اخیراً متامواد تک منفی، به دلیل خواص منحصر بفرد و کاربردهای مفیدشان به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. متامواد تک منفی شامل مواد اپسیلون-منفی با گذردهی الکتریکی منفی و نفوذپذیری مغناطیسی مثبت و همچنین شامل مواد مو-منفی با گذردهی الکتریکی مثبت و نفوذپذیری مغناطیسی منفی هستند. این ساختار های مصنوعی می توانند در قالب بلورهای فوتونیکی، خصوصیات ویژه ای را نشان دهند. مشخص شده است که بلورهای فوتونیکی متشکل از لایه های تک منفی، می توانند دارای نوع جدیدی از باند گاف، موسوم به باند گاف تک منفی، باشند که متفاوت از باند گاف براگ باشد. چنین گاف تمام جهتی، مستقل از زاویه تابش و نوع قطبش نور تابشی است. بنابراین با در نظر گرفتن این ویژگی های بدیع باند گاف تک منفی، وجود امواج سطحی در بلورهای فوتونیکی حاوی متامواد تک منفی می تواند مورد بررسی قرار گیرد. در این پایان نامه، امواج جایگزیده سطحی در فصل مشترک بین یک محیط همگن عادی (یا محیط چپگرد) و بلور فوتونیکی یک بعدی حاوی لایه های متناوب گذردهی-منفی و نفوذپذیری-منفی (یا نفوذپذیری-منفی و گذردهی-منفی) به صورت تئوری مطالعه شده است. نتایج، برخی جنبه های منحصر بفرد امواج سطحی را در دومین باند گاف تک منفی نشان می دهند. مشخص شد که ساختار مد نظر، با آرایش گذردهی-منفی و نفوذپذیری-منفی (یا نفوذپذیری-منفی و گذردهی-منفی) می تواند امواج سطحی قطبیده عرضی الکتریکی یا مغناطیسی، که به ضخامت نسبی لایه های تک منفی وابسته است، را ایجاد کند. این امواج سطحی که به نوع آرایش لایه های بلور فوتونیکی وابسته است، دارای دو نوع ساختار عرضی میدان در دومین باند گاف تک منفی هستند. بدین معنی که در آرایش گذردهی-منفی و نفوذپذیری-منفی بیشترین دامنه میدان در فصل مشترک بین دو محیط گذردهی-منفی و نفوذپذیری-منفی قرار دارد، در حالیکه در آرایش نفوذپذیری-منفی و گذردهی-منفی، بیشترین دامنه میدان در فصل مشترک بین محیط همگن و لایه کلاهک تشکیل می شود. بسیاری از کارهای گذشته در مورد متامواد، روی برخی خواص ویژه انتشار موج در یک ساختار تناوبی متمرکز شده است. سئوال طبیعی که می تواند پرسیده شود این است که اگر از یک ساختار غیر تناوبی استفاده شود موج چگونه منتشر خواهد شد؟ برای جواب به این سئوال، از یک ساختار شبه تناوبی فیبوناچی متشکل از لایه های تک منفی استفاده شد. بنابراین در بخش بعدی این کار، با استفاده از روش ماتریس انتقال و تئوری محیط موثر، به صورت تئوری خواص طیف عبوری سه ساختار شبه تناوبی فیبوناچی حاوی لایه های پاشنده و بدون اتلاف نفوذپذیری-منفی، گذردهی-منفی و معمولی مورد بررسی قرار گرفت. معلوم شد که در طیف عبوری مربوط به سه ساختار فیبوناچی و برای قطبشهای عرضی الکتریکی و مغناطیسی، باند گاف هایی وجود دارند که نسبت به تغییر مقیاس ضخامت لایه ها ناوردا، به زاویه تابش غیر حساس و به نوع قطبش موج حساس است. علاوه بر این، در هر دو قطبش، باند گافی وجود دارد که فقط در تابش مایل ایجاد می شود. در نهایت جابجایی عرضی گوس-هانچن در بازتابش از مرز یک محیط تک منفی با جذب ناچیز را مطالعه شد و مشاهده شد که این جابجایی می تواند در هر زاویه تابشی اتفاق بیفتد. همچنین در مرز محیطهای تک منفی، جابجایی جانبی امواج عرضی الکتریکی و مغناطیسی در خلاف جهت هم هستند.

در این پایان نامه امواج سطحی غیرخطی قطبیده الکتریکی عرضی در مرز میان محیطهای نوری یکنواخت مختلف و بلورفوتونی مطالعه شد. بلورفوتونی به شکل بلورفوتونی یک- بعدی نیمه بی نهایت و تمامی لایه ها بصورت همسانگرد، همگن و بدون اتلاف در نظر گرفته شد. مطالعات ما در ناحیه فرکانسی ریزموجی انجام گرفت. برای این ناحیه فرکانسی، مرتبه مقداری ثابت شبکه بلورفوتونی از مرتبه سانتی متر است. ابتدا، امواج سطحی غیرخطی جایگزیده در مرز محیط همگن غیرخطی نیمه بی نهایت و بلورفوتونی یک بعدی نیمه بی نهایت بررسی گردید. محیط غیرخطی مفروض به شکل غیرخطی از نوع کر در نظر گرفته شد. این مطالعه در دو مدل بررسی شد: در مدل اول، امواج سطحی در فصل مشترک میان محیط نیمه بی نهایت غیرخطی و بلورفوتونی با لایه های یک در میان راستگرد و چپگرد و در مدل دوم، امواج سطحی در مرز میان محیط چپگرد نیمه بی نهایت غیرخطی و بلورفوتونی معمولی مورد بررسی قرار گرفت. در هر کدام از این موارد، با یافتن جواب معادله موج هلمهولتز در محیط غیرخطی نیمه بی نهایت و با استفاده از مدهای بلوخ در بلورفوتونی، پاشندگی امواج سطحی غیرخطی را در اولین گاف باند بلورفوتونی بدست آورده شد. مطالعات ما نشان داد که بر خلاف نظام خطی، منحنی پاشندگی امواج سطحی غیرخطی در حالت محیط غیرخطی خود-کانونی کننده، دارای دو شاخه است. این دو شاخه متناظر با دو نوع ساختار متفاوت مدهای سطحی است. یک ساختار دارای یک قله و دیگری دارای ساختار دو قله ای اطراف مرز است. در ادامه مطالعات، بطور تحلیلی امواج سطحی غیرخطی در بلورفوتونی با لایه کلاهک غیرخطی بر اساس روش انتگرال اول مطالعه گردید. دو نوع بلورفوتونی در نظر گرفته شد: بلورفوتونی معمولی و بلورفوتونی با لایه های یک در میان راستگرد و چپگرد. خواص پاشندگی امواج سطحی غیرخطی در اولین گاف باند بلورفوتونی بر اساس روش انتگرال اول معادله موج هلمهولتز در بلورفوتونی با لایه کلاهک غیرخطی بدست آورده شد. نتایج بدست آمده در توافق خوبی با روش عددی رانگ-کوتا بودند. بررسی های ما نشان داد که در هر کدام از این مدلها، فقط یک جواب برای امواج سطحی غیرخطی وجود دارد. بعلاوه نتیجه گرفته شد که شدت میدان الکتریکی در سطح کلاهک غیرخطی بلورفوتونی این امکان را فراهم می نماید تا جهت شار انرژی امواج سطحی را از حالت پیشرو به پسرو یا برعکس کنترل کنیم.

‏ در این پایان نامه مبانی و مفاهیم اساسی مشخصه یابی پرتو لیزر شامل ویژه مدهای عرضی مشدد ‏لیزر و حل معادله پیرامحوری موج، تعریف و اندازه گیری فاکتور کیفیت و مفهوم پرتو لیزر چندمدی ‏بررسی و با توجه به عامل فاز میدان الکتریکی، وجود نقص در فاز ویژه جواب های معادله پیرامحوری ‏برای توصیف میدان الکتریکی یک پرتو لیزر تک مد کانونی شده در فواصل مختلف از کمره پرتو نشان ‏داده شد. همچنین با ذکر مواردی اعتبار جایگزینی ویژه مدهای مشدد لیزر با ویژه جواب های معادله ‏پیرامحوری بررسی و عدم امکان وجود پرتو لیزر چندمدی یا غیر معقول بودن مفهوم پرتو لیزر چندمدی ‏نشان داده شد. بنابراین بجای بسط شدت یک پرتو لیزر واقعی برحسب شدت مدها، توزیع میدان ‏الکتریکی پرتو لیزر واقعی برحسب جملات متعامد بسط داده شد و فرم کلی توزیع شدت پرتو لیزر به ‏صورت حاصلضرب یک جمله توزیع شدت گاوسین و یک توزیع وزنی از جملات متعامد محاسبه ‏شد. با بررسی این توزیع، تعبیری مناسب تر از فاکتور کیفیت پرتو لیزر و مفهوم مد گاوسین بدست آمد. ‏همچنین با توجه به این توزیع شدت کلی، روش برازش تعمیم یافته برای استفاده تجربی از این توزیع ‏برای مشخصه یابی پرتو لیزر پیشنهاد شد. در نهایت روش ساخت یک سیستم ساده برای مشخصه یابی ‏پرتو لیزر به صورت تجربی شرح داده شد و با تهیه نیم رخ عرضی پرتو خروجی یک لیزر هلیم نئون و ‏پرتو خروجی یک لیزر 4‏nd:yvo‏ دمیده شده طولی ‏q‏- سوئیچ انفعالی در هارمونیک دوم به روش ‏درون کاواکی با استفاده از این سیستم و استفاده از روش برازش، مشخصه یابی این دو پرتو لیزر به ‏صورت تجربی انجام شد. که نتایج اندازه گیری شامل موارد فاکتور کیفیت و واگرایی دو پرتو گزارش ‏شده اند. نتایج اندازه گیری های تجربی، حاکی از آن است که توزیع شدت گاوسین یک پرتو، شرط لازم ‏وکافی نیست که این پرتو، مد گاوسین است. و شکل جبهه موجی پرتو نیز نقش تعیین کننده دارد. ‏

در این پایان نامه، مدهای الکترومغناطیسی جایگزیده در بلورهای فوتونیکی یک بعدی با یک لایه نقص ساختاری مورد بررسی قرار گرفته است. نقش لایه نقص را بلور مایع نماتیک بازی می کند. نشان داده شده است که طیف تراگسیلی و ضریب میرایی مدهای نقص به ضخامت و جهت گیری محور اپتیکی بلور مایع نماتیک وابسته است. در ادامه طیف تراگسیلی با دو نقص شبکه ای را مورد مطالعه قرار می دهیم. در این تحقیق نشان داده شده است که می توان مدهای نقص و طیف تراگسیلی بلور فوتونیکی را بدون اینکه تغییری در ساختار ایجاد شود، با اعمال میدان الکتریکی خارجی که به تغییر جهت گیری محور اپتیکی بلور مایع نماتیک منجر می شود، به طور موثر کنترل کرد. این از مزیت های استفاده از بلور مایع به عنوان لایه نقص می باشد.

در این پایان نامه، تونل زنی فوتونی در بلورهای فوتونیکی مواد تک منفی را با استفاده از روش های ماتریس انتقال بررسی می کنیم. و برای موجی که با فرکانس های متفاوت از یک ساختار با لایه های متناوب عبور می کند تراگسیل و زمان تاخیر گروه را محاسبه می کنیم جابجایی بعد از تونل زنی را در راستای عمود بر صفحات بلور فوتونیکی محاسبه می کنیم که به ضریب شکست موثر از لایه های متناوب بستگی دارد. سپس ما ساختار بلور فوتونیکی را تا 2nلایه گسترش می دهیم و می فهمیم که تراگسیل با تعداد لایه ها تغییر می کند.

یکی از پارامترهای اساسی مواد ضریب شکست می باشد، به طوری که انتشار امواج الکترومغناطیس در مواد وابسته به ضریب شکست محیطی است که موج در آن منتشر می شود. در محیط های همسانگرد ضریب شکست به زاویه تابش به ماده بستگی ندارد و برای تمامی زوایای تابش مقدار ثابتی است. اما ضریب شکست مواد ناهمسانگرد به زاویه بین بردار موج و محور اپتیکی ماده ناهمسانگرد وابسته است. یکی از انواع مواد ناهمسانگرد بلورهای مایع می باشند، به طوری که می توان ضریب شکست این مواد را با تغییر راستای محور اپتیکی به وسیله میدان خارجی تغییر داد. همچنین بخاطر خاصیت غیر خطی بالای بلورهای مایع، ضریب شکست این مواد به شدت نور تابشی وابسته است، بنابراین دوپایداری اپتیکی از خود نشان می دهند. در این پروژه طیف تراگسیل بلورهای فوتونی شامل نقص ناهمسانگرد از جنس بلورهای مایع، برای زوایای مختلف محور اپتیکی بررسی می کنیم. مشاهده می شود که با تغییر زاویه محور اپتیکی بلور مایع، فرکانس مد نقص تغییر می کند. علاوه بر آن ضریب شکست این مواد به دما وابسته است بنابراین طیف تراگسیل خطی و همچنین تغییر آستانه دوپایداری اپتیکی بلورهای فوتونی شامل نقص ناهمسانگرد از جنس بلورهای مایع را با تغییر دما مورد بررسی قرار می دهیم. مشاهده می شود که با تغییر دما فرکانس مد نقص و آستانه دو پایداری تغییر می کنند. همچنین تغییر فرکانس مد نقص و آستانه دوپایداری را با تغییر ضخامت لایه نقص بررسی می کنیم.

ضخامت یکی از مهمترین پارامترهای مربوط به یک لایه نازک است که خواص مختلف لایه به آن مربوط می شود. روش-های مختلفی برای اندازه گیری ضخامت لایه نازک فلزی وجود دارد. ما در این پایان نامه با استفاده از تحریک پلاسمون های سطحی با ضخامت لایه فلزی را اندازه گیری کردیم. تحریک نوری ساده ترین راه برای مشاهده پلاسمون های سطحی در سطح فلز می باشد. تحریک می تواند با استفاده از کوپلاژ منشور با دو آرایش آتو و همکارانش و آرایش کرت اسکمان و راتر بدست آید. در اینجا ما ابتدا لایه فلزی نازک مس را مانند آرایش کرت اسکمان و راتر بر روی یک وجه منشور اندود کردیم. سپس نور لیزرهای دیودی را با طول موج های 4348 و 5320 آنگستروم را از کناره بر منشور تاباندیم. نور خروجی از لیزر را بوسیله قطبش گر، قطبیده کردیم. فقط موج تخت با قطبش tm بر سطح مشترک منشور و فیلم نازک فلزی، تابانده شد. امواج سطحی در مرز فلز – دی الکتریک با استفاده از کوپلاژ منشور تحریک گردید. طیف بازتاب داخلی کلی سیستم را با استفاده از آشکارساز اندازه گیری کردیم. ما ضخامت لایه فلزی مس را با شناسایی امواج تحریک شده در مرز فلز و دی الکتریک (هوا) اندازه گیری کردیم. برای انجام این کار، ما از افت های تیز در طیف بازتابندگی اندازه گیری شده برای طول موج های خاص استفاده کردیم. بنابراین با استفاده از روش ماتریس انتقال، ضخامت لایه فلزی را بدست آوردیم.

برای دمش یک بلور لیزری حالت جامد، معمولاً چشمه های همدوس و غیر همدوس، مورد استفاده قرار می گیرند. در بین آنها، نوع همدوس، مخصوصاً لیزر دیودی از جایگاه ویژه ای برخوردار است. طیف گسیلی از یک لیزر دیودی وابسته به دما و توان خروجی آن می باشد و بیشترین جذب بر اثر همپوشانی بهینه منحنی جذب بلور لیزری و طیف گسیلی از لیزر دیود اتفاق می افتد. از اینرو یک سیستم کنترل کننده دمای لیزر دیودی با دقت 1/0 درجه، با استفاده از تکنولوژی tec و بصورت هوا- خنک طراحی کردیم. سپس به بررسی طیف خروجی لیزر دیود و اثر دمای آن بر روی جذب بلور لیزری nd:yag پرداختیم. با تغییر دمای کاری لیزر دیود از 26 تا 33 درجه سانتیگراد ملاحظه شد که طول موج آن در حدود 2 نانومتر تغییر می کند. همچنین نشان دادیم که بیشینه جذب در بلور nd:yag برای جریان ورودی 10 آمپر، در 27 درجه رخ می دهد. با استفاده از سیستم ذکر شده به ازای توانهای الکتریکی مختلف لیزر دیودی، قله طیف خروجی در مقدار 808 نانومتر تنظیم گردید. در ادامه، طیف جذبی بلور nd:yag توسط لیزر دیودی فوق الذکر اندازه گیری شده است. نتایج نشان می دهد که میزان جذب بیشینه توسط بلور لیزری nd:yag در دماهای متفاوتی از دمای مربوط به قله طیف خروجی در 808 نانومتر رخ می دهد.

چکیده: در سالهای اخیر بلورهای فوتونی کاربری های زیادی پیدا کرده اند. این بلورها به دلیل دارا بودن ساختار متناوب خواص جالبی در زمینه های مختلف اپتیکی از خود نشان می دهند. علاوه بر ساختارهای متناوب، ساختارهای شبه متناوب هم خواص مشابهی از خود بروز می دهند. از جمله مهمترین ساختارهای شبه پریودیک می توان به ساختارهای فیبوناچی ،تو- مورسو دو دورهای اشاره کرد.در این پروژه خواص اپتیکی خطی و غیر خطی ساختار های لایه ای فیبوناچی مورد مطالعه قرار گرفته است. خواص اپتیکی خطی و غیر خطیاز قبیل ضریب تراگسیل، گاف باند فوتونیکی و دو پایداری اپتیکی مورد مطالعه قرار گرفت. در این راستا فرض کردیم لایه های تشکیل دهنده ساختاراز جنس مواد دی الکتریک معمولییا فرامواد باشند. فرامواد به دلیل داشتن ضریب شکست منفی خواص بسیار جالبی را در بررسی ضریب تراگسیل و خواص غیرخطی از خود بروز می دهند. در بررسیخواص غیر خطی نیز فرض شده است که جنس یکی از دو لایه تشکیل دهنده ساختار، غیر خطی باشد. در کنار این مطالعات،ویژگی های اپتیکی ساختارهای پریودیکنیز بررسی و با داده های بدست آمده از مطالعه ساختارهای شبه متناوب مقایسهشدند. روش مورد استفاده در بررسی خواص اپتیکی خطی و غیر خطی ساختارهای ذکر شده ، روش ماتریس انتقال می باشد. در نهایت نشان داده شد که این بلورهای فوتونی دارای گاف باند تمام سویه ای در ناحیه تک منفی هستند که با افزایش شماره مولد رشته فیبوناچی این گاف باند به گاف باندها جدیدی تقسیم می شود. به عبارت دیگر ساختار مورد نظر به یک فیلتر چند کاناله تمام سویه در ناحیه تک منفی تبدیل می شود. از طرفی نشان دادیم که این ساختارها در برخی شرایط رفتار دوپایداری را از خود بروز می دهند.

روش های مختلفی برای به دست آوردن ساختار باند بلورهای فوتونی وجود دارد که در فصل اول به روش هایی مانند ماتریس انتقال، روش بسط بر حسب امواج تخت و روش تفاضلات متناهی حوزه ی زمان (fdtd) اشاره کرده ایم و در فصل دوم، روش محاسبه ی گاف باندهای یک بلور فوتونی را با استفاده از روش ضرایب فرنل به طور مفصل شرح داده ایم و سپس در فصل سوم، نتایج حاصل را با نتایج به دست آمده از روش ماتریس انتقال مقایسه نموده ایم.

تک رنگ ساز مجهز به توری پراش، معمولا به عنوان ابزاری سودمند برای طیف نگاری و جدا سازی خطوط طول موجی متفاوت گسیل شده از یک چشمه ی نوری در آزمایشگاه های طیف نگاری مورد استفاده قرار می گیرد. در این نوع تک رنگ ساز معمولا پرتو نورانی پس از ورود از یک شکاف توسط یک آینه ی مقعر روی توری پراش متمرکز شده و پس از پراش، توسط آینه ی مقعر دیگر در شکاف خروجی متمرکز می شود که با دوران توری پراش می توان طول موج متناظر با زاویه ی پراش از توری را در موقعیت شکاف خروجی قرار داد. در مواردی که چشمه ی نور دارای توزیع طول موجی پیوسته و یا تعداد خطوط زیادی در محدوده ی طیفی کوچکی باشد، پرتو پراش یافته در ناحیه ی شکاف خروجی شامل خطوط یا یک منطقه ی باریک طیفی می باشد که استفاده از دیود نوری در سطح خروجی مناسب نبوده و نیاز به استفاده از یک آرایه ی ccd می باشد. در این پایاننامه با استفاده از ccd و یک تک رنگ ساز مدل jobin hr-320 توانستیم بدون اثر پراش در محل شکاف خروجی، تابع توزیع طول موجی را در گستره ی ccd بدست آورده و دقت اندازه گیری تک رنگ ساز را افزایش دهیم. سپس با تابش چشمه های نوری مختلف و ارتباط برقرار کردن ما بین تابع مکانی شدت و طول موج متناظر، تابع طیفی گستره ی طول موجی چشمه را تعیین نماییم. همچنین با توجه به اینکه تفاوت تک رنگ ساز وطیف نگار در نوع آشکارسازی می باشد، با نصب ccd بر روی تک رنگ ساز زمینه سازی مناسبی جهت تبدیل تک رنگ ساز به طیف نگار صورت پذیرفت.

