the homogeneous bimolecular reaction of CH2IOO could form (HIO3), while the other suggests either iodine radical or iodine monoxide could react with ozone and water vapor to form (HIO3). These findings could potentially explain the large amount of (HIO3) observed. Beside from coastal areas, the first ambient data showing the existence of (HIO3) in various locations in the world, including a boreal forest site, a wet land site, Greenland and Antarctica are also presented here. These findings indicate that the (HIO3) might be involved in nucleation processes in locations other than coastal areas. More than (HIO3), sulfuric acid is known for its active role in atmospheric nucleation over different environments. However, the knowledge of its gas phase oxidation processes is not complete. Our laboratory results imply that iodinated species might be able to oxidize SO2 to sulfuric acid through some yet unknown mechanisms. Further studies are needed to understand the exact mechanisms in the oxidation processes and how important this mechanism could be in the ambient atmosphere.

Ligniini on maailman yleisin biopolymeeri selluloosan jälkeen. Kuitenkin puiden biomassan rakenteen vuoksi ligniinin eristäminen muusta biomassasta ei ole yksinkertaista vaan vaatii erityisesti sitä varten kehitettyjä menetelmiä. Lisäksi ligniinin heterogeenisen rakenteen vuoksi sen hyödyntäminen kemiallisesti ei ole helppoa, vaan biomassan jalostusprosesseissa ligniini päätyy sivuvirtojen mukana poltettavaksi. Ligniinin yleisyyden ja sen uusiutuvuuden vuoksi ligniinin käytöstä ollaan kiinnostuneita ja ligniinistä yritetäänkin saada sitä muokkaamalla käyttökelpoista materiaalia teollisuuden eri tarpeisiin. Japanilainen professori Masamitsu Funaoka on kehittänyt menetelmän, joka pyrkii samanaikaisesti eristämään ligniinin muusta biomassasta sekä muokkaamaan ligniinin rakennetta niin, että sitä voitaisiin hyödyntää erilaisissa sovelluksissa tekemällä siitä homogeenisempaa. Funaokan menetelmässä ligniinin bentsyyliseen α-asemaan liitetään selektiivisesti haluttu fenolinen yhdiste, joka lisää ligniinissä olevien aromaattisten hydroksyyliryhmien määrää ja katkoo ligniiniyksikköjen välisiä sidoksia alentaen ligniinin moolipainoa. Tämän tutkielman kirjallisessa osassa perehdytään Funaoka-menetelmään lignoselluloosamassan fraktionnissa. Lisäksi tarkastellaan saatujen lignofenolien rakenteellista muokkaamista, potentiaalisia käyttökohteita ja niistä jatkokäsiteltyjä materiaaleja. Kokeellisessa osassa puolestaan analysoidaan eräitä kotimaisia biomassan prosessoinnissa syntyneiden sivuvirtojen biomassatähteitä, erityisesti kiinnittäen huomiota biomassanäytteiden ligniinipitoisuuksiin. Biomassanäytteiden kemiallisen karakterisoinnin lisäksi kokeellisessa osassa testattiin ligniinipitoisten biomassanäytteiden fraktiointia Funaoka-menetelmällä ja tämä toistettiin myös näytteiden lähtöaineille eli havupuuhakkeelle.

In this thesis we examine the properties of Wigner matrices. We will give proofs for two fundamental limit theorems of random Hermitian matrices. One of them is Wigner's semicircular law which states that the distribution of the eigenvalues approaches the Wigner's semicircular distribution when the size of the matrix increases. The other, Bai-Yin theorem, tells that the operator norm of such n × n matrix is almost surely (2+o(1))\sqrt{n}. In Chapter 1 we begin by introducing Wigner matrices and deduce the proper normalizing factor. We will also consider what does it mean for the distribution of the eigenvalues to converge by demanding that the empirical spectral distribution should converge almost surely in weak topology. In Chapter 2 we introduce the Stieltjes transform, a useful tool for finding the limit measure. We prove some basic properties and prove that the weak convergence of measures is equivalent to the convergence of their Stieltjes transforms. In Chapter 3 we prove the Wigner's semicircular law. The proof is based on using the Stieltjes transform, and contains several steps. First we find the pointwise expectation of the Stieltjes transform by deriving a polynomial equation for it. While deriving this equation we use several techniques and theorems from both probability theory and linear algebra, covered in the appropriate Appendix. After deducing that the expectation converges, we see quite straightforwardly that the pointwise limit is in fact almost sure. From this we deduce that the empirical spectral distribution of the Wigner matrix converges to the Wigner's semicircular distribution. We begin Chapter 4 by concluding the lower bound in Bai-Yin theorem directly by the semicircular law. For upper bound, we can split the matrix into three parts and use triangle inequality. The diagonal part is easily seen to grow slower than \sqrt{n}. The part with smaller elements is estimated using even moments and combinatorics to see that it has the wanted upper bound. Finally the part containing all large elements is almost surely sparse, and therefore its operator norm grows slower than \sqrt{n}.

