در فصل اول این پایان نامه نانومواد پلاسمونیکی به عنوان مواد نوظهوری با ویژگی های خاص مورد بررسی قرار می گیرند. در فصل دوم یکی از کاربردهای نانومواد پلاسمونیکی تحت عنوان نانولیزرهای پلاسمونی (اسپیزر) بررسی می شود. فصل سوم به اسپیزرهایی با محیط بهره دو ترازه می پردازد. در فصل چهارم نیز اسپیزرهای سه ترازه به عنوان موضوع اصلی مورد بحث قرار می گیرند. تأثیر دما و مبحث سوئیچ-q در اسپیزرهای دو ترازه و نیز نظریه دمش-روبش در اسپیزر سه ترازه در قالب بخش های کوتاهی در فصل چهار قرار می گیرند. در فصل پنجم این پایان نامه نیز پیشنهادهایی برای ادامه پژوهش در آینده مطرح می شود.

در این پایان نامه، در فصل اول و دوم با بیان ویژگی های نقاط کوانتومی و نانوکاواک های بلور فوتونیکی بر اهمیت جفت شدگی نقاط کوانتومی به نانوکاواک های بلور فوتونیکی برای منابع لیزری تأکید می شود. در فصل سوم با استفاده از معادلات آهنگ حاکم بر این نوع لیزر ها به بررسی دینامیک آنها پرداخته می شود. معادلات آهنگ پدیده شناختی، معادلات آهنگ متداولی هستند که برای این نوع لیزر ها استفاده می شوند. این معادلات آهنگ به درستی رفتار حالت پایای لیزر را نشان می دهند ولی در توجیه رفتار گذرای لیزر در لحظه شروع فرآیند لیزری درست عمل نمی کنند. برای درک دینامیک این نوع لیزر ها به یک توصیف میکروسکوپی نیاز است. بررسی دقیق فرآیندهای میکروسکوپی در لایه مرطوب و نقطه کوانتومی نشان می دهد که پراکندگی غیر خطی اوژه بار-بار و وابستگی آنها به چگالی حامل های بار نقش مهمی در شروع فرآیند لیزری بازی می کند. از این رو، با در نظر گرفتن معادلات آهنگی که این پراکندگی های اوژه را به طور غیر خطی و برای هر دو نوع حامل های بار به طور مجزا در نظر می گیرند، به بررسی رفتار حالت گذرا در لحظه شروع پرداخته می شود. در فصل چهارم مدل بهره خطی به بهره نمایی تغییر پیدا می کند، پالس جریان تزریقی تغییر داده می شود و نمودار های حالت گذرای آن یک بار دیگر ترسیم می شوند. نمودارهای چشمی آنها نیز ترسیم می گردند. سپس کار اصلی که در این پایان نامه انجام می شود این است که از دمش مستقیم نقاط کوانتومی به جای لایه مرطوب استفاده می شود و رفتار گذرا و حالت پایای آن بررسی می شود و مشاهده می شود که چگالی فوتون آن افزایش یافته و همینطور جریان آستانه آن کاهش می یابد که می توان نتیجه گرفت از این طریق می توان بازده مطلوب تری به دست آورد. در نهایت تأثیر نانوکاواک های بلور فوتونیکی با افزایش فاکتور محبوس سازی در لیزر های نقطه کوانتومی در نظر گرفته می شود که در این صورت هم مشاهده می شود با افزایش فاکتور محبوس سازی چگالی فوتون افزایش می یابد. در نهایت در فصل پنجم به نتیجه گیری و پیشنهادهای ادامه کار پرداخته می شود.