امروزه به چشمه‎های مختلف نوری مخصوصا انواع لیزرها به دلیل خواص منحصر به فرد آن‎ها همانند همدوسی زمانی و فضایی، واگرایی بسیار کم در فواصل زیاد، چگالی انرژی بسیار بالا و غیره در زمینه‎های گسترده‎ای احتیاج داریم. در بیش‎تر این کاربردها به همراه استفاده از پرتوی نور بحث شکل دهی به آن مطرح می‎شود. با شکل دهی به پرتو برای هر کاربرد خاص و به طور مناسب می‎توان بازده‎ی پرتوی لیزر را به میزان قابل توجهی افزایش داد. به منظور شکل‎ دهی پرتو روش‎های گوناگونی وجود دارد که در اکثر آن‎ها از وسایل اپتیکی مانند دهانه‎ها، عدسی‎ها و آینه‎ها استفاده می‎شود. در فصل یک به چند مورد از این روش‎های شکل‎ دهی پرتو اشاره شد. یکی از روش‎های شکل ‎دهی پرتو که اخیرا و با ورود بلور‎های فوتونی به عرصه‎ی اپتیک به طور گسترده رایج شده است استفاده از ساختارهای متناوب به منظور شکل دهی پرتو می‎باشد. با وارد کردن لایه‎هایی از مواد ناهمسانگرد همانند بلورهای مایع به داخل بلورهای فوتونی می‎توان از آن‎ها به منظور شکل دهی به پرتو استفاده کرد. از بلورهای فوتونیکی حاوی مواد با ضریب شکست منفی نیز به منظور شکل دهی پرتو استفاده می‎گردد[44]. از کاربردهای دیگر بلورهای فوتونی حاوی بلورهای مایع می‎توان به فیبرهای بلور مایع فوتونیکی[49,51] و بازتابنده‎های براگ قابل کنترل توسط میدان الکتریکی و دما اشاره کرد

با اختراع و توسعه‎ی لیزر علوم جدیدی نظیر اپتیک غیرخطی به وجود آمدند. در اپتیک غیرخطی به بررسی پدیده‎هایی که ناشی از برهم‎کنش مواد با نور لیزر (همدوس و با شدت بالا) است، می‎پردازند. یکی از پدیده‎هایی که در حوزه‎ی اپتیک غیرخطی بسیار مورد توجه می‎باشد دوپایایی و چندپایایی نوری می‎باشد. دوپایایی و چندپایایی نوری به این اشاره دارد که به ازای یک ورودی در داخل کاواک غیریکسویه که شامل ماده‎ی غیرخطی است، دو یا چند خروجی داشته باشیم. این پدیده به علت کاربرد بسیار گسترده‎ی آن در حوزه‎ی نور و سوئیچ‎زنی تمام‎ نوری بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است. نیاز روزافزون به ارتباط، انتقال و پردازش سریع اطلاعات ساختارهای تمام نوری را به عنوان گزینه‎ای مناسب برای ساخت ادواتی مانند حافظه‎های نوری، ترانزیستورها، کلیدها و گیت‎های منطقی مطرح نموده است. یکسوساز یا دیود نوری وسیله‎ای مشابه دیودهای الکترونیکی است که در یک طول موج خاص، نور را در یک جهت از خود عبور می‎دهد و در جهت دیگر از عبور آن جلوگیری می‎کند. پیش‎بینی می‎شود که در صورت تحقق این وسیله استفاده‎های گسترده‎ای در صنعت ارتباطات و همچنین سیستم‎های ایزوله‎ی نوری داشته باشند. به دلیل اهمیت آن، در سال های اخیر گروه های مختلفی از نقاط مختلف دنیا سعی در طراحی این قطعه به صورت عملی و نظری دارند.

مواد ناهمسانگرد موادی هستند که خواص نوری آنها به جهت انتشار موج و همچنین قطبش امواج وابسته است. انواع مختلف جامدات بلوری، بلورهای مایع و متامواد از جمله مواد ناهمسانگرد پرکاربرد در اپتیک و فوتونیک می باشند. از طرفی، امروزه بلورهای فوتونی به عنوان ساختارهایی که قابلیت کنترل انتشار فوتونی را دارند، از اهمیت فراوانی در اپتیک و مخابرات برخوردار می باشند. با توجه به وابستگی پارامتر های اپتیکی محیط به جهت محور نوری و جهت قطبش میدان الکتریکی در مواد ناهمسانگرد ، امکان کنترل و تنظیم خواص اپتیکی و تراگسیلی ساختارهای لایه ای ناهمسانگرد در بسیاری از موارد فراهم می شود. لذا می توان گفت که بلورهای فوتونی حاوی مواد ناهمسانگرد دارای مزیتهایی نسبت به موارد مشابه همسانگرد می باشند. در این رساله، به بررسی نظری ساختار باند بلورهای فوتونی یک بعدی متشکل از متامواد تک منفی ناهمسانگرد و همچنین تحریک امواج سطحی در فصل مشترک این ساختارها با محیط نیمه بینهایت همگن پرداخته شده است. در این مطالعات، محاسبات عددی با استفاده از روش ماتریس انتقال انجام شده است و نتایج بدست آمده نشانگر وجود گاف فرکانسی تک منفی در بلورهای فوتونی حاوی نوع خاصی از متامواد ناهمسانگرد می باشد. این گاف، برخلاف حالت مشابه مربوط به متامواد تک منفی همسانگرد، وابسته به زاویه تابش است و امواج سطحی تحریک شده در این ناحیه فرکانسی هم فقط در ناحیه محدودی از ثابت انتشار وجود دارند. همچنین خواص تراگسیلی بلور فوتونی یک بعدی شامل نوعی متامواد نامعین تک محوری مطالعه شده و تاثیر جهت قرارگیری محور نوری متامواد بر روی ساختار باند این بلور فوتونی در هر دو حالت و te قطبش بررسی شده است. نتایج نشانگر امکان حصول شرایط زاویه بروستر برای هر دو نوع قطبش دارای tm در این ساختار می باشد در حالیکه در بلورهای فوتونی همسانگرد مشابه فقط قطبش tm شرایط زاویه بروستر است. با توجه به کاربرد وسیع بلورهای مایع نماتیک در ادوات اپتیکی و فوتونیکی، در ادامه به بررسی ساختارهای لایه ای یک بعدی حاوی این مواد پرداخته شده است. در این راستا، برای امواج قطبیده e خواص پاشندگی متاماده تشکیل شده از لایه های گرافین و بلور مایع نماتیک 7 در ناحیه فرکانسی مادون قرمز دور مورد مطالعه قرار گرفته است. نشان داده شده است که چنین tm ساختاری توانایی نمایش پاشندگی بیضوی و پاشندگی هایپربولیک را داراست و با استفاده از وابستگی خواص نوری گرافین و بلورمایع به پارامترهای کنترلی مثل دما، ولتاژ و میدان الکتریکی، می توان به سویچ زنی بین این دو حالت پاشندگی دست یافت. از این پدیده می توان در کنترل بازتابش و عبور امواج در سطح جدایی متاماده و هوا استفاده کرد که نتایج شبیه سازی انجام شده تایید کننده این موضوع می باشند. در بخش پایانی، خواص تراگسیلی خطی و غیرخطی بلور فوتونی یک بعدی دارای لایه نقص 5 مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مطالعه از روشهای محاسباتی cb از جنس بلورمایع نماتیک 4 استفاده شده است. تاثیر جهت گیری محور بلورمایع و دما بر روی ? 2 و 4 ? ماتریس انتقال 2 فرکانس مد نقص و دوپایایی موجود در ساختار بررسی شده و نشان داده شده است که این ساختار قابلیت استفاده به عنوان سویچ های نوری حرارتی را داراست.

