عنوان

تحلیل تولید امواج تراهرتز مبتنی بر تابش اسمیت پورسل در ساختارهای پلاسمونیکی

‭۱۵۷۵۴پ‬

per

تحلیل تولید امواج تراهرتز مبتنی بر تابش اسمیت پورسل در ساختارهای پلاسمونیکی

/علیرضا طاوسی

: مهندسی برق و کامپیوتر

، ‮‭۱۳۹۵‬

، راشدی

چاپی

دکتری

مهندسی برق - الکترونیک گرایش طراحی مدارصهای مجتمع نوری

‮‭۱۳۹۵/۰۲/۰۵‬

تبریز

تابش تراهرتز که در انتهای باند مادون قرمز تا شروع باند میکرویو قرار دارد کاربردهای مختلفی در پزشکی، تشخیص خصوصیات مواد، امنیت و مخابرات داده دارد .علی‌صرغم تلاشهای وسیعی که برای توسعه منابع کوچک و ارزان قیمت تراهرتز صورت گرفته، هنوز راه دارزی تا تحقق کامل آنها در پیش است .ترکیب خصوصیات ادوات الکترونیکی با توان بالای خروجی با خصوصیات فرکانس بالا در ادوات فتونیکی راه حل مناسبی برای تحقق این مهم است .براساس یافته های اسمیت و پروسل - در اوایل دهه ‮‭۱۹۵۰‬ - عبور الکترونها از نزدیک سطح توری فلزی پلاسمونهای سطحی را روی سطح القا می-کنند که با مهندسی سطح و ایجاد تغییرات تناوبی روی آن برای تغییر ممنتوم موج می‌صتوان سبب تشعشع تابش الکترومغناطیس با فرکانس دلخواه از زیرمیلی‌صمتری تا مرئی شد .الکترونهای عبوری از روی سطح متناوب توری به دلیل تبادل انرژی با پلاسمون سطح توری به تدریج گلوله‌صای شده و ابرتابشی همدوس تولید خواهد شد .استفاده از آرایه حفره‌صهای هوا یا میله‌صهای فلز-دی الکتریک با ابعاد زیر طول‌صموج روی سطح تیغه‌صای فلزی و همچنین در موارد پیشرفته‌صتر پوشاندن سطح تیغه، میله‌صها و حفره‌صها با متامواد) دی‌صالکتریک مهندسی شده با ضریب مناسب (برای تولید شبه پلاسمونهای سطحی و آزاد سازی انرژی الکترومغناطیسی انباشته در آنها می-تواند فرصت مناسبی برای تحقق منابع کوچک و مقرون به صرفه تراهرتز باشد .در این رساله به بررسی رابطه پاشندگی و فرکانس قطع مودصی شبه-پلاسمون سطحی در ساختارهای پیشنهادی خواهیم پرداخت .گرچه خصویات تابش اسمیت-پورسل آرایه یک بعدی از تیغه های مستطیلی در دو بعد قبلا محاسبه شده است اما در رساله برای اولین بار به بررسی خصوصیات این تابش) در دو رژیم تابش خود به خود و ابرتابش (در بعد سوم یا همان عرض توری می-پردازیم .با بررسی رابطه پاشندگی سرعت گروه پلاسمون سطحی نشان خواهیم داد که با تحریک عدد موج متناظر با نقطه حداقل آن می‌صتوان تابش خود به خودی اسمیت-پورسل را در زاویه نزدیک ‮‭۹۰‬ القا نمود .به کمک نانوکامپوزیت‌صهای مرکب از ترکیب نانو ذرات فلزی توزیع شده در بسترهای دی الکتریک و پلیمری و محاسبه دی الکتریک موثر معادل توسط رابطه محیط موثر ماکسول-گارنت ماده درون حفره‌صهای توری را مهندسی کرده و آنها را با مواد با ضریب دی الکتریک نزدیک صفر تا مواد با ضرایب بسیار بزرگتر پر می‌صکنیم و به مطالعه محدوده فرکانس، کیفیت و شدت توان تابش تولیدی خواهیم پرداخت .نهایتا به عنوان یکی دیگر از نو آوریهای این رساله برای اولین بار ساختاری با قابلیت تولید همزمان دو طول‌صموج را برای کاربردهای پمپ-پروب پیشنهاد خواهیم نمود .همچنین این ساختارها به گونه‌صای هستند که اگر به بازده و توان بالاتری نیاز باشد، می‌صتوان از قابلیت عبور دادن چند پرتو هم زمان در آنها استفاده کرد .روش تحلیل ما در این رساله بر اساس حل همزمان معادلات پیوستگی جریان و معادله نیروی لورنتز می‌صباشد .با توجه به پیچیدگی معادلات برای حالاتی که الکترونها در حرکت هستند و تعدادشان زیاد است، حل تحلیلی امکان پذیر نبوده لذا ناچارا باید به سراغ حل عددی این معادلات برویم که همگرا سازی جوابها خود به روشهای عددی قدرتمند) از نظر گسسته سازی زمانی و مکانی (نیاز دارد .برای حل این معادلات باید همزمان با کمک روش تفاضلهای متناهی ‮‭FDTD‬ و از الگوریتم ذره در سلول برای تخمین سرعت و انرژی الکترونها استفاده نمود .می‌صتوان این معادلات را با کمک نرم افزار ‮‭MATLAB‬ و ‮‭CST Studio‬ تحلیل نمود

Terahertz Electromagnetic radiation spaned from the end of infrared band to the beginning of microwaves, has a diverse range of applications such as medical, material characterization, security, and communications. Despite of enormous efforts yet there are serious problems ahead of realizing table-top low-cost and compact terahertz sources. It seems that combining the high power capabilities of electronic devices with high frequency characteristics of photonic devices would open a possiblity to overcome the mentioned problem. Based on smith-Purcell (SP) effect discovered in late 1950s, proximity interaction of travelling electrons near a metallic slab surface induces Surface Plasmon on that surface. Due to periodic arranement of surface and by means of using different electron beam energies, this radiation can produce EM waves from millimeter to visible regions, as confiremed by different experimental and theoretical studies. Spoof surface Plasmon are lower-frequency counter part of surface Plasmon that due to their slower phase velocities can enhance the plasmon-electron momentum coupling interaction and thus accelerating electron-beam bunching meachanisms. Here in this thesis, we calculate the dispersion relation and cut-off frequency of surface Plasmon for a given 1-D periodic hole-array metallic slab and for the first time to the best of our knowledge, we investigate the slab width parameter effect on incoherent and coherent SP radiation characteristics. By means of incorporating nano-composite metamaterials consisting of nobel metals nano particle distributed in a volume of polymeric or dielectric material to achive eosilon-near-zero (ENZ) which their effective dielectric function is calculated using Maxwell-Garnet effective medium theory and filling the slab holes, we alter the radiation frequency, angle and even its power. Also by implementing multiple electron guns, we can enhance the radiation power. Even more in this thesis, for the first time we realized two-color THz radiation. Sources capable of producing two simultaneous colors are of great importance in pump-probe experiments. Our analysis method is based on concurrent solving of current continuum equation and Lorentz force equation. Due to complexity and large number of equations in the cases including moving electrons, analytic solutions are impossible and thus numerical methods such as FDTD and particle in cell method are inevitable. One can solve these equations using free or commercial codes such as Matlab, or CST studio, etc

طاوسی، علیرضا

رستمی، علی، استاد راهنما

دولتیاری، محبوبه، استاد مشاور

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی