در این پایان‎نامه انتشار پالس نوری در بلورهای فوتونیکی حاوی لایه نقص پاشنده مورد بررسی قرار گرفته است. بسته به خواص نوری محیطها سرعت گروه پالس‎های نوری می‎تواند فرانوری (بزرگتر از سرعت نور در خلا) یا فرونوری (کوچکتر از سرعت نور در خلا) باشد. از اینرو در این کار تاثیر لایه‎ی نقص پاشنده (لایه‎ای که با اتمهای دوترازی یا سه‎ترازی آلاییده شده است)، بر سرعت انتشار پالس مورد بررسی قرار گرفته است .

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 کار حاضر ترابرد کوانتومی در یک سیستم مزوسکوپیک شامل یک نقطه ی کوانتومی مغناطیسی، به روش تابع گرین مورد مطالعه قرار می گیرد. نقطه ی کوانتومی مغناطیسی به وسیله ی توزیع غیر یکنواخت میدان مغناطیسی تشکیل شده است ؛ به قسمی که میدان مغناطیسی درون دیسکی به شعاع صفر و بیرون از آن مقدار محدودی مانند b است. سیستم فوق بدون در نظر گرفتن هر نوع اندرکنش مانند اندرکنش الکترون- الکترون یا الکترون- فونون فرض شده است. با استفاده از هامیلتونین شبکه و تابع گرین غیر تعادلی، جریان و چگالی را در سیستم بدست می آوریم.محاسبات در ولتاژهای بایاسی و میدان مغناطیسی مختلف انجام یافته و جریان و چگالی حامل ها مورد بررسی قرار گرفته است .نتایج بدست آمده نشان دهنده تاثیر اندک میدان مغناطیسی در جریان عبوری سیستم وتابعیت نوسانی جریان برحسب میدان مغناطیسی در پاره ای از مقادیر خاص دماو و لتاژ بایاس است.

روش ماتریس انتقال یکی از ساده ترین و متداول ترین روش ها برای بررسی طیف تراگسیلی و ویژگی گاف باند از یک بلور فوتونیکی یک بعدی است. در این روش اغلب از یک موج تخت که در راستای عرضی فاز ثابتی دارد استفاده می شود. با وجود اینکه توزیع میدان در اکثر منابع، مخصوصاً لیزرها به صورت گوسی است. باریکه گوسی در مقایسه با موج تخت دارای دو تفاوت اساسی است. دامنه و فاز وابستگی شعاعی دارند. داشتن وابستگی شعاعی فاز بر باند گاف تاثیر خواهد گذاشت. در این پایان نامه، ماتریس انتقال موج از یک لایه دی الکتریک تحت انتشار از یک باریکه گوسی فرمولبندی شده است. ماتریس به دست آمده برای بررسی ویژگی های تراگسیل ساختار بلور فوتونیکی یک بعدی به کار برده می شود. یک وابستگی به r (r مختصه ی شعاعی است) در گاف باند های فوتونیکی به دست آمده است. با افزایش r، جابجایی به سوی فرکانسهای کوچکتر و کم شدن پهنا در باند گاف ها اتفاق افتاده است. در فرکانسهای بالاتر جابجایی گاف باند ها بیشتر می شود. مسیر اپتیکی اضافی که پرتوهای بیرونی در مقایسه با پرتو مرکزی طی می کنند این نتیجه ها را توجیه می کند.

به تازگی متاموادهای کشف شده دریچه های جدیدی را برای کنترل بهتر نور با استفاده از ضریب شکست منفی باز کرده اند، که به موجب آن نور با رفتاری غیرمعمول شکسته می شود. ما پاسخ های غیر خطی یک بلور فوتونیکی یک بعدی متشکل از متامواد (شامل مواد ?- منفی ، ?- منفی و ضریب شکست منفی) را با استفاده از یک مدل نظری بر پایه ی روش ماتریس انتقال مورد مطالعه قرار داده ایم. خواص تراگسیل ساختار غیرخطی مورد نظر معرفی و رفتار دوپایایی ساختار نیز ارائه می شود. نشان می دهیم که خاصیت تراگسیلی ساختار در ناحیه گاف های n_av- صفر و گاف فاز- صفر در مقایسه با گاف براگ حساسیت ناچیزی به زاویه تابش و همچنین اثر اتلاف و ضخامت های متفاوت لایه ها دارد. بعلاوه تفاوت قابل توجه در توزیع میدان الکتریکی سالیتون ها در گاف های براگ وn_av- صفر نمایش داده شده است. همچنین ما پاسخ های اپتیکی غیرخطی ساختار شبه متناوب فیبوناچی یک بعدی مرکب از لایه های دومثبت خطی و دومنفی غیرخطی نوع کِر را با استفاده از روش ماتریس انتقال جستجو کرده ایم. در چنین ساختار شبه متناوب دریافتیم که اثر اتلاف و تغییرات زاویه ی تابش در رفتار دوپایایی و توزیع فضایی میدان الکتریکی بسیار اهمیت دارد.

فیلتری باساختارپریودیک سه گانه یک بعدی مطرح شده وروابط پراکندگی در ان بررسی میشود.با انالیز ریاضی می توان باندهای ممنوعه و مجاز طول موجها را با تغییرات زاویه فرودی پیش بینی کرد.با استفاده از روابط پراکندگی و با انتخاب مقادیر مناسب پارامترهای کنترلی میتوان طرح یک فیلتر اپتیکی را داد که می تواند در همه رنجهای طیف الکترومغناطیسی بکار گرفته شود.این مطالعه میتواند برای بهبود کارایی و دقت pbg(photonic band gap material)براساس فیلتراپتیکی قابل تنظیم مورداستفاده قرار گیرد.فیلتر اپتیکی مطرح شده که ساخته شده از pbgسه گانه یک بعدی باندهای مجاز بیشتری را درمقایسه با فیلترساخته شده از pbgدوگانه یک بعدی فیلتر می کند.

