۱۶۲۷۷پ
per
اثر نانولایه‌صهای گرافن بر خواص اپتیکی ساختارهای لایه‌صای حاوی نقص
/زیبا سالکی
: فیزیک
، ۱۳۹۵
، راشدی
چاپی
دکتری
فیزیک اپتیک و لیزر
۱۳۹۵/۱۱/۲۵
تبریز
بلور فوتونی به یک ساختار دی‌صالکتریک منظم با ثابت دی‌صالکتریک متناوب فضایی اطلاق می‌صشود که پارامتر شبکه‌صای آن قابل قیاس با طول موج امواج الکترومغناطیسی تابشی باشد .مهم‌صترین ویژگی این ساختارهای لایه‌صای وجود گاف باند فوتونی یا نوار ممنوعه فرکانسی است که کنترل انتشار فوتونی را منجر می‌صشود .با ایجاد نقص در بلورهای فوتونی دامنه کاربردهای این سیستم‌صها در اپتیک و فوتونیک افزایش می‌صیابد .تاکنون بلورهای فوتونی با لایه‌صهای نقص‌ص متفاوت از جمله نیمه‌ص رسانا، بلور مایع و ...گزارش شده‌صاند .نیاز به کنترل خواص اپتیکی و تراگسیلی ساختارهای لایه‌صای، قابل تنظیم بودن گاف باندها با عوامل بیرونی مانند دما یا ولتاژ، کنترل مدهای نقص برای داشتن فیلترهای باند باریک در ناحیه فرکانسی مطلوب از جمله دلایل برانگیختن حس کنجکاوی بشر برای جستجوی موادی با خواص اپتیکی قابل کنترل بود .گرافن ماده‌صای است که علاوه بر ویژگی-های خارق‌صالعاده‌صاش، پاسخگوی این نیاز بشریت شده است .انتشار نور با فرکانس‌صهای تراهرتز و مادون قرمز در بلورهای فوتونی حاوی گرافن نسبت به ساختارهای شامل فلزات، نیمه رساناها و ابررساناها با اتلاف کمتری همراه می‌صشود .لذا بلور فوتونی یک بعدی گرافن-دی‌صالکتریک که در آن گرافن نقش المان کنترل کننده را داشته باشد، به طور برجسته‌صای جلب توجه می‌صکند .در این رساله، به بررسی نظری انتشار امواج الکترومغناطیسی در بلورهای فوتونی حاوی نانو لایه‌صهای گرافن در حضور نقص و برخی پدیده‌صهای نوری در آنها پرداخته شده است .در این مطالعات، محاسبات عددی با استفاده از روش ماتریس انتقال و محیط مؤثر انجام شده است .نتایج بدست آمده نشانگر وجود گاف باند فرکانسی جدیدی در فرکانس‌صهای پایین تراهرتز است که آن را گاف باند القایی گرافن نامیده‌صایم .هم‌صچنین نوع جدیدی مد نقص علاوه بر مد نقص رایج براگ در طیف تراگسیل مشاهده می‌صشود که مد نقص القایی گرافن نامگذاری شده است .این مد نقص که به دلیل شکست تناوب در شبکه گرافن تشکیل شده است فقط به ازای لایه‌صهای نقص عریض تشکیل می‌صشود .وابستگی ضریب کیفیت مدهای نقص به پارامترهای هندسی و اپتیکی لایه‌صهای دی‌صالکتریک، میزان تنظیم پذیری فرکانس و شدت مدهای نقص به پارامترهای اپتیکی گرافن نیز مطالعه شده است .در ادامه، دامنه مطالعات‌صمان را به بلورهای فوتونی گرافن ـ پایه شامل نقص که در آن‌صها ضخامت لایه‌صهای با ضریب شکست بالا یا پایین افزایش پله‌صای داشته باشند نیز توسعه داده و نشان داده‌صایم که مدهای نقص براگ به تغییر ضخامت لایه‌صهایی با ضریب شکست پایین حساسیت بیشتری نشان می‌صدهند .از طرف دیگر مد نقص القایی گرافن مستقل از تغییر ضخامت لایه‌صهایی با ضریب شکست پایین بوده ولی تا حدودی به تغییر ضخامت لایه‌صهایی با ضریب شکست بالا وابسته است .هم‌صچنین خواص تراگسیل شبه بلور تیوـ مورس گرافن ـ پایه مطالعه شده و پارامترهای بهینه ساختار از جمله ضخامت و گذردهی الکتریکی لایه‌صها به منظور طراحی یک فیلتر تمام سویه پهن باند در ناحیه تراهرتز گزارش شده است .نتایج حاصل شده از این محاسبات نشان می‌صدهند که گاف باند تمام سویه القایی گرافن برخلاف گاف باندهای رایج براگ با افزایش تباین ضرایب شکست دی-الکتریک‌صهای سازنده باریک‌صتر شده و در حالتی که لایه‌صها مشابه هم باشند یا به عبارتی گرافن در زمینه یکنواخت دی‌صالکتریک قرار داده شود بیشترین پهنا را خواهد داشت .در نهایت خواص تراگسیل یک بلور فوتونی یک بعدی شامل لایه نقصی از جنس متامواد نامعین تک محور گرافن ـ پایه مطالعه شده و تأثیر جهت قرارگیری محور نوری متامواد بر روی ساختار باند و مدهای نقص این بلور فوتونی در هر دو حالت قطبش موج تابشی بررسی شده است .نشان داده شده که طیف تراگسیل ساختار برای قطبش TE مستقل از سمتگیری محور نوری لایه نقص است .هم‌صچنین نتایج نشانگر وجود دو نوع مد نقص در گاف باندهای ساختار برای قطبش TM می‌صباشد .یک نوع آن در ناحیه فرکانسی‌صای تشکیل می‌صشود که در آن المان‌صهای اصلی تانسور گذردهی الکتریکی مؤثر لایه نقص هم‌صعلامت هستند و فرکانس این نوع مد نقص مستقل از سمتگیری محور نوری لایه نقص می‌صباشد .نوع دیگر مد نقص در بازه‌صای از فرکانس که پاشندگی هایپربولیک حاکم است، مشاهده می‌صگردد .چنین مد نقصی به واسطه رفتار ناهمسانگرد لایه نقص تشکیل شده و قویا وابسته به زاویه سمتگیری محور نوری لایه نقص می‌صباشد .بنابراین آن را مد نقص القایی ناهمسانگردی نامیده‌صایم .توزیع فضایی شدت میدان‌صهای الکتریکی و مغناطیسی این نوع مد نقص رفتار غیر عادی داشته و میدان الکتریکی آن بدون هیچ رفتار نوسانی در لایه نقص به کمترین مقدار خود می‌صرسد .این در حالی است که میدان مغناطیسی آن حول لایه نقص به شدت جایگزیده می‌صشود .رفتار جدید مشاهده شده می‌صتواند کاربردهای بالقوه‌صای در پدیده‌صهای غیرخطی مغناطیسی داشته باشد .لازم به ذکر است که بنا به کنترل رسانندگی نانولایه‌صهای گرافن با تغییر در پتانسیل شیمیایی، تمام خصوصیات نوری ساختارهای مذکور نیز به همین شیوه تنظیم‌صپذیر خواهد بود
