در این پایان نامه پخش تک ذره? کلوئیدی در سه بُعد بررسی شده است. پدیده? پخش، یکی از مکانیزم های مهم نقل و انتقال در سلول های زیستی است. علاوه بر این، با مطالعه? حرکت پخشی ذرات می توان اطلاعات فیزیکی از خواص محیطی که ذره در آن حرکت می کند، مانند وشکسانی و دما به دست آورد. برای بررسی حرکت پخشی یک ذره کلوئیدی در ابتدا لازم است مسیر حرکت ذره در فضا و زمان مشخص شده و سپس با تحلیل این مسیر پخش ذره مورد مطالعه قرار گیرد. در این پایان نامه برای تعیین مسیر حرکت ذره دو روش ردیابی استاتیک و دینامیک ارائه کردیم. همچنین این روش ها را به ردیابی سه بُعدی نیز تعمیم دادیم. با استفاده از روش های پیشنهادی می توان مسیر حرکت ذره کلوئیدی که در میکروسکوپ نوری قابل مشاهده است را در سه بُعد برحسب زمان و در فضا تعیین کرد. برای تحلیل حرکت ذره کلوئیدی بسته نرم افزاری به زبان matlab نوشته و آن را koja نامیدیم. این برنامه قادر است داده های به دست آمده از ردیابی ذره کلو ئیدی را تحلیل کرده و با روش های آماری مختلفی از جمله متوسط گیری آنسامبلی، زمانی و ترکیب این دو، در حالت های همبسته و غیرهمبسته، ضرایب پخش ذره را در سه بُعد محاسبه کند. علاوه براین، برنامه کمیت های آماری دیگری همچون تابع همبستگی سرعت ها و تابع فراوانی جابجایی ها را نیز محاسبه می کند. در صورتی که ذره? مورد مطالعه، غیرکروی بوده و داده های چرخش نیز در دسترس باشد، برنامه قادر است ضرایب پخش انتقالی را در دستگاه جسم ذره و همچنین ضرایب پخش چرخشی ذره را نیز محاسبه کند. با استفاده از این برنامه، حرکت باکتریِ ای .کولای که تقریباً استوانه ای شکل است را بررسی کردیم. ضرایب پخش انتقالی و چرخشی این باکتری را در محیط آب برای دو حالت مرده و زنده و همچنین برای گونه های با دُم و بی دُم مطالعه کردیم. نتایج به دست آمده نشان می دهند که حتی زمانی که دُم باکتری به صورت ژنتیکی غیرفعال شده است، نقش بسزایی در حرکت و پخش آن دارد. علاوه بر پدیده پخش معمولی، پدیده پخش در حضور میدان های خارجی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. زیرا در بسیاری از شرایط واقعی، سیستم تحت تا?ثیر نیروهای خارجی است. از جمله مهمترین این میدان ها، میدان گرانش، میدان الکتریکی و میدان گرادیان دما است. حرکت خالص ذرات کلوئیدی تحت اثر گرادیان دما به سمت ناحیه? گرم و یا سرد را اثر سُرِه و یا پخش گرمایی می نامند. سُرِه اولین کسی بود که حدود ??? سال پیش این پدیده را مشاهده کرد. از آنجایی که پارامترهای مختلف فیزیکی همچون وشکسانی، برهمکنش بین ذرات و محیط، جنس، اندازه، اینرسی، هدایت گرمایی و بار ذرات نقش مهمی در اندازه? نیروی اعمال شده دارند، بررسی این پدیده با چالش های بسیاری روبرو است. در این پایان نامه با ساخت سلول های گرادیان دمایی دقیق و سنسورهای حرارتی برای اندازه گیری گرادیان دما سعی شده است این پدیده بررسی شود. برای بررسی این پدیده ابتدا از دستگاه انبرک نوری که در مرکز تحصیلات تکمیلی در علوم پایه زنجان ساخته بودیم، استفاده کردیم. به دلیل محدودیت ها و مشکلاتی که در این رهیافت وجود داشت به سمت میکروسکوپ های نوری و استفاده از تجزیه و تحلیل تصویر رفتیم. نسل های مختلفی از سلول های گرادیان دمایی ساخته شد و آزمایش های زیادی انجام شد. یکی از مشکلاتی که بر سر راه بررسی این پدیده وجود دارد، تشکیل همرفت است. این قسمت از کار هنوز در حال انجام و بهبودسازی است.