در این پایان نامه، رفتار لیزر نیمه رسانای تابش از سطح با کاواک عمودی(vcsel) و سد اکسیدی به روش عددی تفاضل محدود در حوزه زمان مورد تحلیل قرار گرفته است. این لیزر از یک ناحیه فعال شامل سه چاه کوانتومی با ترکیب gaas25/0gaas/al که در بین دو لایه dbr از نوعn وp قرار دارد، تشکیل شده است. تعداد لایه های dbr نوع n وp و نیز ماده سازنده آنها، تعیین کننده طول موج نور خروجیvcsel است. هدایت با ضریب شکست ویژگی این نوع لیزر تابش از سطح است که باعث می شود تا با افزایش جریان، عملکرد تک مد لیزر بهتر حفظ شود. شبیه سازیها با استفاده از معادلات نرخ حامل، موج و حرارت که به ترتیب برای بررسی رفتار الکتریکی- نوری و حرارتی اعمال می شود، در ناحیه فعال انجام شد. در پایان با استفاده از نرم افزارcrooslight ،vcselای با روزنه اکسیدی gaas98/0al با طول موج nm850 طراحی کنیم و نمودارهایی چون گسیل خود به خودی، بهره ماده، تغییرات ضریب شکست را برحسب طول موج و جریان ورودی را بر حسب توان خروجی و شدت نور را برحسب فاصله در ناحیه فعال رسم شد و نتایج آن بررسی شده است.

با توجه به طول زمانی کوتاه تپ های لیزری فمتوثانیه، توان وابسته به آنها زیاد بوده لذا اندرکنش این تپ ها با محیط های شفافی نظیر شیشه، می تواند از طریق فرایندهای غیرخطی، به صورت همزمان خود تپ لیزری و محیط را با تغییراتی اساسی مواجه کند. تپ لیزری بوسیله فرایندهایی نظیر خود همگرایی و تولید طیف ابرپیوسته متحول می شود، در حالی که خواص نوری محیط نیز در اثر تابش و طی فرایندهایی از قبیل یونش چند فوتونی، تولید پلاسما، تخریب نوری و اثر تیرگی دچار تغییرات می شود. در این پایان نامه رویداد پدیده های غیرخطی بعضی از شیشه های سیلیکات، در بر همکنش با تپهای لیزری فمتوثانیه، مورد بررسی قرار خواهد گرفت. برای نمونه های مختلف تحت تابش با تپهای 200 فمتوثانیه در طول موج 800 نانومتر نتایج تجربی اندازه گیری ضریب جذب و ضریب شکست غیرخطی ارئه می شود. روش اندازه گیری تراگسیل از نمونه و روش جاروبz- برای اندازه گیری پاسخ های غیرخطی مورد استفاده قرار گرفته است. مدلی نظری " تولید و جذب نوری حاملهای آزاد " برای پیشگویی نتایج تجربی ارائه شده است. رفتار محدود کنندگی نوری نیز در نمونه ها بررسی می شود.