اخیراً توجه زیادی به فیلترهای بلور فوتونی تنظیم پذیر در امر ارتباطات اپتیکی شده است. با توجه به کاربردهای وسیع این فیلترها، طرح های مختلفی جهت ساخت آنها ارائه شده است و از مواد مختلفی نظیر نیمه هادی ها و فرو الکتریک ها در ساخت آنها استفاده شده است. اما مهمترین مسأله در ساخت فیلترهای بلور فوتونی با مواد معمولی این است که به سختی می توان به اختلاف ضریب شکست بالا بین دو محیط دست یافت تا بلور فوتونیکی دارای گاف باند پهن شود و نهایتاً مدهای مربوط به فیلتر آن به خوبی جایگزیده شوند. لذا جهت رفع این مشکل، اخیراً در ساخت بلورهای فوتونی از متامواد (موادی که یکی و یا هر دوی گذردهی الکتریکی و تراوایی مغناطیسی در آن منفی هستند) استفاده شده است. در این پروژه به بررسی خواص فیلترینگ بلورهای فوتونی یک بعدی حاوی متامواد می پردازیم. به این منظور ضریب تراگسیلندگی و طیف عبوری بلورهای فوتونی به کمک روش ماتریس انتقال محاسبه می شوند.

در این پایان نامه بازتابندگی بلور فوتونی متشکل از نیم رسانا های چاه کوانتومی و عوامل موثر بر آن مورد بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که بازتابندگی ساختار برای یک پالس اُپتیکی علاوه بر قطبش آن به قطبش پالس دمش، شدت پالس دمش و تأخیر بین پالس دمش و پالس اُپتیکی بازتابشی از ساختار بستگی دارد. لذا ساختار می تواند به عنوان یک کلید اُپتیکی عمل کند. تمامی کلیدهای فوق سریع گامی به سوی نسل آیندة شبکه های اُپتیکی می باشند. در اینجا، ما کلید زنی با سرعت پیکو ثانیه را پیشنهاد می دهیم که از مشدد بلور فوتونی یک بعدی تشکیل یافته است. همانطوری که می دانیم در انتقال ارتباطات، حجم اطلاعات انتقالی و زمان کلید زنی بسیار مهم می باشد. یکی از محدودیت های مخابراتی موجود در انتقال ارتباطات، سرعت کلیدزنی است. برای بالا بردن کیفیت کلیدزنی و کم کردن زمان آن، اقدامات گسترده ای انجام گرفته است. سریع ترین پدیده در کلیدزنی، واهلش با سرعت در حدود8-10 ثانیه بود ولی این مقدار به اندازه کافی سریع نبود. با پایه ریزی عمل کلیدزنی بر اثر اشتارک اُپتیکی و ترازهای مجازی، این زمان واهلش تا 15- 10 ثانیه می رسد که باعث بالا رفتن سرعت کلیدزنی خواهد شد. توسط اثر اشتارک اُپتیکی، از یک میدان قوی نور برای ایجاد ترازهای مجازی استفاده خواهیم کرد. این روش می تواند در زمانی در حدود پیکو ثانیه عمل نموده و یک پیشرفت جدید در کاهش سرعت کلیدزنی باشد. روش به کار رفته در بررسی ساختار کلید پیشنهادی در این پایان نامه، روش ماتریس انتقال است. ما ابتدا با باند گاف بلور فوتونی یک بعدی شروع و مکانیسم فیزیکی باند گاف توسط اثر اشتارک تحلیل می شود. عملکرد کلیدزنی در این پروژه به وسیلة ماتریس انتقال تخمین زده خواهد شد. به وسیلة اثر اشتارک اُپتیکی روی اکسیتن مجازی قادر خواهیم بود تا زمان کلیدزنی را در پهنای پالس پمپاژ محدود کرده و آن را به پیکو ثانیه برسانیم. بدین طریق، سرعت کلیدزنی بالا رفته و زمان کلیدزنی کاهش می یابد.

در این پروژه تعیین آلودگی مایعات توسط حسگر حساس به فاز بررسی می‏شود. آلودگی مایعات یکی از مسائل مهم در صنعت است. پارامتر مهم در این مساله ضریب‏ شکست مایع موردنظر می‏‏باشد. در این پایان نامه اصول کاری حسگر حساس به فاز مبتنی بر بازتاب‏ داخلی ‏کلی با استفاده از رهیافت‏های اپتیک موجی تشریح خواهد شد. ایده‏ی اصلی حسگر حساس به فاز، استفاده از فاز نور انعکاسی در اثر پدیده‏ی بازتاب‏ داخلی ‏کلی می‏باشد. این پدیده زمانی روی می‏دهد که پرتوی نور تحت زاویه‏ای بزرگ‏تر از زاویه‏ی بحرانی از محیط غلیظ به رقیق بتابد که در نتیجه‏ی آن موج بازتابیده شیفت فازی وابسته به ضریب شکست و زاویه‏ی برخورد کسب می‏کند. حسگر نوری ما شامل یک منشور متساوی‏الساقین قائم‏الزاویه، چند تیغه‏ی ربع‏موج و نیم‏موج و تداخل‏سنج ماخ-زندر می‏باشد. در صورتی‏که زاویه‏ی تیغه‏های ربع‏موج و نیم‏موج درست انتخاب شود، اختلاف‏ فاز نهایی بین دو سیگنال تداخلی مطابق با زاویه‏ی تیغه‏ی نیم‏موج خواهد‏ بود که موجب قابل کنترل بودن حساسیت فازی می‏شود. محاسبات عددی نشان می‏دهند که حساسیت فازی و محدوده‏ی دینامیک اندازه‏گیری با تنظیم زاویه‏ی آنالیزور کنترل می‏شود. حسگر در تماس با سلول جریان مایع قرار می‏گیرد و از این رو تغییر در فاز پرتوی بازتابیده که به معنی تغییر در ضریب شکست مایع موردنظر است به سرعت آشکار می‏شود و از طریق آن می‏توان آلودگی مایع را تشخیص داد.