بیضی سنجی یک روش اپتیکی غیر مخرب و غیر تماسی برای مشخصه یابی سطوح مشترک و لایه های نازک است. این روش بر اساس تغییر قطبش نور به هنگام انعکاس از سطوح استوار است. با انجام بیضی سنجی های عددی و مقایسه آنها با داده های بیضی سنجی تجربی می توان مدل های فیزیکی مناسبی برای سطوح و لایه های نازک ارائه داد. هدف اصلی در این پایان نامه طراحی و اجرای یک کد رایانه ای برای انجام بیضی سنجی عددی از لایه های نازک ناهمسانگرد است. در این کار پژوهشی، ابتدا در فصل اول معرفی کلی قطبش نور و تکنیک بیضی سنجی انجام می شود. در فصل دوم، محیط های ناهمسانگرد اپتیکی معرفی می شوند. همچنین انتشار موج تخت تکفام در محیط ناهمسانگرد مورد بررسی قرار می گیرد و فرمول بندی حاکم بر انتشار به صورت تحلیلی و نظری به دست می آید. در فصل سوم، ابتدا مسئله بازتاب و شکست از سطح مشترک تخت بین یک محیط همسانگرد و یک محیط دو شکستی مورد بررسی قرار می گیرد. با استفاده از نتایج به دست آمده از این بررسی، حل عددی بیضی سنجی (تک طول موج) برای بررسی ضخامت لایه های نازک دو شکستی در فصل مشترک بین دو محیط همسانگرد مورد بررسی قرار می گیرد. با انجام محاسبات توسط برنامه رایانه ای طراحی شده برای فرود نور تک طول موج با اسکن زاویه ای، بستگی ضخامت لایه نازک دو شکستی از طریق تغییر حالت قطبش، که مکانیسم اصلی بیضی سنجی می باشد از طریق تعیین ضرایب انعکاس دامنه مشخص شده و نتایج ارئه می شود. در فصل چهارم، ابتدا حل عددی بیضی سنجی طیف نگاری (نور فرودی با جهت گیری ثابت و اسکن طول موجی) برای بررسی ضخامت لایه نازک دو شکستی در فصل مشترک بین دو محیط همسانگرد انجام می شود. همچنین یک مدل کیفی در جهت شناسایی لایه نازک ناهمسانگرد در محیط آزمایشگاه به دست می آید که اساس آن ترسیم ضرایب انعکاس بر حسب طول موج نور فرودی است. در پایان فصل چهارم حل دقیقی از بیضی سنجی که برای تمامی ناهمسانگردی ها نتیجه قابل قبولی داشته باشد، انجام می گیرد. برنامه نوشته شده برای انواع لایه های نازک با ناهمسانگردی های مختلف کاربرد دارد. این برنامه (که در پیوست موجود است) به عنوان برنامه نهایی معرفی می شود. در فصل پنجم، نتایج کلی به دست آمده از این پژوهش ذکر می شود و همچنین پیشنهاد هایی نیز در راستای تکمیل کردن این پژوهش بیان می گردد

منابع تک فونونی که بتوانند باریکه های لیزرگونه ای از فونون ها را ایجاد کنند، اهمیت بسیاری در حوزه های پژوهشی، از جمله حوزه های پژوهشی حالت جامد دارند و ضرورت دارد که فیزیک آنها با گستردگی بیشتری مورد بررسی قرار گیرد. در این پایان نامه به تشریح لیزر فونونی (فیزر) بر اساس مولکول فوتونیکی پرداخته می شود. پایان نامه حاضر در پنج فصل تنظیم شده است. در فصل اول فیزیک لیزر، شیوه کار، و خصوصیات آن به اختصار تشریح می شود. فصل دوم به معرفی اتم ها و مولکول های فوتونیکی و ویژگی های منحصر به فرد آنها اختصاص دارد و اطلاعات مختصری در زمینه کاواک های فوتونیکی در آن ارائه می گردد. در فصل سوم بعد از تعریف فونون و ویژگی های آن، مفهوم "لیزر فونونی" معرفی می شود و به برخی از طراحی های پیشنهاد شده برای لیزر فونونی و فیزیک حاکم بر آنها اشاره می گردد. در فصل چهارم هدف بررسی "فیزر مولکول فوتونیکی" است. در این فصل فرمول بندی کوانتومی حاکم بر "فیزر مولکول فوتونیکی" با استفاده از معادله حرکت هایزنبرگ به دست می آید و مورد بررسی عددی قرار می گیرد. نشان داده می شود که نمودارهای مربوط به توان خروجی و وارونگی جمعیت بر حسب آهنگ دمش، همان رفتاری را دارند که یک لیزر معمولی دارد. سپس، برای اولین بار با استفاده از فرمول بندی مذکور به ایده سرد سازی فیزری پرداخته می شود و مشاهده می شود که می توان با فرایند مذکور دمای فونونی سیستم های ارتعاشی مکانیکی را کاهش داد. در ادامه، شکافتگی مدهای مولکول فوتونیکی به کار رفته در این فیزر بررسی می شود و فرکانس های تشدیدی مولکول، با استفاده از روش وردشی محاسبه می شود. در نهایت بازدهی این فیزر مولکول فوتونیکی به طور نظری به دست می آید و با داده تجربی مقایسه می شود. فصل پنجم به نتیجه گیری کلی از پایان نامه و نیز ارائه پیشنهادهایی برای ادامه کار اختصاص دارد.