موقع مطالعه در مورد مواد نوری متداول دو نوع ناحیه پراکندگی وجود دارد. در یک ناحیه محیط یکنواخت که تغییرات در ویژگی ماده آن در مقایسه با طول موج نور تابشی خیلی کوچک است(شکل 1-الف)[2]. در این محیط که از ذرات پراکننده مجزا مانند اتم ها ساخته شده، یک پاسخ نوری متوسط توسط اتمها ایجاد می شود. ویژگی نوری چنین موادی بسادگی توسط ثابت دی الکتریک ? بیان می شود. تابش الکترومغناطیسی در چنین محیط هایی به شکل موج تخت خواهد بود. در ناحیه پراکندگی معمول دیگر، تابش روی محیط توسط ویژگی ساختار که دارای اندازه های خیلی بزرگتر از طول موج نور است، بطور غیر همدوس پراکنده می شود شکل (1-ب)[2] این ناحیه پراکندگی مربوط به نور شناخت هندسی است که می تواند توسط شعاع های نوری مطالعه شود. ناحیه عملکرد بلورهای فوتونی میان این دو ناحیه می باشد. این بخاطر ویژگی ماکروسکوپی ساختار بلور فوتونی می باشد که قابل مقایسه با طول موج نور تابشی است شکل (1-ج)[2]. بعلاوه، بخاطر نظم آرایش پراکننده ها در بلورهای فوتونی، ترکیب همدوس از میدانهای پراکنده در سطوح مرزی، ممکن می شود. و این منجر به یک رابطه پراکندگی ویژه در بلورهای فوتونی می شود. ویژگی اساسی این ساختارها وجود باندهای مجاز و ممنوع در منحنی پراکندگی است. در این صورت سریعاً حدس زده می شود که رفتار نور در آرایشی از دی الکتریک های دوره ای، مشابه رفتار الکترونها در پتانسیل دوره ای از یک بلور حالت جامد است. در ابتدا بلورهای فوتونی در ضمینه کنترل تابش خود به خودی معرفی شده بودند[23]. بعد از آن کاربردهای جدیدی برای بلورهای فوتونی پیشنهاد شد. که مواردی چون فیبرهای بلور فوتونی[24]، مدارهای نوری مجتمع بر مبنای بلور فوتونی[25]، چینه های شفاف فلز – دی الکتریک[26]، مبدل فرکانس غیر خطی[27] و غیره را می توان نام برد. از جمله کاربردهای مهم بلور فوتونی برای اعمال کنترل هایی بر انتشار نور در ابزارهایی مانند آینه های دی الکتریک، کاواک ها و موجبرها می باشد که در سالهای اخیر مطالعات گسترده ای در ارتباط با دانش نظری، روشهای ساخت و مشخصه های آزمایشگاهی آنها انجام گرفته است [8]. مواد مرسوم برای انعکاس و هدایت نور فلزها هستند. در ناحیه میکروموج ?~1cm اکثر فلزهای به عنوان بازتاب کننده قوی و کم جذب در هر انعکاس مطرح هستند. که آنها را برای محصور کردن و کنترل تابش الکترومغناطیسی ایده آل می سازد. به عنوان مثال آلومینیوم یکی از مواد متداول برای بازتاب موج الکترومغناطیسی است و در ناحیه میکروموج تقریباً آینه کامل است و در هر انعکاس کمتر از 01/0 درصد اتلاف دارد. ولی در ناحیه مرئی ?~400nm-800nm و مادون قرمز (ir) ?~80nm-20nm این ماده در هر بازتاب 20-10 درصد جذب دارد. در کاواکهای فلزی نیز این محدودیت وجود دارد. موجبرهای فلزی انتشار نور را فقط در جهت محورش مجاز می دارد وکاواک ها می تواند امواج الکترومغناطیسی با بسامدهای معین را در خود حفظ کنند. بلورهای فوتونی هر دوی این خاصیت را دارند. بعلاوه با امکان طراحی موقعیت طیفی گاف باند فوتونی با تغییراتی در شکل و یا ایجاد ناخالصی، بلورهای فوتونی را محیطی کم اتلاف و بازتابنده قوی، برای کاربرد در گستره وسیعی از فرکانس از جمله نواحی مرئی و ir می سازد. آینه های دی الکتریک با روی هم چیدن لایه های دی الکتریک مختلف بصورت متناوب، ساخته می شوند. از جمله آنها آینه دی الکتریک مشهور به « انباشت ربع- موج» است که می تواند امواج الکترومغناطیسی را در گستره معین کاملا بازتاب دهد. که از آن به عنوان یک پوشش در سطوح عدسی ها یا آینه ها جهت بالابردن کیفیت تصویر استفاده می شود. از جمله کاربردهای آینه های دی الکتریک در ابزارهایی مانند فیلترهای دی الکتریک فابری- پرو و لیزرهای پخش کننده بازتابی می باشند.

یکی از مهمترین چالش های بشر در دنیای امروز افزایش سرعت انتقال و پردازش اطلاعات می باشد. در راستای تحقق این اهداف، طراحی ابزارهای اپتیکی فشرده و مجتمع ضروری می باشد. در بین همه ی ابزارهای اپتیکی دیودهای تمام نوری اصلی ترین مولفه برای طراحی پردازشگرهای فوق سریع نسل بعد می باشند. واضح است که جایگزینی الکترونهای نسبتا کند با فوتون ها سرعت و پهنای باند سیستم های مخابراتی را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. از آنجا که کنترل فوتون ها به مراتب سخت تر از الکترونهاست بنابراین طراحی و ساخت دیودهای نوری که در واقع به عنوان یکسوساز نوری عمل می کنند گام مهمی در کنترل فوتون ها محسوب می شود و عملی شدن ساخت آنها قطعا منجر به یک انقلاب واقعی در صنعت ارتباطات خواهد شد. در این کار ما چند ساختار نامتقارن شامل لایه های غیرخطی را پیشنهاد کردیم که اساس کار آنها متفاوت بودن آستانه ی دوپایایی در نمودار تراگسیل بر حسب شدت میدان ورودی برای فرود نور از سمت چپ و راست می باشد. ابتدا با در نظر گرفتن یک ساختار نامتجانس فوتونیکی و با وارد کردن یک لایه ی نقص نشان دادیم که وجود لایه ی نقص، کنتراست تراگسیل ساختار را به مقدار قابل توجهی افزایش می دهد. سپس با بررسی عمل دیود تمام نوری در ساختارهای فوتونیکی شبه متناوب فیبوناچی و تریبوناچی ثابت کردیم که برای این ساختارها عمل یکسوسازی در مقایسه با حالت قبل در شدتهای بسیار پایین تری انجام می شود همچنین نشان دادیم که با افزایش غیرخطیت نیز شدت لازم برای انجام عمل دیودی کاهش می یابد. در انتها با استفاده از متامواد در ساختار نامتجانس پیشنهادی و ساختار شبه متناوب فیبوناچی نشان دادیم که حضور لایه های متاماده در ساختار منجر به کاهش قابل ملاحظه ای در تراگسیل نور فرودی در شاخه ی پایینی دوپایایی می شود؛ در نتیجه کنتراست تراگسیل به میزان بسیار مطلوبی افزایش می یابد. در مجموع ساختارهای پیشنهادی و مورد بررسی ما در این پایان نامه به دلیل داشتن کنتراست تراگسیل و تراگسیل یکسویه ی بالا و همچنین کار در شدت های مطلوب و فشرده بودن ساختار، عملکرد بسیار مطلوبی به عنوان دیود نوری از خود نشان دادند.