کنترل حالت پلاریزاسیون و فاز در سیستم های اپتیکی نقش مهمی را ایفا می کند. به عنوان مثال: کنترل حالت پلاریزاسیون امواج نوری در گستره ای از کاربردها که شامل توسعه ی سنسورهای اپتیکی، اندازه گیری موج نوری و توسعه ی مدارهای مجتمع و... است، بسیار مهم می باشد. فاز نیز در سیستم های اپتیکی نقش مهمی را در هولوگراف های اپتیکی و مدولاتورهای فازی بازی می کند. همچنین فاز و دامنه ی امواج الکترومغناطیسی اطلاعاتی را در مورد محیطی که نور در آن منتشر می شود حمل می کنند. بنابراین در کنار شناسایی پارامترهای دامنه ای مثل بازتابندگی و عبور، بدست آوردن اطلاعات فازی و قطبش در سیستم های اپتیکی نقش بسزایی دارد. در این پروژه ابتدا وابستگی فرکانسی و زاویه ای بازتابندگی بلورها و شبه بلورهای فوتونی متشکل از مواد عادی و یا متامواد بررسی می شود. سپس تغییرات فاز باریکه های بازتابی از این ساختارها مطالعه می شود و در نهایت تاثیر ساختارهای گاف باندی یک بعدی بر قطبش اشعه های بازتابی از این ساختارها که دارای پلاریزاسیون اختیاری هستند بررسی خواهد شد. نتایج نشان می دهند که اختلاف فاز بین دو موج پلاریزه ی الکتریکی عرضی و مغناطیسی عرضی بازتابی از برخی از این ساختارها، در محدوده ی فرکانسی نسبتا پهنی در داخل باند ممنوعه بدون تغییر باقی می ماند. این ویژگی می تواند برای طراحی جبران کننده ی فاز پهن باند بکار رود. همچنین، تأثیر تغییر ضخامت های دو لایه ی تشکیل دهنده ی بلور فوتونی یک بعدی بر روی اختلاف فاز حاکی از آن است که این ساختارها می توانند به عنوان قطبشگر نیز بکار روند. بعلاوه، خواص فازی امواج بازتابی از شبه بلورهای دو دوره ای یک بعدی نشان می دهند که مقدار اختلاف فاز در محدوده ی فرکانسی پهن باندی، مستقل از شمارنده ی مولد است. روشی که در این پروژه بکار می رود، روش معروف ماتریس انتقال است.

انتقال اطلاعات کوانتومی و ایجاد همبستگی¬های کوانتومی از جمله درآمیختگی و ناسازگاری کوانتومی نقشی کلیدی در مخابرات کوانتومی دارند. این فرآیندها در شبکه¬های کوانتومی مختلف و با رویکردهای نسبتاً متفاوت مورد بررسی و مطالعه قرارگرفته-اند. هدف از این تحقیق بررسی پیکربندی¬های مختلف برای سیستم¬های اتم-کاواک جفت¬شده از طریق تعویض تک فوتونی و دوفوتونی به منظور مطالعه دینامیک درآمیختگی اتمی و فوتونی است. در این راستا سیستم های اتم-کاواک جفت شده¬ی یکسان را با استفاده از مدل جینز-کامینگ دو فوتونی مورد مطالعه قرار داده و فرض کرده¬ایم هر کاواک (شامل یک اتم) روی یک گره از شبکه کوانتومی واقع شده و کاواک¬ها از طریق ماتریس همسایگی گراف نظیر شبکه به وسیله تبادل دوفوتونی با قدرت جهش با یکدیگر اندرکنش می¬کنند. در این پروژه، گراف نظیر شبکه کوانتومی را از نوع گراف زنجیره¬ای با طول معین، گراف کامل و دسته ای از گراف¬ها موسوم به گراف¬های کیلی غیر رنگی (از جمله گراف دوری و شبکه ابرمکعبی) در نظر گرفته و شرایط لازم برای انتقال بهینه درآمیختگی مابین اتم-کاواک¬ها را بررسی نموده¬ایم. در واقع با فرض اینکه n اتم-کاواک یکسان روی رئوس این شبکه¬ها توزیع شده¬اند و با استفاده از بقای تعداد فوتون-تحریک (تقارن هامیلتونی شبکه) و همچنین روش تجزیه طیفی، هامیلتونی سیستم مورد نظر را به صورت بلوکه قطری با بلوک های 2 بعدی تجزیه می¬کنیم. به عبارت دقیقتر وجود تقارن نظیر پایستگی عملگر تعداد-تحریک و نیز ساختار جبری شبکه¬های مورد مطالعه بویژه شبکه¬های کیلی (مانند مشخصه¬های تقلیل ناپذیر گروه¬های نظیر به شبکه¬ها) به ما کمک می¬کند تا با استفاده ازتبدیل فوریه تعمیم یافته¬ی متناظر، پایه¬های مناسبی برای فضای حالت سیستم اتم-کاواک معرفی کرده و هامیلتونی کل سیستم را به بلوک¬های 2×2 تجزیه کنیم. سپس با حل دقیق معادله شرودینگر متناظر، ایجاد و انتقال درهم¬تنیدگی بین اتم¬ها و یا فوتون¬ها را بررسی کرده و رفتار مجانبی میزان درآمیختگی تولید شده را در حد شدت جهش دو فوتونی بسیار بزرگ و بسیار کوچک مورد بحث قرار داده و نشان داده¬ایم که در حد1 ≤

مطالعه مدل¬های ساده توصیف کننده¬ی تشعشع الکترومغناطیسی با اتم¬ها (اندرکنش اتم - کاواک)، اساس اپتیک کوانتومی را تشکیل می¬دهد. در این میان هامیلتونین جینز - کامینگ از اهمیت و نقش اساسی برخوردار است که در آن دو کاواک، هر یک شامل یک اتم، از طریق تعویض یک فوتون با هم اندرکنش می¬کنند. در مطالعه¬ی اتم¬های سه¬ترازه، هامیلتونین مشابه مدل جینز - کامینگ در نظر گرفته می¬شود. با این تفاوت که کاواک¬ها از طریق تعویض دو فوتون بجای یک فوتون با¬هم اندرکنش می¬کنند. در اطلاعات و محاسبات کوانتومی، کاواک¬های اپتیکی جفت شده از طریق تعویض یک یا چند فوتون، می¬توانند به عنوان کانال کوانتومی برای انتقال سریع و مطمئن اطلاعات کوانتومی به فواصل دور مورد استفاده قرار گیرند. همچنین دینامیک دو کاواک جفت شده، هر یک شامل یک اتم دو¬ترازه می¬تواند به منظور مطالعه¬ی انتقال حالت، گیت¬های دو¬کیوبیتی بکار رود. هدف عمده این پروژه، مطالعه و بررسی رویکردهای مختلف انتقال حالت¬های اتمی و فوتونی از جمله رویکرد ارتباط از راه دور کوانتومی در سیستم های شامل چند اتم-کاواک یکسان می باشد. بطوریکه پس از تعریف هامیلتونین مناسب، و در¬نظرگرفتن تقارن¬های آن از جمله: تقارن مربوط به پایستگی تعداد فوتونی ، تحول حالت کوانتومی سیستم را بررسی کرده و شرایط لازم برای انتقال کامل یا انتقال بهینه حالت مابین اتم¬ها را مورد مطالعه قرارخواهیم داد.