Aikaisempi kokemus matematiikkakuvatutkimuksesta ja funktio-oppimateriaalin luominen englanniksi yhdeksäsluokkalaisille johdatti tutkijan pohtimaan, miten oppilaat olivat lopulta käsittäneet funktion ja onko matematiikkakuvalla yhteyttä oppilaan funktiokäsitykseen tai ylipäätänsä menestymiseen matematiikassa. Inspiraation lähteenä tälle tutkimukselle toimi Vinnerin ja Dreyfusin (1989) tutkimus funktiokäsityksestä ja Pietilän (2002) matematiikkakuvatutkimus. Yläkoululaisten funktiokäsityksen vertailukohteena käytettiin Hannulan ja Tuomen (2012) samana keväänä keräämää lukiolaisaineistoa ja heidän tutkimuksensa tuloksia. Tutkimuksessa kartoitetaan Middle Years Programmen Espoossa läpikäyneiden yhdeksäsluokkalaisten funktiokäsitystä ja matematiikkakuvaa. Aineisto kerättiin paperisella kyselylomakkeella luokkahuonetilanteessa keväällä 2012 Espoolaisessa Middle Years Programme -koulussa kevään viimeisenä koulupäivänä. Tutkimukseen osallistui 49 koulun 63:sta yhdeksäsluokkalaisesta. Tutkimusaineiston analysoinnissa käytettiin sekä laadullisia että määrällisiä menetelmiä. Aineiston määrällisessä analysoinnissa käytettiin apuna SPSS-ohjelmaa ja tilastollisia merkitsevyystestejä. MYP-yläkoululaisten funktion eri representaatioiden hallinta ei eronnut tilastollisesti merkitsevästi lukiolaisten vastauksista. Parhaiten funktion eri representaatiot hallitsivat ne yläkoululaiset, jotka määrittelivät funktion vastaavuuden tai algebrallisen esityksen kautta. Ne oppilaat, jotka jättivät funktion kokonaan määrittelemättä, olivat aineiston heikoimmin matematiikkaa opiskelemaan motivoituneita, heidän asenteensa oli huonoin ja käsitykset matematiikasta negatiivisimmat. Sen sijaan ne oppilaat, jotka määrittelivät funktion vastaavuuden kautta, olivat hyvin motivoituneita opiskelemaan matematiikkaa, heidän asenteensa matematiikan opiskeluun oli aineiston positiivisin, heillä oli vähiten uskomuksia matematiikasta ja heidän käsityksensä matematiikan luonteesta olivat aineiston selvästi positiivisimmat.

Tietokonepelit on jo pitkään luotu käyttäen lähes yksinomaan imperatiivisia ohjelmointikieliä, kuten C++- ja C#-kieltä. Toisaalta tiedetään, että funktionaalisessa ohjelmoinnissa esimerkiksi rinnakkaisuuden hallinta sekä ohjelmien testaus on usein helpompaa kuin imperatiivisessa ohjelmoinnissa. Tämä on yksi syy, miksi funktionaalisen ohjelmoinnin soveltaminen peliohjelmointiin on herättänyt mielenkiintoa. Tässä pro gradu -tutkielmassa tarkastellaan funktionaalisen ohjelmoinnin soveltamista peliohjelmointiin. Sen jälkeen, kun on selostettu tutkielmassa käytettäviä ohjelmointitekniikoita, esitellään kaksi funktionaalista ohjelmointia hyväksi käyttävää ohjelmointikieltä Yampa ja Casanova. Näillä ohjelmointikielillä toteutetaan esimerkkipelit, joita verrataan imperatiivisella ohjelmointikielellä toteutettuun esimerkkipeliin. Vertailusta voidaan huomata, että funktionaalisia ohjelmointitekniikoita hyväksi käyttävät esimerkkipelit ovat sekä pelaajan että ohjelmoijan näkökulmasta laadullisesti vertailukelpoisia perinteisellä imperatiivisella ohjelmointikielellä toteutetun peliratkaisun kanssa.

Tutkielma käsittelee funktionaalisille kielille tyypillisten piirteiden, ensimmäisen luokan funktioarvojen ja häntäkutsujen toteutusta oliokielille suunnatuilla JVM- ja .NET-virtuaalikonealustoilla. Oliokielille suunnattujen virtuaalikonealustojen tarjoamien tavukoodirajapintojen rajoitteet verrattuna matalamman tason assembly-kieliin ovat pitkään aiheuttaneet valtavirran oliokielistä poikkeavien kielten toteuttajille päänvaivaa. Tarkasteltavista alustoista .NET-alustan tavoitteena on alusta asti ollut monenlaisten kielten tukeminen. JVM-alustalla erilaisten kielten toteuttajien tarpeisiin on havahduttu vasta viimeisten vuosien aikana. Tutkielma tarkastelee, millaisia mahdollisuuksia alustat nykyisellään tarjoavat ensimmäisen luokan funktioarvojen ja häntäkutsujen toteuttajille ja miten alustoilla käytettävät toteutustekniikat poikkeavat perinteisistä konekieltä tuottavista kääntäjistä. Lisäksi esitetään arvio alustojen tarjoaman tuen soveltuvuudesta funktionaalisten kielten toteuttajien käyttöön ja verrataan alustojen tarjoamia tukitoimintoja. Arvioinnin tueksi esitellään oma prototyyppitoteutus Scheme-kielen osajoukolle, Cottontail Scheme, sekä selvitetään, millaisia toteutustekniikoita olemassa olevat funktionaaliset kielet tai funktionaalisia piirteitä tukevat moniparadigmakielet tällä hetkellä käyttävät virtuaalikonealustoilla. Tutkielmassa tehdyn vertailun perusteella havaittiin, että molemmilla alustoilla on omat vahvuutensa: JVM-alustan sulkeumien tuki on parantunut huomattavasti erityisesti JVM-alustan Java SE 8 -version myötä, mutta .NET-alusta on edelleen ainoa alusta, joka tarjoaa sisäänrakennettua tukea häntäkutsuille. Olemassa olevien kielten vertailussa huomattiin, että harva kielistä hyödyntää ominaisuuksien toteutuksessa alustan tukea, mikä saattaa esimerkiksi JVM-alustan sulkeumatuen tapauksessa johtua yksinomaan toiminnallisuuden tuoreudesta. Kummankaan alustoista ei havaittu tällä hetkellä tarjoavan selvästi toista parempaa tukea esimerkiksi Schemen kaltaisten funktionaalisten kielten toteuttajille.