در این پایاننامه، انتشار امواج الکترومغناطیسی در بلورهای فوتونی یک بعدی شامل محیط های جاذب یا تقویت کننده (بهره)، موادی با ضریب شکست مختلط ،n ?=n+i? به طور تحلیلی مطالعه شده است. روش ماتریس انتقال و شرط براگ به طور مناسب اصلاح شد ه اند. نتایج انتشار موج در یک بلور دولایه ای دی الکتریک-فلز و یک بلور جاذب سینوسی به عنوان مثال ارائه شده است. طیف انعکاسی، جذبی و تراگسیلی ساختار بلور فوتونی دی الکتریک- فلز یک بعدی با یک لایه نقص بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که با افزایش زاویه تابش مد نقص به سمت طول موج های کوتاهتر جابه جا شده و ارتفاع آن کاهش پیدا می کند. با افزایش ضخامت لایه نقص ارتفاع مد نقص تابت مانده و مکان آن به سمت طول موجهای بلندتر جابه جا می-شود. برای تابش موج te مد نقص ارتفاع کمتر و طول موج کوتاهتری نسبت به موج tm دارد. مقدار جذب امواج الکترومغناطیسی در این بلور فوتونی به مکان قرارگیری لایه ی نقص در ساختار آن وابسته است. در طیف جذبی و انعکاسی آرایشی از بلور به شکل(ab)^2 d(ba)^4، که در آن a دی الکتریک، b فلز وd لایه نقص دی الکتریک هستند، یک مد نقص در داخل گاف باند وجود دارد. این مد رفتار انعکاس و نیز جذب یک سویه از خود نشان می دهد. اثرات زاویه تابش، ضخامت لایه نقص و قطبش نور فرودی روی رفتار یک سویه مد بررسی شده اند. در قسمت دیگر کار، نشان داده شده است که، بسته به علامت قسمت موهومی ضریب شکست، ساختار حاصل می-تواند جاذب(?>0) یا تقویت کننده (?<0) باشد. رفتار طیف تراگسیلی ساختار بلورفوتونی دی الکتریک با لایه نقص بهره به ازای مقادیر مختلف قسمت حقیقی و موهومی ضریب شکست مطالعه شده است. استفاده از یک محیط بهره به عنوان لایه نقص در بلور فوتونی دی الکتریک- فلز تراگسیل نور را در نوارهای مجاز تقویت می کند، در حالی که نوارگاف همچنان ممنوعه باقی می ماند.

در این رساله خواص اپتیکی ساختارهای لایه ای شامل متامواد مطالعه شده است. متامواد چپگرد موادی مصنوعی هستند که ضرایب گذردهی الکتریکی و تراوایی مغناطیسی آنها به طور همزمان منفی بوده و دارای ضریب شکست منفی هستند. در متامواد تک منفی ، فقط یکی از ضرایب گذردهی الکتریکی یا تراوایی مغناطیسی منفی می باشد. این مواد به دو صورت اپسیلون-منفی و مو-منفی وجود دارند. ابتدا بلور فوتونی یک بعدی را در نظر گرفتیم که یک باریکه گاوسی از یک محیط چپگرد تحت زاویه تابش معلومی به آن می تابد. تاثیر نقص ساختاری و اتلاف لایه متاماده چپگرد را بر جابجایی گوس-هانچن بررسی کردیم. نشان دادیم که در این ساختار امکان تحریک دو نوع موج جایگزیده وجود دارد. در نوع اول امواج در فصل مشترک بلور فوتونی و لایه چپگرد جایگزیده می شوند اما در نوع دوم موسوم به امواج جایگزیده نقص، امواج در نقص ساختاری جایگزیده می شوند. با تحریک موج جایگزیده نقص جابجایی گوس-هانچن مثبت و منفی را مشاهده کردیم. همچنین مطالعات ما نشان داد که با افزایش اتلاف در لایه متاماده چپگرد جابجایی گوس-هانچن کاهش می یابد. در مرحله بعد یک بلور فوتونی چپگرد متشکل از لایه هایی با مواد راستگرد و چپگرد را در نظر گرفته و امکان تشکیل امواج سطحی را مطالعه نمودیم. نشان دادیم که برانگیختگی امواج سطحی پیشرو و پسرو در فصل مشترک لایه هوا و بلور فوتونی چپگرد منجر به پیدایش جابجایی گوس-هانچن عظیم برای پرتو گاوسی می شود. محاسبات نشان داد که جابجایی های گوس-هانچن بسته به زاویه تابش پرتو فرودی ممکن است مثبت یا منفی باشند. در پایان امکان وجود جابجایی گوس-هانچن در بلور فوتونی متشکل از لایه های تک منفی را بررسی کردیم. در ساختار مورد مطالعه فقط امواج سطحی پیشرو (پسرو) در فصل مشترک هوا (متاماده چپگرد) و بلور فوتونی تک منفی مشاهده شد که تحریک این امواج منجر به جابجایی عظیم گوس-هانچن مثبت (منفی) می شود. همچنین با در نظر گرفتن نقص ساختاری در این بلور ملاحظه می شود که میزان جابجایی گوس-هانچن کاهش می یابد. مطالعه تاثیر اتلاف موجود در لایه های اپسیلون-منفی نشان می دهد که با افزایش اتلاف جابجایی گوس-هانچن منفی به مقادیر مثبت تغییر می یابد.

