۲۰۲۵۷پ
per
بررسی امواج سطحی غیرخطی در ساختارهای لایهای گرافنپایه
Investigation of Nonlinear Surface Waves in Graphene-based Layered Structures
/بابک توکلی مقدم
: فیزیک
، ۱۳۹۶
، افشار
۱۲۶ص
چاپی - الکترونیکی
کارشناسی ارشد
فیزیک
۱۳۹۷/۰۶/۱۹
تبریز
پلاسمون پلاریتونهای سطحی یا امواج سطحی به عنوان ابزاری بسیار حساس برای مطالع ویژگیهای فیزیکی سطوح شناخته شدهاند که کاربردهای بسیاری در زمین اپتیک غیرخطی، مدولاتورهای نوری، حسگرهای زیستی فوق حساس و فرامواد دارند .امواج سطحی در بلور های فوتونی با تغییر مقیاس لایههای دیالکتریک میتوانند در هر ناحی فرکانسی وجود داشته باشند .در بسیاری از مطالعات اخیر، کنترل پذیری امواج سطحی و خواص اپتیکی و تراگسیلی ساختارهای لایهای با عوامل بیرونی در ناحیه فرکانسی مطلوب، مورد توجه قرار گرفته است .گرافن مادهای است که خواص نوری آن از طریق تغییر پتانسیل شیمیایی قابل کنترل است .همچنین انتشار امواج الکترومغناطیسی با فرکانسهای تراهرتز و مادون قرمز در بلورهای فوتونی حاوی گرافن نسبت به ساختارهای شامل فلزات، نیمه رساناها و ابررساناها با اتلاف کمتری همراه است .از این رو در پاشندگی امواج سطحی، رسانندگی سطحی گرافن یک عامل کنترلی محسوب میشود و میتوان ساختار نواری ایجاد کرد که توسط ولتاژ گیت کوک‌پذیر باشد .از طرفی تغییر شدت چشمه میتواند پاسخ غیرخطی مواد و متعاقب آن پاسخ ادوات اپتیکی را تغییر دهد .بنابراین در این رساله به بررسی نظری و تحلیل عددی پاشندگی پلاریتونهای سطحی غیرخطی پرداخته شده است .بررسی ساختارهای لایهای گرافن پایه غیرخطی برای دستیابی به مدهای انتشاری و همچنین کوک پذیری این مدها انجام گرفته است .بدین منظور از روش ماتریس انتقال برای مطالعه پاشندگی و ساختار نواری استفاده شده است و پروفایل میدان برای بررسی جایگزیدگی این مدها بکار رفته است .سه ساختار اساسی مورد بررسی قرار گرفته است .در ساختار اول، بلور فوتونی گرافنپایه با یک محیط نیمه نامتناهی غیرخطی از نوع کر هم مرز است .در این ساختار، منحنی پاشندگی امواج سطحی دارای دو شاخهی بالا و پایین است که مدهای شاخهی بالا جایگزیدهتر هستند .تغییرات شدت، موجب جابه‌جایی افقی منحنی پاشندگی مدهای سطحی غیرخطی در گاف گرافن میشود .افزایش شدت، موجب جایگزیدگی بیشتر مدهای شاخهی پایین میشود .افزایش پتانسیل شیمیایی منجر به جابه‌جایی مدها به سمت فرکانس های بالاتر و جایگزیدگی مدها در هر دوشاخه بالا و پایین میشود .بطور کلی، کنترل فرکانس مدهای سطحی غیرخطی از طریق دو کمیت کنترلی یعنی شدت و پتانسیل شیمیایی امکان پذیر است .در مشخصه یکسان از مدهای سطحی، مد پایین دارای شارش انرژی کل بیشتری نسبت به مد بالا است .شارش انرژی کل با افزایش پتانسیل شیمیایی گرافن روند رو به رشد شدیدی نشان میدهد .به ازای پتانسیل شیمیایی معین و مقدار شارش انرژی ثابت، دو مد بالا و پایین میتوان تعیین کرد که نتیجهی مستقیم غیرخطیت ساختار است .در ساختار دوم که کلاهک بلور فوتونی، غیرخطی از نوع کر است افزایش ضخامت کلاهک غیرخطی، منجر به جابه‌جایی منحنی پاشندگی به سمت فرکانسهای بالاتر در گاف براگ میشود .در حالی که در گاف گرافنی، منحنی پاشندگی به سمت فرکانسهای پایینتر جابه‌جا میشود .مدهای گاف گرافن جایگزیدهتر از مدهای گاف براگ هستند .طول جایگزیدگی مدهای سطحی در گاف گرافن تقریبا مستقل از ضخامت کلاهک است، در حالی که مدهای سطحی در گاف براگ به ضخامت کلاهک و فرکانس مدها کاملا وابستهاند .با افزایش شدت، منحنی پاشندگی در گاف گرافن تقریبا مستقل از شدت است ولی مدهای سطحی در گاف براگ، جابه‌جایی قابل توجهی به سمت فرکانسهای بالاتر دارند .طول جایگزیدگی در هر دو گاف تقریبا ثابت و مستقل از شدت است .با افزایش پتانسیل شیمیایی صفحات گرافن، منحنی پاشندگی در هر دو گاف به طرف فرکانسهای بالاتر جابه‌جا میشود که این جابه‌جایی برای گاف گرافن ناچیز است .با افزایش پتانسیل شیمیایی، نمودار شارش انرژی روند نزولی از خود نشان میدهد .در ساختار سوم، کلاهک بلور فوتونی شامل N صفحه گرافن غیرخطی از نوع‌کر است .تغییر ضخامت کلاهک تاثیر بسیار جزئی بر منحنی پاشندگی امواج سطحی در گاف گرافن دارد، درحالی که در گاف براگ با افزایش ضخامت به سمت فرکانسهای بالاتر جابه‌جایی شدید است .منحنی پاشندگی در گاف گرافن تک شاخه است در صورتی‌که در گاف براگ دارای دو شاخه یا بیشتر میباشد .مدهای بالا جایگزیدهتر از مدهای پایین هستند .با افزایش شدت، امواج سطحی تا حدودی جایگزیدهتر می‌شوند .چنانچه فرکانس منبع ثابت باشد امواج سطحی دلخواه را میتوان با تغییر همزمان کمیت و شدت موج فرودی به دست آورد .با افزایش پتانسیل شیمیایی، منحنی پاشندگی به صورت افقی جابه‌جا میشود و میتوان آن را بعنوان کمیتی دیگر برای تنظیم مدهای سطحی در فرکانسهای دلخواه در نظر گرفت .تغییر پتانسیل شیمیایی بر ساختار میدان الکتریکی مدها تاثیر چندانی ندارد .با کاهش تعداد صفحات گرافن در کلاهک، برای برخی از فرکانس‌ها امکان وجود مدهای سطحی از بین میرود .با افزایش تعداد صفحات گرافن در کلاهک، جایگزیدگی مدهای سطحی غیرخطی برای شاخهی پایین کاهش می‌یابد .درحالی‌که جایگزیدگی مدهای سطحی غیرخطی در شاخهی بالا تقریبا بدون تغییر باقی میماند