به نوسان های دسته جمعی الکترون ها در سطح مشترک بین یک دی الکتریک و فلز پلاسمون سطحی می گویند. پلاسمون سطحی به علت کاربردهای مختلفی که دارد اخیراً، زمینه پژوهش بسیاری از محققان بوده است. پلاسمون های سطحی فقط در قطبش مغناطیسی عرضی (tm) نور می توانند تحریک شوند. هنگامی که فرکانس نوسان های پلاسمون سطحی (در مواد پلاسمونیکی مانند فلزات نجیب)، با فرکانس نور فرودی برابر باشد، پدیده تشدید روی داده که به آن تشدید پلاسمون سطحی می گویند. تشدید پلاسمون هنگامی روی می دهد که طول موج نور فرودی نسبت به ابعاد ماده پلاسمونیکی بسیار بزرگتر و همچنین قسمت حقیقی ثابت دی الکتریک فلز و محیط اطراف مختلف العلامت باشند. با ایجاد تشدید پلاسمون سطحی، میدان های قوی در اطراف نانوخوشه ها ایجاد شده که می تواند کاربردهای زیادی داشته باشد. میزان انرژی مرتبط با این تشدید به چیدمان، اندازه، شکل و محیطی (ضریب دی الکتریک) که نانوخوشه ها در آن قرار دارند وابسته است. در این پایان نامه با در نظر گرفتن انواع نانوخوشه های فلزی، به بررسی توزیع میدان و پراکندگی نور در نزدیکی های آن ها و نیز محاسبه فرکانس های تشدیدشان پرداخته و برای حل معادلات ماکسول از روش انتگرال های سطحی استفاده شده است. این روش بر پایه معادلات انتگرالی استراتون-چو بوده، که یک روش کلی حل معادلات ماکسول برای هر نوع شرایط مرزی است. در این مطالعه صرفاً از حالت دوبعدی و برای نانوخوشه های مشتمل بر سطح مقطع های نانوسیم ها (با هر مقطع دلخواه)، استفاده شده است. برای بررسی فرکانس تشدید نانوخوشه های کروی شکل، از روش هماهنگ های کروی برای محاسبه میدان در نزدیکی های نانوخوشه هایی که صرفاً کروی می باشد، نیز استفاده شده است. برای محاسبه فرکانس تشدید انواع نانوخوشه ها، متوسط اندازه میدان الکتریکی در داخل و اطراف نانوخوشه ها محاسبه گردید. فرکانس نوری که باعث بیشینه شدن این مقدار متوسط شد به عنوان فرکانس تشدید پلاسمون گزارش شده است. انواع نانوخوشه هایی از جنس طلا مشتمل بر نانوسیم هایی با مقطع دایروی تک، جفت، سه تایی، چهارتایی و بیضوی تک و همچنین نانوخوشه های سه جسمی کروی در آرایش های متساوی الاضلاع، تاخورده، و نامنظم مورد بررسی قرار گرفته و فرکانس های تشدید آن ها، محاسبه و گزارش گردیده است.

در این پایان نامه ابتدا، معادله ی شرودینگر در سیستم مختصات کروی با روش جداسازی متغیرها به صورت تحلیلی حل می شود. سپس،به حل معادله ی شرودینگر در چاه های استوانه ای و مخروطی با دیواره های نامحدود پرداخته می شود.

در این پایان نامه با استفاده از برنامه نویسی با نرم افزار متمتیکا فرکانس های تشدیدی مولکول فوتونیکی با شعاع ها و جنس های یکسان و متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است.