بلور فوتونی محیطی است که تابع توزیع ضریب شکست در آن متناوب و یا شبه متناوب می باشد. بلورهای فوتونی در دهه ی اخیر به خاطر کاربردها و ویژگی های الکترومغناطیسی منحصر به فردشان به یک حوزه ی تحقیقاتی مهمی تبدیل شده اند. با انتخاب آرایش های مختلف از محیط های با خواص نوری معین، ابزارها و ادوات فوتونی طراحی می شوند. ویژگی بارز بلورهای فوتونی وجود گاف باند فوتونی در طیف تراگسیل می باشد. بطوریکه امواج الکترومغناطیس با ناحیه ی فرکانسی در محدودی گاف باند نمی توانند انتشار یابند. هرگاه تناوب ساختار بلور فوتونی به هر نحوی از بین برود در گاف باند ناحیه یا نواحی مجاز برای انتشار امواج الکترومغناطیسی ایجاد می شود که به مدهای نفص معروف است. یکی از راه های ایجاد نقص در ساختار بلور فوتونی معرفی یک یا چند لایه با ویزگی های اپتیکی متفاوت از لایه های ساختار می باشد.در این پایان نامه، از یک داکت گاوسی به عنوان لایه ی نقص در ساختار بلور فوتونی متناوب استفاده شده است.این پایان نامه در قالب زیر تهیه شده است: در فصل اول و دوم به معرفی و بیان مبانی و روشهای تحلیل بلورهای فوتونی پرداخته ایم. فصل سوم را به توصیف محیط داکت گاوسی و بررسی طیف تراگسیل از این محیط و مقایسه آن با رفتار یک عدسی اختصاص دادیم.در فصل چهار ابتدا خواص طیف تراگسیلی از یک بلور فوتونی بدون لایه ی نقص را بررسی کرده ایم. سپس با وارد کردن یک لایه ی داکت گاوسی به عنوان لایه ی نقص در ساختار بلور فوتونی معرفی شده به بررسی ویژگی های طیف تراگسیلی و مدهای نقص ایجاد شده بر حسب پارامترهای مختلف از جمله: ضخامت لایه نقص، ضریب شکست پایه، مختصه عرضی محیط و... را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده ایم. کلمات کلیدی: بلور فوتونی، مد نقص، داکت گاوسی، طیف تراگسیل

برهمکنش بین نور و ماده ی مغناطیسی می تواند باعث پدیده های مغناطواپتیکی بسیاری شود، از جمله ی آن ها می توان به چرخش فارادی و کر اشاره کرد. برای بدست آوردن اثر مغناطواپتیکی می توان از مواد مغناطیسی نوع حجیم استفاده نمود، ولی این چنین اندازه های بزرگ برای استفاده در سیستم های مخابرات نوری (ایزولاتورهای اپتیکی) که دارای اندازه های کوچک هستند مناسب نیستند. یکی از روش ها برای افزایش اثرهای مغناطواپتیکی عبارت از بکار بردن مواد مغناطیسی در ساختارهای بلورهای فوتونی می باشد. اگر حداقل یکی از لایه های تشکیل دهنده ی بلور فوتونی ماده ای با خاصیت مغناطیسی باشد در این صورت بلورهای فوتونی را بلورهای مغناطوفوتونی می نامند. در این پروژه ابتدا طیف تراگسیل و زاویه ی چرخش فارادی در بلورهای مغناطوفوتونی با یک لایه نقص مغناطیسی را بررسی می کنیم. نتایج محاسبات عددی نشان داد که با افزایش تعداد تناوب لایه ها چرخش فاردای افزایش و طیف تراگسیل کاهش می یابد. همچنین مشاهده کردیم که طول موج مد نقص را می توان با تغییر پارامتر ساختاری لایه نقص (ضخامت لایه نقص) تنظیم نمود. سپس ساختار شامل سه لایه ی نقص از دو ماده ی مغناطیسی مختلف را در نظر می گیریم. مطالعه طیف تراگسیلی و زاویه ی چرخش فارادی در این ساختار نشان داد که هر مد نقص مغناطواپتیکی را می توان به طور مستقل با تنظیم پارامترهای ساختاری مواد مغناطیسی تعیین کرد. در مرحله آخر طیف تراگسیلی و چرخش فارادی را در ساختار شامل نقص های متعدد مطالعه و وابستگی مدهای نقص و چرخش فارادی را به پارامترهای ساختارهای لایه های نقص را گزارش نمودیم. همچنین نشان می دهیم که می توان در چنین ساختارهایی زاویه ی چرخش فارادی بزرگ را بدست آورد. نتایج حاصل حاکی از این است که می توان از این ساختارها برای طراحی ایزولاتورهای مغناطواپتیکی چند کاناله استفاده نمود.

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.