Surface plasmon polaritons or so-called surface electromagnetic waves are known as an extremely sensitive tool for studying the physical features of the surfaces, which have many applications in nonlinear optics, ultra-sensitive optical sensors, optical modulator and metamaterial. Surface waves in photonic crystals can be found in any frequency region by varying the scale of the dielectric layers. In recent studies, control of the surface waves as well as optical and transmission properties of layered structures with external factors in the desired frequency region have been considered. Graphene is a material whose optical properties are controlled by changing the chemical potentials. Also, the propagation of light with terahertz and infrared frequencies in graphene-based photonic crystals is associated with a lower loss than metals, semiconductors, and superconductors. Hence, graphene surface conductivity is considered as a controlling factor in the dispersion of the surface waves and it is possible to create a band structure tuned by the gate voltage. On the other hand, the change in the intensity of the source can alter the nonlinear response of the material and subsequently change the response of the optical devices. Therefore, this thesis deals with the theoretical and numerical analysis of the dispersion of the nonlinear surface waves. The nonlinear graphene-based structures have studied to achieve the propagation surface modes and the way how to tuning these modes. For this purpose, the transfer matrix method has been used to study the dispersion and band structure, and the field profile has been used to check the localization of these modes. Three basic structures have been investigated. In the first structure, the graphene-based photonic crystal is bounded by a semi-infinite nonlinear medium. The results show that the dispersion curve of the surface waves has two branches upper and lower in which modes of the upper branch are more localized. The changing of the intensity causes the horizontal displacement of the nonlinear surface modes in the graphene gap. Increasing the intensity leads to more localization of the lower branch modes. Also, increasing the chemical potential result in the displacement of the modes towards higher frequencies and more localization of the modes in both branches upper and lower. In general, it is possible to active controlling the frequency of the nonlinear surface modes by two parameters the intensity and the chemical potential. In the same characteristic of surface modes, the lower mode has a greater total energy flow than the upper mode. With increasing the chemical potential of the graphene, total energy flow shows an increasing trend. As a result of the nonlinear structure, two upper and lower modes can be determined for a given chemical potential and constant amount of energy flow. In the second structure, which graphene-based photonic crystal is capped by a Kerr-type nonlinear cap layer, the results show that the increase in the thickness of the nonlinear cap layer leads to the displacement of the dispersion curve towards higher frequencies in the Bragg gap. While the dispersion curve moves toward lower frequencies in the graphene gaps. The modes in the graphene gap are more localized than the Bragg gaps. The localization length of surface modes in the graphene gap is almost independent of the thickness of the cap layer, while surface modes in the Bragg gap are completely dependent on the thickness of the cap and the frequency of the modes. With increasing intensity, the dispersion curve in the graphene gap is almost independent of intensity, but superficial modes in the Bragg gap have a significant shift towards higher frequencies. The length of the localization in both gaps is almost constant and independent of intensity. By increasing the chemical potential of graphene sheets, the dispersion curve in both gaps is moved to higher frequencies, which is small for the graphene gaps. The total energy flow shows a downward trend with increasing the chemical potential. In the third structure, the photonic crystal cap includes N sheets of nonlinear graphene of Kerr-type. The change in the thickness of the cap has a very small effect on the surface-wave dispersion curve in the graphene gap, while in the Bragg gap, the dispersion shifts intensely to higher frequency with thickness increase. In general, the dispersion curve has single-branch in the graphene gap while it has two or more branches in Bragg gaps. The upper modes are more localized than the lower modes. For a fixed source frequency, the desired surface waves can be obtained by simultaneously changing the quantity of and the intensity of the incident wave. The dispersion curve is moved horizontally with increasing the chemical potential and can be considered as another parameter for adjusting the surface modes at desired frequencies. The change in chemical potential does not affect the structure of the electric field of the modes. The surface modes disappears for some frequencies by reducing the number of graphene sheets in the cap. the localization of non-linear surface modes decreases for the lower branch with the increase in the number of graphene plates inside the cap while it remains almost unchanged for the modes in the upper branch
Investigation of Nonlinear Surface Waves in Graphene-based Layered Structures
توکلی مقدم، بابک
Tavakkoly Moghaddam , Babak
صفری، ابراهیم، استادراهنما
روشن انتظار، صمد، استاد راهنما
مدنی، امیر، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
