عناصر نوری پراشی از آرایه ای فازی تشکیل شده اند و در کاربردهایی مثل ایجاد منابع نوری، ماشین کاری لیزری، اتصال های نوری و شبکه های عصبی نوری استفاده می شوند. در طراحی این عناصر می توان از الگوریتم های بهینه سازی متعددی استفاده کرد. در این پایان نامه از الگوریتم های آبکاری شبیه سازی شده و رقابت استعمارگرایانه (برای اولین بار)استفاده شده است. سرعت همگرایی بالا و بازده پراش بیشتر، از مزایای الگوریتم رقابت استعمارگرایانه است. یک بسته ی نرم افزاری به منظور طراحی عناصر دوسطحی با الگوریتم آبکاری شبیه سازی شده طراحی گردیده است. همچنین از این عناصر برای اولین بار به منظور طراحی شبکه های عصبی نوری هاپفیلد استفاده شده است. ساده تر شدن سخت افزار سیستم و کاهش پردازش های نوری از مزایای این روش طراحی می باشد.

تمام نگارهای کامپیوتری نوعی از عناصر نوری پراشی هستند که در ساخت آنها از کامپیوتر استفاده میشود. در تمام نگارهای معمولی دو جبهه موج مرجع و شیئ در محلی که یک ماده حساس به نور در آنجا قرار داده شده است با هم برخورد میکنند و نقش تداخلی بدست آمده که حاوی اطلاعات دامنه و فاز جسم است ثبت میشود. در تمام نگارهای کامپیوتری تداخل دو جبهه موج به صورت ریاضی بررسی و اطلاعات مربوط به ضریب عبور تمام نگار در هر نقطه از نقاط نمونه برداری شده به صورت یک عدد مختلط محاسبه میشود. آرایه بدست آمده از اعداد مختلط باید در قالبی کد شود که بتوان آن را به صورت گرافیکی نمایش داد. اگر صفحه تمام نگار به سلولهایی در دو بعد تقسیم و به هر عنصر آرایه یک سلول اختصاص داده شود، میتوان از پارامترهای آزاد یک شکاف مستطیلی برای نمایش عدد مختلط مربوط به آن سلول استفاده کرد. برای کدکردن از تعداد بیشتری شکاف در درون هر سلول نیز میتوان استفاده کرد، هر چه تعداد شکافها بیشتر شود تعداد حالات کوانتیزه کردن افزایش پیدا کرده و در نتیجه خطای بازیابی تصویر (ناشی از تعداد محدود حالات کوانتیزه) کاهش مییابد. در این پایان نامه علاوه بر شبیه سازی تمام نگار تک شکافی لهمان، برای اولین بار تمام نگارهای چند شکافی بررسی، شبیه سازی و فرمول بندی شده است. یک روش کد چند شکافی جدید ارائه شده و نتایج شبیه سازی آن با کدهای چند شکافی دیگر مقایسه گردیده است، همچنین خطای بازسازی تصویر بررسی و به منظور بهبود، بهینه سازی شده است. در ضرایب فوریه بیشتر اشکال ساده مانند حروف، مولفه های ثابت و فرکانس پائین خیلی بزرگتر از مولفه های فرکانس بالا است. برای اینکه بتوان این بازه را کم کرد باید اندازه ها را بین مولفه های فرکانسهای بالا و پائین پخش کرد. اضافه کردن فاز تصادفی بازه دینامیکی طیف فوریه را کاهش میدهد و باعث بهبود تصویر بازسازی شده میشود. با بهینه سازی فاز تصادفی اضافه شده میتوان خطای بازسازی را به مقدار زیادی کاهش داد. قسمتی از پایان نامه به این مساله بهینه سازی اختصاص داده شده است. پس از اینکه الگوی گرافیکی تمام نگار بدست آمد، الگوی حاصل در اندازه بزرگ با چاپگر چاپ شده و سپس از آن عکس گرفته و به اندازه واقعی کوچک میشود، نگاتیو حاصل تمام نگار کامپیوتری است. این روش معمول و قدیمی ساخت تمام نگار کامپیوتری علاوه بر وقتگیر بودن گران نیز تمام میشود. در این پایان نامه بر روی ساخت تمام نگار با روش لیتوگرافی دیجیتال کار شده است، در این روش فناوری دیجیتال جایگزین عکاسی آنالوگ میشود.