در این رساله، مشخصه های اپتیکی و مگنتواپتیکی ساختارهای چندلایه ای دارای مواد مگنتواپتیکی مطالعه شده است. ابتدا، انواع اثرات مگنتواپتیکی و موادی که این اثرات در آن ها قابل مشاهده هستند، معرفی شده اند. سپس ویژگی های بلورهای مگنتوفوتونی که سبب تقویت شدید اثرات مگنتواپتیکی می شوند، با استفاده از رهیافت ماتریس انتقال 4×4 مورد بررسی قرار گرفته اند. این رهیافت که برای مشخصه یابی ساختارهای چندلایه ای مگنتواپتیکی استفاده می شود، اساس تحلیل های نظری و محاسبات عددی در حل مسائل مطرح در رساله ی حاضر می باشد. در مرحله ی اول، پاسخ های اپتیکی و مگنتواپتیکی بلورهای فوتونی و مگنتوفوتونی یک بعدی با ساختار میکروکاواک مطالعه و بررسی شده اند. با تعریف نسبت ترتیب چینش (نسبت ضرایب شکست لایه های اول و دوم آینه های براگ) مشخص می شود که ویژگی های اپتیکی دو میکروکاواکی که از جایگزینی لایه های اول و دوم آینه های براگ با همدیگر حاصل می شوند، متفاوت بوده و این تفاوت در مورد بلورهای مگنتوفوتونی به مراتب بیشتر است. از اینرو، با محاسبه ی وابستگی پاسخ های مگنتواپتیکی ساختارهای مورد نظر در مد تشدیدی آن ها، آینه های براگ بهینه با قابلیت تأمین هم زمان تراگسیل بالا و چرخش فارادی زیاد پیشنهاد شده اند. در مرحله ی بعد، امکان طراحی فیلترهای عبوری قطبش دایروی بر پایه ی بلورهای مگنتوفوتونی یک بعدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته اند. شرایط تشدید هر یک از قطبش های دایروی راستگرد و چپگرد در بلورهای مگنتوفوتونی به صورت تحلیلی بررسی و پارامترهای هندسی مناسب برای تحقق یافتن هدف مورد نظر بدست آمده است. به دنبال آن، خواص طیفی ساختار پیشنهادی با محاسبات عددی بررسی و نشان داده شده که به دلیل جدایی کامل مدهای تشدیدی راستگرد و چپگرد در این ساختار، امکان تحقق فیلترهایی با قطبش دایروی و تراگسیل 100% وجود خواهد داشت. هم چنین قابلیت کوک پذیری این فیلترها با تغییر میدان مغناطیسی خارجی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در مرحله ی پایانی، ساختارهای نامتجانس مگنتواپتیکی معرفی شده و نشان داده می شود که امکان حصول چند مد تشدیدی در ناحیه ی گاف باند فوتونی وجود دارد. هم چنین معلوم می شود که برای طرحی خاص از ساختار نامتجانس مگنتواپتیکی، می توان به تراگسیل بالا به همراه چرخش فارادی تقویت شده ی چند کاناله در طول موج های مشخص دست یافت. از آنجایی که امروزه طول موج های و در سیستم های مخاربراتی کاربرد فراوانی دارند، ساختاری نامتجانس برای تأمین هم زمان چرخش فارادی تقویت شده و تراگسیل بالا در این دو طول موج طراحی گردیده است. ساختارهای نامتجانس معرفی شده که دارای ابعاد میکرومتری هستند، می توانند کاربرد بالقوه ای در طراحی قطعات مگنتواپتیکی با کارکرد چندگانه داشته باشند.

متامواد چپگرد مواد مصنوعی هستند که ضرایب گذردهی الکتریکی و تراوایی مغناطیسی آنها به طور همزمان منفی بوده و دارای ضریب شکست منفی هستند. حضور این مواد در ساختارهای بلورهای فوتونیکی سبب پدیده های اپتیکی جالبی شده است. به همین خاطر در این پایان نامه اثر لایه نقص در ساختار شامل متاماده را بر جابجایی گوس هانچن مطالعه نمودیم. بلور فوتونیکی مورد مطالعه به شکل یک بعدی نیمه بینهایت، و تمامی لایه‎ها بصورت همسانگرد، همگن و بدون اتلاف در نظر گرفته شده است. مطالعات ما در در ناحیه فرکانسی ریز موجی انجام گرفته است که برای این ناحیه فرکانسی، مرتبه مقداری ثابت شبکه بلور فوتونی از مرتبه سانتی‎متر است. ابتدا با استفاده از تحریک امواج سطحی پسرو و پیشرو در بلور فوتونیکی بدون نقص و با حضور متاماده، وجود جابه‎جایی گوس-هانچن مثبت و منفی را مشاهده کردیم. سپس با اعمال یک لایه نقص در ساختار تناوبی و ثابت ماندن تمامی پارامترها، جا‎بجایی‎های گوس-هانچن را برای محل‎های مختلف نقص و همچنین ضخامت های متفاوت لایه نقص بررسی نمودیم. مشاهده کردیم که به ازای محل‎های مختلف لایه نقص بیشینه جابجایی گوس-هانچن در زوایای تابش متفاوت باریکه گوسی رخ می‎دهد. به طوری که این زوایای تابش در مورد امواج پیشرو با دور شدن لایه نقص از سطح بلور از مقادیر بزرگ کاهش یافته و به مقدار نظیر بدون نقص میل می‎کند و در مورد امواج پسرو با دور شدن لایه نقص از سطح بلور از مقادیر کم افزایش یافته و به مقدار نظیر بدون نقص میل می‎کند.

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.