Photonic crystals (PCs) refer to the regular dielectric structures with a periodic arrangement of refractive index whose lattice parameter is comparable to the wavelength of electromagnetic radiation waves. Existence of a range of forbidden frequencies known as photonic band gaps (PBGs) is the most important characteristic of such layered structures. So, PCs can control the propagation of the light. Introducing the defect layers in the PCs can enhance the applications proposed for PCs in optics and photonics. So far, the optical properties of the PCs containing various kinds of defect layers including semiconductors, liquid crystals, etc. have been investigated. On the other hand, control of the optical properties, tunability of the PBGs and defect modes with external parameters such as temperature, gate voltage, and etc. motivated people to use the materials with externally controllable optical properties. Graphene has some properties which can make it a suitable option in designing photonic devices. At the frequency ranges of THz and far-IR, the dissipative losses of graphene is less than the usual metals, semiconductors and superconductors. So, the one-dimensional graphenedielectric PCs in which the graphene nano-layers are used as controlling elements became the object of many recent theoretical studies. In this thesis, the propagation of the electromagnetic waves in the one-dimensional graphene-based PCs containing defect layer and some of the optical phenomena are investigated theoretically. In this research, the numerical calculations have been done using the transfer matrix method and the effective medium approximation. Our investigations show the existence of a new type of the PBG at the low THz frequencies which we call it graphene induced photonic band gap (GIPBG). Moreover, a new type of the defect mode called graphene induced defect mode (GIDM) is found in addition to the conventional defect modes of Bragg gaps. Such a defect mode which is due to the breaking of the periodicity of the graphene lattice, is created only in the case of wide defect layers. The dependence of the defect modes on the optical and geometrical parameters of the dielectric layers and graphene nano-layers has been studied. In the following, the transmission properties of a defective one-dimensional graphene-based PC with linearly chirping structures have been investigated. It is shown that the defect modes in the Bragg gap are more sensitive to the variation in the width of the low refractive index layers. On the other hand, GIDM is independent from variation in the width of the low refractive index layer. While, it slightly depends on the variation in the width of the high refractive index layer. Also, the transmission properties of a one-dimensional graphene-based ThueMorse quasiperiodic structure have been investigated. Also, the optimum parameters of the structure such as the thickness and relative permittivity of the layers has been discussed to use in designing an omnidirectional broadband THz filter. Our findings show that the width of GIPBG is decreased by increasing the contrast of the layers permittivity and reaches to a maximum value when the constituent layers have the same relative permittivity. These results are in contrast to the Bragg gaps case. Finally, the transmission properties of a one-dimensional photonic crystal containing a defect layer composed of the graphene-based uniaxial indefinite metamaterial which its optical axis is tilted with respect to the interface is taken as a defect layer have been studied. Then, the dependence of the band structure and defect modes of the structure on the direction of the optical axis is investigated for both of the TE and TM polarizations. It is shown that the transmission of the structure for the TE-polarized waves is insensitive to the orientation of the optical axis of the defect layer. Furthermore, the results reveal that two kinds of the defect modes can be found in the band gaps of the structure for TM-polarized waves. One kind is created at the frequency range in which the principle elements of the effective permittivity tensor of the defect layer have the same signs. The frequency of this kind of the defect mode is independent from the orientation of the optical axis of the defect layer. The other one is created at the hyperbolic dispersion frequency range. Such a defect mode is appeared due to the anisotropic behavior of the defect layer and its frequency strongly depends on the orientation of the optical axis. So, we call it anisotropy induced defect mode. The spatial distribution of the normalized transverse magnetic and electric field intensities of such a defect mode shows an unusual behavior and the electric field of it reaches to its minimum value in the defect layer without the conventional oscillatory behavior. While, the magnetic field of it is strongly localized at the defect layer. In our knowledge, this is a new behavior and may have potential applications on the magnetically nonlinear phenomena. It should be noted that due to the control of the conductivity of the graphene nano-layers by change of the chemical potential, it is also possible to tune the aforementioned optical properties of the proposed structures
سالکی، زیبا
روشن انتظار، صمد، استاد راهنما
مدنی، امیر، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