عناصر نوری پراشی قطعاتی هستند که بر اساس پدیده پراش کار می کنند. این قطعات در زمینه های مختلفی مانند پردازش نوری، تقسیم پرتو، متمرکز کردن چندین پرتو در یک نقطه و اتصال های نوری استفاده می شوند. هدف از طراحی عناصر نوری پراشی یافتن ساختارهای مناسب برای این عناصر است. در طراحی این عناصر می توان از الگوریتم های بهینه سازی استفاده کرد. برای طراحی عناصر نوری پراشی معیارهایی همچون بازده پراش، ناهمواری و ریشه میانگین مربعات خطای نسبی در نظر گرفته می شود. اغلب یکی از این معیارها با توجه به زمینه کاربردی به عنوان معیار طراحی منظور می شود. در بعضی مقالات ترکیب خطی دو معیار مختلف، در طراحی بکار برده شده است. در این پایان نامه طراحی عناصر نوری پراشی با الگوریتم های تک هدفه و چند هدفه ژنتیک، بهینه سازی گروه ذرات و جستجوی گرانشی انجام شده است. در تمام این موارد روش تحلیل اسکالری و تقریب فرانهافر به کار گرفته شده است. در الگوریتمهای تک هدفه به عنوان تابع هدف از ریشه میانگین مربعات خطا استفاده شده است و در الگوریتمهای چند هدفه توابع هدف ریشه میانگین مربعات خطا و عکس بازده پراش در نظر گرفته شده است. در نمونه های طراحی شده از بین الگوریتمهای تک هدفه و همچنین چند هدفه بهترین نتایج از الگوریتم جستجوی گرانشی بدست آمده است.

در این پایان نامه ابتدا به معرفی تارهای بلور فوتونی، دوشکستی و دوشکستی در تار بلور فوتونی می‏پردازیم. سپس تحقیقات انجام شده درباره دوشکستی در تارهای بلور فوتونی را مرور می‏کنیم. در این قسمت عوامل تاثیرگذار بر دوشکستی معرفی می‏شود که در این میان، تار بلور فوتونی با شبکه مربعی و حفره‏های بیضی شکل بیشترین میزان دوشکستی را دارد. در ادامه ساختاری برای تار بلور فوتونی پیشنهاد می‏شود که اندازه دوشکستی را افزایش می‏دهد. در این ساختار با اضافه کردن چند حفره در اطراف هسته تار بلور فوتونی با حفره‏های بیضی شکل و شبکه مربعی، میزان دوشکستی بهبود پیدا می‏کند. همچنین به بررسی عوامل تاثیرگذار بر دوشکستی در تار پیشنهاد شده می‏پردازیم و این نتایج را با نتایج بدست آمده از دوشکستی در تارهای بلور فوتونی ارائه شده مقایسه می‏کنیم. در تمام حالت‏ها دوشکستی در تار بلور فوتونی پیشنهاد شده بیشتر از تارهای قبلی است. همچنین پاشندگی و تلفات حبس‏شدگی ساختار پیشنهادی مورد بررسی قرار خواهد گرفت و نشان داده می‏شود که تار پیشنهادی در مقایسه با تار بدون حفره‏های اضافی، دارای پاشندگی و تلفات حبس‏شدگی کمتری است. بخش آخر پایان نامه به نتیجه‏گیری و پیشنهادها برای ادامه تحقیقات در این زمینه اختصاص داده شده است.

آنتن های موج نشتی از خانواده ی آنتن های موج انتشاری محسوب می شوند که عموماً در یک پهنای باند وسیع تشعشع می کنند و توانایی اسکن زاویه ای بخشی از فضا را دارند. این آنتن ها دو نوع اصلی یکپارچه و متناوب دارند. در آنتن های موج نشتی با اسکن فرکانسی ، با تغییر فرکانس ، زاویه ی بیم اصلی تشعشع نسبت به خط عمود بر صفحه ی آنتن تغییر می کند. از طرفی ساختار های موجبری مجتمع شده در زیر لایه ، به واسطه ی ساخت آسان ، مقرون به صرفه بودن ، ساختار صفحه ای و مزیت های دیگری که نسبت به خطوط انتقال دیگر دارند ، در سال های اخیر در مقالات و صنعت بسیار مورد استفاده قرار گرفته اند. به دلیل مزیت های این نوع موجبر ، استفاده از آنها در طراحی و ساخت آنتن های موج-نشتی نیز در سال های اخیر بسیار رایج بوده است. ساختار های فرامواد مرکب چپگرد-راستگرد این امکان را فراهم می کنند تا علاوه بر انتشار موج به صورت رایج ، انتشار موج به صورت عقبگرد نیز امکان پذیر باشد. از این نوع ساختار ها در آنتن های موج-نشتی به منظور بدست آوردن تشعشع به سمت عقب استفاده می شود. می توان از این نوع فرامواد در ساختار های موجبری مجتمع شده در زیر لایه نیز بهره جست. در این پایان نامه در ابتدا آنتن های موج نشتی بر پایه ی موجبرهای مجتمع شده ی زیرلایه که در سال های اخیر ارایه شده اند بررسی می شود. سپس آنتن موج نشتی بر پایه ی موجبر مجتمع شده در زیر لایه نیم-مد که در آن از شکاف های به شکل دندانه اره ای استفاده شده است طراحی و شبیه سازی شده و همچنین ساختار پیشنهادی ساخته واندازه گیری می شود. نتایج اندازه گیری وشبیه سازی تطابق قابل قبولی دارند. بیم اصلی این آنتن توانایی اسکن فضا از حدود ?70- تا ?70 را در محدوده ی فرکانسی 7.4 تا 13 گیگا هرتز دارا می باشد. قطبش این آنتن دایروی راستگرد بوده و سطح تشعشع با قطبش دایروی چپگرد در حالت نرمالیزه کمتر از db 15- به دست آمده است. پهنای باند بالا ، تشعشع به سمت جلو ، عقب و در راستای عمود بر صفحه ی آنتن ، قطبش دایروی ، کوچک سازی ابعاد ناشی از به کار بردن ساختار فرامواد چپگرد-راستگرد و ساخت آسان از جمله مزیت های این آنتن به شمار می رود.

در این پایان نامه، بر اساس خاصیت بلورهای فوتونی، فیلترهای نوری با لایه های موجدار مستطیلی و ذوزنقه ای پیشنهاد شده است و مزایای آنها نسبت به فیلترهای با لایه های مسطح و نیز موجدار مثلثی از نظر افزایش پهنای شکاف باند و کاهش نوسان ها در طیف نور عبور یافته مورد تحقیق قرار گرفته است. با به کارگیری فیلترهای نوری موجدار مستطیلی و ذوزنقه ای فیلترهای جداکننده قطبشی با عرض شکاف باند پهن تری نسبت به فیلترهای قبلی طراحی کرده ایم.

عناصر نوری پراشی دریچه محدود (fadoe) قادرند با اثر گذاشتن بر یک ستون نور ورودی، توزیع دلخواهی از شدت نور را در صفحه مشاهده فراهم نمایند. این عناصر معمولاً با اعمال خوردگی در مواد دی الکتریک ساخته می شوند و برخلاف توری های پراشی، ساختاری غیر تناوبی دارند. عناصر نوری پراشی دریچه محدود کاربردهای زیادی پیداکرده اند که از جمله آنها می توان از ریزقطبی کننده ها ، جفت گرها ، منشعب کننده ها ، شکل دهنده ها و ریزعدسی ها نام برد. در این رساله با تعمیم روش طیف زاویه ای تکراری (iasa) برای طراحی قطعات دریچه محدود دوبعدی، روشی سریع و کارا ارائه داده ایم. این روش اسکالر امکان طراحی عناصری با اندازه اجزایی در حد طول موج را در میدان راه نزدیک یا دور فراهم می سازد. با طراحی عناصر مختلفی شامل جفت گر نوری مخابراتی، شکل دهنده پرتو لیزری، منشعب کننده های مختلف و ریزعدسی توانایی این روش را نشان داده ایم. همچنین محدودیت های روش را برای گسسته سازی عناصر نوری پراشی پیوسته و به دست آوردن یک توزیع نور دلخواه در صفحه مشاهده تعیین نموده ایم. با استفاده از روش سه بعدی تفاضل محدود حوزه زمان (3-d fdtd) همراه با شرط مرزی جاذب لایه ی به طورکامل منطبق (pml) که یک روش شبیه سازی برداری و دقیق است، دقت روش طیف زاویه ای تکراری را با مقایسه نتایج دو روش تعیین نموده ایم. همچنین از مقایسه نتایج به دست آمده با روش طیف زاویه ای تکراری تعمیم یافته با نتایج به دست آمده با روش زاویه چرخش بهینه (ora)، برتری روش تعمیم یافته را در میدان راه نزدیک نشان داده ایم. به علاوه حساسیت عناصر طراحی شده را نسبت به خطاهای معمول در فرایند ساخت، شاملِ خطا در جاگذاری ماسک ها و خطا در عمق خوردگی بررسی نموده ایم. سرانجام با طراحی یک منشعب کننده و اندازه گیری مشخصات نمونه ساخته شده ی آن، پژوهش خود را تکمیل نمودیم. درکنار مباحث اصلی، روشی برای طراحی توری های پراش دو بعدی برمبنای روش مودی فوریه (fmm) و روش بهینه سازی ژنتیک و روشی برداری برای طراحی عناصر نوری پراشی دریچه محدود با ابعادی کوچک در حد چند برابر طول موج در این رساله ارائه شده است.