در طول سال¬های گذشته، لایه¬های نازک نانوکریستالی نیمه¬رسانا و نقاط کوانتومی، توجه زیادی را به خاطر خواص منحصربفرد ساختاری، نوری و الکترونی به خود جلب کرده¬اند. دارا بودن طیف¬های جذبی پهن و طیف¬های نشری باریک، مقاومت در برابر تخریب نوری، پایداری طولانی مدت فلوئورسانی و طیف¬های نشری وابسته به اندازه، نقاط کوانتومی را به عنوان ابزاری توانمند در وسایل فوتوولتایی، تصویربرداری زیستی و نوردهی مطرح کرده است. با در نظر گرفتن اهمیت نقاط کوانتومی، و نیاز به توسعه¬ی وسایل اپتیکی جدید، این رساله در دو بخش¬ عمده زیر تهیه و تنظیم شده است: - در بخش اول، لایه¬های نازک سرب سولفید (pbs) با کیفیت بالا با سه کاربرد مختلف به روش حمام شیمیایی از حمام-هایی با ترکیب¬های مختلف روی زیر¬لایه¬های شیشه¬ایی و سیلیکونی لایه¬نشانی شدند. یکی از حمام¬ها، یک محلول قلیایی از استات سرب، تیواوره و هیدروکسید سدیم بوده و دومی علاوه بر این¬ها شامل تری اتانول آمین نیز می¬باشد. لایه¬های بدست آمده از حمام بدون تری اتانول آمین برای کاربرد در آشکارساز¬های نوری مناسب هستند. با اضافه کردن تری اتانول آمین اندازه دانه¬ها کاهش یافته و در نتیجه گاف انرژی اپتیکی و لومینسانس نانو ذرات pbs افزایش می¬یابد. لایه¬های نازک pbs با انعکاس بالا (در حدود 61%) در ناحیه طیف نور مرئی، که در سیستم¬های کنترل خورشیدی اهمیت زیادی دارند، بدست آمدند. نانو کریستالهای مکعبی و هشت وجهی pbs با تغییر دمای حمام شیمیایی بدست آمده و مکانیسم رشد توصیف شد. تغییرات شدت فوتولومینسانس (pl) نانو کریستال¬های pbs با مولاریته tea، زمان لایه¬نشانی و دمای حمام بررسی شده است. دریافت شد که لایه¬های نازک pbs گسیل pl را در ناحیه¬های فرابنفش و مرئی بواسطه وجود اثرات کوانتومی اندازه، حالت¬های سطح و تغییرات طول موج تحریک نشان می¬دهند. لومینسانس زیر لایه si(100) و لایه¬های نانو کریستالی pbs رویsi(100) مقایسه شد و نتایج نشان داد که نانو کریستال¬های pbs ویژگی¬های گسیل زیرلایه¬های si(100) را تغییر داده و به صورت قابل توجهی افزایش می¬دهند. برازش پیک با استفاده از تابع گوسین برای طیف فوتولومینسانس pbs روی زیر لایه si(100) اعمال شد. - در بخش دوم، نقاط کوانتومی pbs به صورت کلوئیدی در بستر پلیمر پلی ونیل الکل (pva) با روش cbd تهیه شده و تاثیر یون¬های فلزی sn و ag روی خواص اپتیکی نقطه¬های کوانتومی pbs، مورد مطالعه قرار گرفتند. هم¬چنین نقاط کوانتومی pbs محاط شده با پلی وینیل الکل (pva) در حضور نقاط کوانتومی گرافن (gqds) به وسیله روش ارزان قیمت و ساده cbd سنتز شد. آنالیز tem نشان داد که ذراتpbs به خوبی روی صفحات gqds توزیع یافته¬اند. نتایج نشان داد که در مقایسه با gqds و pbs/pva، شدت فوتولومینسانس نانوکامپوزیت pbs/pva/gqds بهبود یافته و پیک گسیلی gqds در این نانوکامپوزیت به طرف ناحیه¬ی قرمز جابجا شده است. نتایج ما روشی ساده برای تنظیم pl نقاط کوانتومی گرافن پیشنهاد می¬کنند که می¬تواند برای کاربردهای اپتوالکترونیکی بر پایه gqdها در آینده مفید باشد. این روش می¬تواند برای دیگر نانوکامپوزیت¬های سولفید فلزی توسعه یابد که برای کاربرد¬های عملی در فناوری نانو امیدبخش است.

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.

گرافن ماده¬ی تک لایه¬ای تخت متشکل از اتم های کربن است که این اتم¬ها در یک شبکه دو بعدی لانه ¬زنبوری به هم متصل شده¬اند، گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکترونیکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل های بار رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده ای منحصر به فرد تبدیل شده است. این ماده به خاطر خواص ویژه خود به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه فراوانی را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. رسانندگی الکترونیکی و گذردهی نوری بالای گرافن ، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، ترانزیستورها، سلول های فوتوالکتریک، سنسورهای گازی و به دیود های آلی ساطع کننده نور( oled) و سایر قطعات الکترونیکی معرفی می¬کند. در این پایان نامه ابتدا خواص اپتیکی ( بازتاب، تراگسیل و جذب) گرافن تک لایه و دو لایه را با استفاده از روش ماتریس انتقال مطالعه می کنیم. سپس یک بلور فوتونی یک بعدی متشکل از دو لایه¬ی دی¬الکتریک را در نظر می گیریم که در میان فصل مشترک آن¬ها لایه های مشابه گرافنی قرار گرافته است. با به کار گیری روش ماتریس انتقال خواص اپتیکی و ساختار باند چنین بلوری را در حضور لایه¬های گرافنی(تک¬لایه و دولایه) تعیین می¬کنیم و وابستگی ویژگی¬های اپتیکی بلور فوتونی یک بعدی مذکور را به ضخامت لایه¬های دی الکتریک، زاویه¬ی فرود نور، فرکانس نور و پتانسیل شیمیایی را بررسی می¬کنیم. نتایج حاصل می¬تواند در طراحی ابزارآلات اپتیکی مورد استفاده قرار بگیرد.

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.