در اپتیک از تحلیل فریزهای تداخلی، توزیع فاز و به طورکلی اختلاف راه نوری دو موج تداخلی را می توان محاسبه کرد. فریزهای تداخلی را می توان به دو دسته فریزهای جای گزیده و جای ناگزیده تقسیم بندی کرد، که در متون اپتیکی فریزهای نوع اول به خوبی بررسی شده اند. ولی فریزهای دسته دوم بسیار کم مورد بررسی قرار گرفته اند. با تحلیل این فریزها در فضا می توان اطلاعات بیشتری از دو موج تداخلی به دست آورد، و به عنوان مثال می توان در حالت هایی که استفاده از یک جبهه موج مرجع امکان پذیر نیست و یا دقت آن قابل تعیین نیست، از این روش به عنوان یک جای گزین استفاده کرد و نیاز به جبهه موج مرجع را برطرف کرد. در این پایان نامه، فریزهای جای گزیده و جای ناگزیده معرفی شده اند و روش های تحلیل فریز های جای ناگزیده در سه بعد بررسی شده است. هم چنین تیغه تخت موازی تحت تابش چشمه های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است و دقت آن برای اندازه گیری و تعیین توزیع فاز بررسی شده است. هم چنین با استفاده از روش دیگری، فریزهای ناشی از تیغه تخت موازی تحت تابش یک چشمه نقطه ای بررسی شده است و سعی شده فاصله چشمه تا صفحه مشاهده با استفاده از این روش تعیین شود. این بررسی هم به صورت شبیه سازی و هم به صورت تجربی انجام شده است. هم چنین در آزمایشگا ه های اپتیک به ابزار های دقیقی برای ایجاد جابه جایی های زیر میکرونی نیاز است (مثلاً در روش جابه جایی فاز)، که به همین منظور، یک جابه جاگر مکانیکی زیرمیکرونی طراحی و ساخته شده است. سعی شد از روش تعیین فاصله چشمه نقطه ای برای درجه بندی گام های این جابه جاگر، استفاده شود، ولی براساس نتایج به دست آمده، دقت نسبی این روش از مرتبه ‎$ 1\% $‎ است، که باعث شد این روش نتواند برای این منظور استفاده شود و در نهایت برای درجه بندی جابه جاگر از روش ردیابی ذره استفاده شد. هم چنین در این پایان نامه روشی عددی برای بازسازی دو جبهه موج تداخلی ارائه شده است که برای این منظور فریزهای جای ناگزیده این دو جبهه موج تداخلی در دو مقطع مختلف از انتشار مورد بررسی قرار می گیرد و با استفاده از روشی برپایه تکرار، توزیع فاز های دو جبهه موج تداخلی تعیین می شود. این روش نیز هم به صورت شبیه سازی و هم تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. براساس نتایج شبیه سازی، دقت این روش از مرتبه ‎$ dfrac{lambda}{10} $‎ است. تداخل سنج چینشی یکی از انواع تداخل سنجی است که فریزهای جای ناگزیده تولید می کند. در این پایان نامه سعی شده است، با استفاده از این تداخل سنج نمایه ضریب شکست قطعات نوری مانند میکروکره ها و تارهای نوری تعیین شود. برای این منظور از دو روش مختلف برای ایجاد چینش عرضی استفاده شده است و نتایج ناشی از این دو روش با هم مقایسه شده و مزایا و معایب هر روش مورد بررسی قرار گرفته است.

هواویزها ذرات ریز جامد یا مایع معلق در هوا هستند که ابعادشان بین چند نانومتر تا چند ده میکرومتر است. هواویزها از دو منشأ طبیعی و انسانی وارد جو زمین می شوند. وزش باد در صحراها، تبخیر آب اقیانوس ها و دریاها، فوران آتشفشان ها و سوختن جنگل ها و مراتع از منابع طبیعی و سوزاندن سوخت های فسیلی و تغییر پوشش سطحی زمین از منابع انسانی تولید هواویزها هستند. هواویزهای ناشی از فعالیت های انسانی حدود ده درصد هواویزهای جوی را تشکیل می دهند. هواویزها نقش مهمی در زور تابشی جو، ویژگی ابرها، کیفیت هوا و سلامتی انسان ها دارند. هواویزها توزیع مکانی و زمانی متنوعی در سطح کره زمین دارند. خواص اپتیکی و فیزیکی آنها از بزرگ ترین منابع عدم قطعیت در مطالعات تغییر اقلیم و مدل های پیش بینی هواشناسی هستند. به منظور حل این