در سالهای اخیر بلورهای فوتونی به خاطر خواص جالبشان در کنترل و انتشار امواج الکترومغناطیسی مورد توجه زیادی قرارگرفته اند. به طوری که از آنها در ساخت قطعات فوتونی خصوصا در مدارهای مجتمع فوتونی استفاده های زیادی شده است. بلور فوتونی یک ساختار منظم با ثابت دیالکتریک متناوب فضایی است که پارامتر شبکهای آن قابل مقایسه با طول موج،موج الکترومغناطیسی فرودی است. این ویژگی منجر به ایجاد نوار ممنوعه فرکانسی در بلور میشود که به آن گافباند گفته می شود، حال اگر این گافباند نسبت به تغییر زاویه موج فرودی و قطبش آن حساسیت نشان ندهد، به آن گافباند تمامسویه فوتونی گفته می شود. در مطالعه گافباند، لایهها بر اساس تناوب کاملاً منظم مانند بلورهای فوتونی یا نامنظم کنار هم قرار می گیرند، حالتی نیز ما بین این دو حالت وجود دارد، که به آن شبه تناوب گفته میشود. از جمله مهمترین ساختارهای شبه متناوب می توان به ساختارهای فیبوناچی ، تو- مورس و دو دورهای اشاره کرد. یکی از معمولترین شبه تناوبها، شبه تناوب فیبوناچی است، که ساختار لایههای ما بر اساس این شبه تناوب خواهد بود. در ساختار بلورهای فوتونی مورد مطالعه از پلاسما به عنوان دی الکتریکی که ثابت دی الکتریک آن وابسته به فرکانس موج فرودی است استفاده کردیم. از روش ماتریس انتقال که یکی از بهترین روش ها برای مطالعه ساختار گاف باند بلورهای فوتونی یک بعدی در حوزه ی فرکانس می باشد استفاده کرده و ساختارهای مورد نظر را بررسی کردیم. ابتدا ساختارهای متناوب را با ساختارهای شبه متناوب مقایسه کردیم. سپس لایه ی پلاسما را به بلور فوتونی وارد کرده و تغییرات ایجاد شده را مطالعه کردیم. در ادامه تاثیر ضخامت و چگالی لایه پلاسما را روی گاف باند فوتونی تمام سویه مطالعه کردیم. مشاهده کردیم که با افزایش ضخامت و چگالی لایه پلاسما گافباند فوتونی تمام سویه بزرگتر و پهنتر میشود. همچنین با وارد کردن مولفهی اتلاف در پلاسما مشاهده میشود که گافباند فوتونی کوچکتر شده و لبههای گاف باند از بین میرود.

بلورهای فوتونی، ساختارهای متناوب دی الکتریکی یا فلزی هستند که می توانند انتشار نور را کنترل کرده و رفتار آن را تحت تأثیر قرار دهند. وقتی که که مواد سازنده ی بلورهای فوتونی، خاصیت مغناطیسی داشته باشند و یا حداقل یک لایه در ساختارهای بلور فوتونی، مغناطیسی باشدبلورهای مگنتوفوتونی شکل می گیرند.استفاده از ساختار های بلور مگنتوفوتونی به منظور افزایش اثرات مگنتواپتیکی از سال 1996 آغاز شده و تاکنون مطالعات نظری و عملی بسیاری بر روی آن¬ها انجام یافته است. از جمله کاربردهای بلورهای مگنتوفوتونی استفاده از آنها در طراحی ایزولاتورها و حسگرهای مگنتواپتیکی می باشد و امروزه این بلورهاقابلیت های فراوانی به منظور به کارگیری در فوتونیک مجتمع به دست آورده اند. پاسخ های مگنتواپتیکی این بلور به پارامترهای مختلفی مانند نوع چینش ساختار، مواد تشکیل دهنده ی بلور، ضخامت لایهها به ویژه ضخامت لایه ی نقص، میدان مغناطیسی خارجی و ... بستگی دارد. در این پایاننامه، وابستگی خواص مگنتواپتیکی بلورهای مگنتوفوتونی یک بعدی با ساختار میکروکاواک نسبت به تغییر ضخامت لایه ی نقص مغناطیسی و شدت میدان مغناطیسی خارجی با استفاده از رهیافت ماتریس انتقال 4×4 مطالعه شده است. هم چنین، ترتیب چینش وضخامت لایه های دی الکتریکی، تعداد جفت لایههای دی الکتریکی و طول موج نور فرودی نیز تغییر داده شده اند و تأثیر این تغییرات بر روی خواص مگنتواپتیکی حاصل، بررسی شده است. نتایج حاصل، به این صورت است کهبا تغییر پارامتر ساختاری لایه¬ی نقص (ضخامت لایه ی نقص) می توان طول موج مد نقص را در داخل گاف باند بلور فوتونی تنظیم کرد و با افزایش ضخامت لایه ی نقص می توان بیش ترین زاویه ی چرخش فارادی را به دست آورد. در ضمن با افزایش میدان مغناطیسی خارجی تا حالت اشباعی دریافتیم، با اینکه مقدار تراگسیلِtبه طور ناچیزی کاهش می یابد اما اندازه ی چرخش فارادی ?_f به شدت زیاد می شود.نتایج حاصل می تواند در طراحی ابزارهای اپتیکی (هم چون فیلترهای اپتیکی) مورد استفاده قرار گیرد.

چکیده: بلورهای فوتونی (pcs) متداول، ساختارهای کامپوزیتی با آرایه ای متناوب از مواد با ضریب شکست مختلف می باشند. این آرایه ها می توانند در یک، دو و سه بعد تناوب داشته باشند. به علت این تناوب، پراکندگی براگ چندگانه از سلول های واحد، می تواند باعث ایجاد گاف باند های فوتونی(pbgs) شود. درنتیجه انتشار امواج الکترومغناطیسی در فاصله های فرکانسی خاصی ممنوع می شود. وجود گاف باند ها منجر به پدیده های جالبی مانند کنترل گسیل خودبه خودی و همگرایی نور می شود. بلورهای فوتونی نقش بسزایی در بهبود عملکرد وسایل اپتوالکترونیکی و میکروموجی ایفا می کنند. اگر ساختار باند بلورهای فوتونی قابل تنظیم باشد؛ نقش بلورهای فوتونی در بهبود عملکرد، به طور چشمگیری افزایش خواهد یافت. بنابراین، تلاش های زیادی برای داشتن کنترل بیشتر بر روی گاف باندها انجام شده است. از این رو برای تحلیل گران و مهندسان داشتن یک فهم خوب و بینش عمیق از رفتار دینامیکی بلورهای فوتونی بسیار مهم است. دراین پژوهش آن دسته از بلورهای فوتونی مورد بررسی قرار گرفته اند که در آن ها ضریب شکست و ضخامت لایه ها تابعی از مکان باشد. این ساختارها " بلورهای فوتونی تابعی" نامیده می شوند. دراین بررسی، توابع مختلفی برای ضخامت وضریب شکست لایه ها در نظر گرفته شده و طیف تراگسیل و پارامترهایی برای کنترل این طیف بدست آمده است. این پایان نامه شامل سه فصل می باشد؛ در فصل اول به بررسی منابع پرداخته و برخی از کارهای انجام شده در زمینهی بلورهای فوتونی تابعی را ذکر کرده ایم. همچنین برخی مفاهیم تازه در این زمینه را توضیح داده ایم. در فصل دوم ابتدا مبانی و روش های استفاده شده برای تحلیل ساختارها را معرفی کرده ایم. در ادامه روش ماتریس انتقال (tmm) را شرح داده و این روش را به بلور های فوتونی تابعی بسط داده ایم. در فصل سوم ساختارهای تابعی گوناگون را بررسی کرده و در مورد نتایج بدست آمده بحث نموده ایم. همچنین برای انجام محاسبات عددی و رسم نمودارها از نرم افزار متلب (matlab) استفاده شده است. نتایج بررسی های ما نشان می دهد که در همه ساختارهای تابعی مورد بررسی، طیف تراگسیل شامل گاف باندی می باشد که پهنای آن به شدت به نوع تابع به کار برده شده بستگی دارد. همچنین بیشترین پهنای گاف باند، برای ساختارهای تابعی ای بدست آمده است که هم ضخامت و هم ضریب شکست لایه ها در آن ها وابسته به مکان می باشند. ما برای هرکدام از توابع مورد بررسی، پارامترهایی را تعیین کرده ایم که بیشترین گاف باند را در سیستم لایه ای مورد نظر داشته باشد.