بدلیل کاربرد فرایندهای غیرخطی اپتیکی نظیر دو برابر سازی فرکانس یک لیزر با استفاده از تولید هارمونیک دوم و یا تولید یک لیزر کوک پذیر در ناحیه مادون قرمز با استفاده از فرایند تولید تفاضل فرکانس ها، در این پایاننامه ساختارهایی با تشدید در محدوده ی مادون قرمز در حضور دی الکتریک غیرخطی بررسی می شود. برای این منظور، ابتدا توزیع میدان های الکتریکی و مغناطیسی بدون در نظر گرفتن غیرخطیت دی الکتریک، برای نشان دادن جایگزیدگی انرژی الکترومغناطیسی مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین پارامترهای موثر خطی با استفاده از طیف عبوری و انعکاسی سلول واحد ساختار مورد نظر بازیابی می گردد. سپس با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی برای محیط دی الکتریک، ساختار مورد نظر در یک بازه زمانی تحت تابش امواج تخت با دامنه یکنواخت و فرکانس مشخص قرار می گیرد. با استفاده از تغییرات زمانی میدان عبوری و انعکاسی و اعمال تبدیل فوریه، دامنه میدان های غیرخطی محاسبه می گردد. برای ساختارهای فرامواد غیرخطی نیز مشابه حالت خطی، می توان یک ساختار معادل با پذیرفتاری موثر در نظر گرفت. با استفاده از روابط حاصل از روش ماتریس انتقال، پذیرفتاری های الکتریکی موثر برای ساختارهای مورد نظر محاسبه شده و با پذیرفتاری دی الکتریک مقایسه می گردد. نتایج این بررسی ها، افزایش پذیرفتاری الکتریکی موثر مرتبه ی دوم را تا دو مرتبه ی مقداری آشکار می سازد. همچنین تنظیم پذیری فرکانس تشدید در این ساختارها، می تواند امکان تولید منابع نوری در نانو ابزارهای فوتونیکی را فراهم 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.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

در این پایان نامه، الگوهای پراش پرتو باریکه گاوسی گذرنده از یک محیط متامواد غیرخطی مرتبه سوم بررسی شده است. از آنجاییکه ضریب شکست محیط غیرخطی مرتبه سوم به صورت بیان می شود لذا با عبور باریکه ای با توزیع شدت گاوسی تغییر فازهای مختلف عرضی در قسمتهای مختلف باریکه ایجاد خواهد شد. این اختلاف فازها منجر به مدوله شدن توزیع شدت روی پرده مشاهده خواهد بود که حاصل پراش باریکه گاوسی می باشد. این پدیده به صورت تجربی برای محیطهای غیرخطی مواد معمولی مشاهده شده است. برای توجیه این رفتار، ابتدا با استفاده از انتگرال پراش فرنل کیرشهف در تقریب فرانهوفری توزیع شدت روی پرده مشاهده فرمول بندی و برای اختلاف فازهای مختلف رسم شده اند. نتایج نشان می دهند که نقش الگوهای پراش برای یک متا ماده درست برعکس محیط معمولی است. از بررسی الگوهای پراش به راحتی می توان اطلاعاتی در مورد خودهمگرایی، خود واگرایی باریکه و همچنین علامت و اندازه ضریب شکست غیرخطی محیط بدست آورد. نتایج شبیه سازی برحسب علامت ضریب شکست غیرخطی محیط و علامت شعاع انحناء باریکه، دو نوع الگوی پراش متفاوت را نشان می دهند. اولین الگو، دارای ناحیه مرکزی روشن است که حلقه های روشنی در اطراف مشاهده می شود، این الگو زمانی ایجاد می گردد که علامت ضریب شکست غیرخطی مخالف علامت شعاع انحنای جبهه موج باشد. دومین نوع الگو دارای ناحیه مرکزی تاریک با حلقه های روشن کناری است. این الگو زمانی رخ می دهد که علامت ضریب شکست غیرخطی با علامت شعاع انحنای جبهه موج یکسان باشد.

به دلیل رفتار خاص امواج الکترومغناطیسی در محیط های تک منفی، برخی از پدیده های اپتیکی مانند تشدید، تونل زنی کامل، بازتاب صفر و شفافیت در ساختاری دولایه ای از متامواد تک منفی (با یک لایه ی اپسیلون- منفی و یک لایه ی مو- منفی) قابل مشاهده است. اگر فضای داخل یک موجبر با این ساختار دولایه ای پر شود، برخلاف موجبرهای معمولی، این موجبر حداکثر یک مُد را می تواند انتقال دهد و ضخامت آن را نیز می توان به اختیار کوچک انتخاب کرد. ما خواص گاف های باند را در یک بلور فوتونیکی یک بعدی با سه لایه از مواد مختلف (اپسیلون- منفی، مو- منفی و معمولی) در هـر تناوب، بررسی کرده و روابطی تقریبی را بـرای تعیین مکان لبه ی گاف ها به دست آورده ایم. سپس نشان داده ایم که با افزایش ضخامت لایه ی معمولی هر دو لبه ی گاف فاز صفر و لبه ی بالایی گاف زاویه ای به فرکانس های پایین تر جابه جا می شوند. همچنین مطالعات ما نشان می دهد که لبه ی بالایی گاف زاویه ای با افزایش زاویه ی تابش، به فرکانس های بالاتر انتقال می یابد؛ در صورتی که در مورد گاف فاز صفر یکی از لبه ها مستقل از زاویه ی تابش است و جابه جایی لبه ی دیگر آن با افزایش زاویه ی تابش به ضخامت لایه ی معمولی بستگی دارد. به دلیل تقویت میدان الکتریکی در بلورهای فوتونیکی شامل متامواد تک منفی، در این ساختارها پدیده ی غیرخطی دوپایایی اپتیکی در شدت هایی بسیار پایین قابل مشاهده می باشد.