مشکل ها و درک بهتر تأثیرات هواویزها، سیستم های مختلف زمین-پایه و فضایی گسترش یافته اند تا اطلاعات قابل اعتماد، مستمر و گسترده ای از خواص هواویزها و اثرات آنها در اختیار ما بگذارند. شبکه های شیدسنج خورشیدی زمین-پایه و سنجش از دور فضایی (کالیپسو، مادیس و غیره) نمونه هایی از ابزارهای مختلف برای پایش هواویزها هستند. شیدسنج خورشیدی نوعی تابش سنج زمین-پایه است که شدت نور مستقیم رسیده از خورشید (مد خورشید) و نور خورشید پراکنده شده از ذرات جوی (مد آسمان) در طول موج های معین با پهنای کم تر از10 نانومتر و با میدان دید کم تر از 1/2 درجه در سطح زمین اندازه گیری می کند. عمق اپتیکی طیفی هواویزها، میزان ستونی بخار آب، نمای آنگستروم، سپیدایی پراکندگی تک باره، تابع فاز قطبیده، ضریب شکست مختلط هواویزها و درجه قطبش خطی نور خورشید پراکنده شده از ذرات جوی ویژگی هایی از هواویزهای جوی است که از اندازه گیری های شیدسنج خورشیدی استخراج می شوند. در این پایان نامه، اندازه گیری های شیدسنج خورشیدی برای دسته بندی انواع مختلف هواویزهای جو زنجان در دو بازه زمانی بین مهر 1385 - مهر 1387 و دی 1388 - دی 1391 استفاده شده است. در کار نخست، در ادامه پایان نامه کارشناسی ارشد، ابتدا الگوریتم حذف ابر از داده های ثبت شده به برنامه ها افزوده شد و سپس دوباره داده های ثبت شده شیدسنج خورشیدی در مد خورشید برای بازه زمانی بین مهر 1385 - مهر 1387 بررسی و گزارش شد. در این کار، عمق اپتیکی طیفی هواویزها، نمای آنگستروم و میزان ستونی بخار آب از داده های ثبت شده در بازه زمانی ذکر شده محاسبه شد. عمق اپتیکی هواویزها معیاری از میزان هواویزها در ستون قائم جوی است و از خاموشی نور مستقیم خورشید در چهار طول موج 440، 675، 870 و 1020 نانومتر بدست می آید. نمای آنگستروم معیاری کیفی از ابعاد هواویزهای غالب در جو زمین است که از تغییرات لگاریتمی عمق اپتیکی هواویزها در سه طول موج 440، 675 و 870 محاسبه می شود. میزان ستونی بخار آب از اندازه گیری خاموشی نور مستقیم خورشید در طول موج 936 نانومتر (از نوارهای جذبی بخار آب) استخراج می شود. میانگین عمق اپتیکی هواویزها درطول موج 440 نانومتر، میزان ستونی بخار آب و نمای آنگستروم به ترتیب ترتیب برابر 0/14± 0/28، 0/37 ± 0/57 و 0/30± 0/73هستند. بیشینه (کمینه) مقدار عمق اپتیکی هواویزها در فصل بهار و تابستان (زمستان) و بیشینه (کمینه) مقدار میزان ستونی بخار آب در تابستان (زمستان) مشاهده می شود. از برازش چند جمله ای درجه دوم به لگاریتم عمق اپتیکی هواویزها در سه طول موج 440، 675و 870 نانومتر نسبت به لگاریتم خود طول موج ها می توان ضرایب α1و α2 را بدست آورد که معیار دقیق تری از ابعاد هواویزهای جوی هستند. مقدار ضریب α2برای جو زنجان نشان می دهد که اغلب هواویزهای جو زنجان بزرگ تر از یک میکرومتر هستند. مقادیر محاسبه شده α2-α1 نمایانگر این موضوع هستند که %80 هواویزهای زنجان در مد درشت دانه (1μm<) و %20 آنها در مد ریزدانه (1μm<) قرار دارند. مقایسه مقادیر α2-α1 برای جو زنجان با مناطق دیگر نشان می دهد که غبار نوع غالب هواویزهای شهر زنجان را تشکیل می دهد. از طرفی نشان دادیم که همبستگی عمق اپتیکی هواویزها و ضریب α2-α1 قادر به جداسازی هواویزهای جو زنجان است. ویژگی های دیگر هواویزها مانند، سپیدایی پراکندگی تک باره، تابع فاز قطبیده و ضریب شکست هواویزها از مقایسه اندازه گیری های ناقطبیده و قطبیده شیدسنج خورشیدی در طول موج 870 نانومتر و برآورد نظری شدت نور خورشید پراکنده شده از ذرات موجود در جو زمین استخراج می شود. انتشار تابش خورشیدی در جو زمین با استفاده از حل معادله برداری انتقال تابش برای جوی تخت، هنگامی