در سال های اخیر بلورهای فوتونی به خاطر خواص جالبشان در کنترل انتشار امواج الکترومغناطیسی مورد توجه زیادی قرارگرفته اند. بلورهای فوتونی از لایه های متناوب از مواد که ثابت دی الکتریک آنها باهم متفاوت هستند، تشکیل شده است. مشخصه ی اصلی بلورهای فوتونی، دوره ای بودن ثابت دی الکتریک در آنهاست. این ویژگی منجر به ایجاد نوار ممنوعه ی فرکانسی در بلور می شود، بطوریکه امواج الکترومغناطیسی ای که با فرکانس منطقه ی ممنوعه تابش می شوند، قادر به عبور از بلور نمی باشند. با تغییر دادن پارامترهای فیزیکی نظیر ثابت دی الکتریک و ضخامت لایه ها، می توان یک نقص بلوری ایجاد کرد. وجود نقص در بلورفوتونی موجب ایجاد مدهای نقص در داخل نوار ممنوعه ی بلور می گردد. دراین پروژه، ما یک بلور فوتونی یک بعدی حاوی لایه ی نقص متشکل از منشور دوتایی طراحی کرده ایم و خواص انتشاری آن را با استفاده از روش ماتریس انتقال مطالعه نمودیم. نشان می دهیم که مولفه ی فرکانسی خروجی از این ساختار، بستگی شدیدی به مکان باریکه ی فرودی دارد. زیرا، راه نوری، وابسته به مکان در منشورهاست. لذا این ساختار می تواند به عنوان یک فیلتر با خروجی وابسته به مکان بکار رود.

دمش دیودی به علت دارا بودن مزیت¬های فراوان مانند بازده بالا و کیفیت بالای پرتو، نسبت به دمش¬لامپی بیشتر مورد استفاده قرار می¬گیرد. این نوع دمش به صورت طولی و عرضی می¬باشد که برای دست¬یابی به لیزرهای توان بالا از سیستم دمش¬عرضی استفاده می¬شود و دمش طولی، برای¬ دست¬یافتن به لیزرهایی با بازدهی و کیفیت بهتر پرتو مناسب می¬باشد. امروزه به دلیل کاربرد فراوان لیزرهای توان بالا، مطالعه اثرات حرارت جذب شده در محیط¬های لیزری اهمیت پیدا کرده است. گرمای ایجاد شده درمحیط بلور از محدودیت¬های اساسی برای افزایش توان لیزر¬ها می¬باشد زیرا ایجاد توان بالا منجر به ایجاد تنش حرارتی، عدسی¬شدگی و دوشکستی در محیط لیزر شده و منجر به کاهش کیفیت پرتوخروجی و یا شکست محیط می¬شود. در این تحقیق یک تحلیل حرارتی-سازه¬ای بر روی بره¬ای از بلور nd:yag تحت دمش¬عرضی پیوسته دیودی 808 نانومتر با استفاده از نرم¬افزار اجزاء محدود انسیس بررسی شده است. حداکثر تنش و دمای ایجاد شده در بره محاسبه گردیده و با توجه به مقدار بیشینه تنش بدست آمده برای توان¬های دمشی مختلف، میزان حداکثر توان دمشی که منجر به شکست بره می¬شود، محاسبه شده است. بیشینه توان دمشی شکست بلور 435 وات بدست آمده است. در انتها با توجه به توزیع دمایی و تنش در محیط لیزر، دوشکستی القا شده در بره تعیین شده است. تغییرات دوشکستی در بلور پایین بوده و نتایج حاکی از این است که بلور در توان¬های بالا همچنان همسانگرد باقی می¬ماند.

بلورهای فوتونی ساختارهای جالبی هستند که توانایی کنترل جریان های فوتونی بوسیله تشکیل گاف باند فوتونی را دارند. رفتار فوتونها در بلورهای فوتونی مشابه رفتار الکترونها درون بلورهای نیمرساناست که بوسیله باند های رسانش و ممنوعه کنترل می شوند، به همین دلیل امروزه از فوتونهای با سرعت بالا بجای الکترونهای کند برای انتقال اطلاعات استفاده می شود. در طراحی وساخت بلورهای فوتونی از انواع مختلف مواد اعم از دی الکتریک ها، فلزات، نیمه رسانا ها و .... استفاده می شود. با توجه به اختراع متامواد در دهه اخیر و مشاهده خواص منحصر بفرد آنها ، دانشمندان به استفاده از این مواد در ساختارهای بلور فوتونی یک بعدی ترغیب شده اند. مطالعات نشان داده اند که بلورهای فوتونی یک بعدی متشکل از متامواد تک منفی ( اپسیلون منفی- مو منفی ) دارای نوع خاصی از گاف باند فوتونی می باشند که کاملا متفاوت از گاف باند های براگ است. این گاف باند جدید که گاف فاز موثر صفر نام گرفته است تا حد زیادی مستقل از زاویه تابش بوده و تغییر مقیاس ضخامت لایه ها و بی نظمی های احتمالی در آنها تاثیر چندانی در خصوصیات گاف ندارد. در این کار پژوهشی به مطالعه ساختار باند یک بلور فوتونی سه لایه ای متشکل از متامواد تک منفی پرداخته شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که گاف باند فاز موثر صفر در بلور سه لایه ای نسبت به حالت دو لایه ای تعریض می شود و میزان این تعریض با تغییر پارامترهای متامواد سازنده قابل کنترل می باشد. این امر امکان استفاده بهتر از این ساختار را در کاربردهایی مثل فیلترها و بازتابگرها فراهم می کند.

آینه های فلزی، نور را در یک گستره ی وسیع از فرکانس ها به ازای هر زاویه ی اختیاری بازتاب می کنند ولی این آینه ها به علت جذب به ویژه در فرکانس های فروسرخ و نوری، اتلافی بوده و مطلوب نیستند، به همین دلیل دانشمندان استفاده از آینه های دی الکتریک چندلایه ای را به آینه های فلزی ترجیح می دهند. آینه های دی الکتریک چندلایه ای گستره باریکی از فرکانس فرودی را در یک زاویه ی مخصوص یا گستره ی زاویه ای مخصوص بازتاب می کنند. مکان و پهنای بازتاب مطلوب را می توان با انتخاب مناسب ضخامت لایه ها و ضرایب شکست مواد تشکیل دهنده به دست آورد. قابلیت بازتاب در هر زاویه ی تابش اختیاری وابسته به وجود گاف باند فوتونی کامل است.