که توزیع ابعادی هواویزها دو مدی است، محاسبه می شود. تئوری پراکندگی ریلی و می برای محاسبه کمیت های اپتیکی برهمکنش نور خورشید به ترتیب با مولکول ها و هواویزها بکار می روند. حساسیت تابع فاز قطبیده هواویزها به شکل ذرات هواویز بررسی شده است. نتایج محاسبات تابع فاز قطبیده هواویزها برای مخلوطی از شبه کره های بیضی گون با جهت گیری کاتوره ای و نسبت های محوری مختلف و مدل کروی (تئوری پراکندگی می) نشان می دهند که تابع فاز قطبیده هواویزها به شکل ذرات وابسته نیست. در کار دوم، توانایی دسته بندی تابع فاز قطبیده هواویزها برای جو زنجان بررسی شد. عمق اپتیکی هواویزها، نمای آنگستروم، سپیدایی پراکندگی تک باره و تابع فاز قطبیده هواویزها از اندازه گیری های شیدسنج خورشیدی در بازه زمانی دی 1388 - دی 1391 استخراج شدند. نتایج نشان می دهند که بیشینه مقدار تابع فاز قطبیده هواویزها همبستگی (برابر با r=0/95) زیادی با نمای آنگستروم دارد. همبستگی تابع فاز قطبیده هواویزها در زاویه 60 درجه و نمای آنگستروم می تواند معیاری از ضریب شکست هواویزهای جو زنجان باشد. بیشینه مقدار تابع فاز قطبیده هواویزها همبستگی منفی با عمق اپتیکی هواویزها و سپیدایی پراکندگی تک باره (به ترتیب برابر با r=-0/76و 0/33-=r) دارد. همچنین از مقایسه تابع فاز قطبیده هواویزها استخراج شده از داده های قطبیده شیدسنج خورشیدی و مقادیر محاسبه شده آن از محاسبات نظری نشان داده شد که تابع فاز قطبیده در یک زاویه پراکندگی معین می تواند معیاری از ضریب شکست هواویزها را در اختیار ما قرار دهد. نتایج بررسی هواویزهای شهر زنجان نشان می دهند که تابع فاز قطبیده هواویزها توانایی دسته بندی هواویزهای مناطق شهری واقع در نواحی خشک و نیمه خشک کمربند غباری کره زمین را دارد.

مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که نمونه شیشه های سودا-لایم تبادل یون شده با یون نقره تحت برهم کنش با لیزر پرشدت یون آرگون به باریکه لیزر کاوش تکانه زاویه ای مداری با بار توپولوژیک ? انتقال می دهند. برای انتقال تکانه زاویه ای مداری دو روش وجود دارد: استفاده از یک بلور تک محور اپتیکی که (الف) محور اپتیکی در جهت انتشار باشد, (ب) محور اپتیکی عمود بر راستای انتشار باریکه باشد و به صورت موضعی همواره نسبت به محور باریکه امتداد شعاعی داشته باشد. عوامل گرمایی ناشی از تابش باریکه ی پرشدت یون آرگون سبب بوجود آمدن استرس و تنش های مختلف در شیشه می شود. اختلاف ضریب انبساط نقره و شیشه و نیز تغییر ساختار شیشه عامل این تنش ها است. ما توضیح روش (الف) را با حل معادله موج در تقریب پیرامحوری مرور می کنیم. در این حل نشان داده می شود جفت شدگی تکانه زاویه ای ذاتی و مداری, تکانه زاویه ای مداری با بار توپولوژیکی ? به باریکه لیزر کاوش انتقال می دهد که با نتایج آزمایشگاهی کاملا سازگار است. در روش (ب) نمونه به صورت موضعی مجموعه ای از تیغه های نیم موج در نظر گرفته می شود که محور آن عمود به راستای انتشار است و در راستای شعاعی نسبت به محور باریکه تنظیم شده است. دوران موضعی محور اپتیکی باعث تأخیر در مولفه ی قطبش می شود. این سبب انتقال تکانه زاویه ای مداری با بار توپولوژیکی دلخواه به باریکه خروجی از تیغه می شود. البته هندسه مسأله ما به این روش تنها اجازه ی تولید بار توپولوژیکی ? را می دهد.

ذارت میکرونی پخش شده در یک محلول به دلیل برهمکنش های گرمایی دارای حرکت براونی هستند. در این پایان نامه با تاباندن نور لیزر بر نمونه ی حاوی این ذرات و ثبت شدت پراکندگی و محاسبه ی خودهمبستگی داده ها می توان ثابت پخش و اندازه ی ذرات را تخمین زد. این روش را پراکندگی دینامیکی نور گویند.

چکیده ندارد.