عنوان

طراحی جاذب نوری چند کاناله بلور فوتونی یک بعدی شامل شبه فلز دیراک در نوار تراهرتز

پ۲۹۳۸۸

per

طراحی جاذب نوری چند کاناله بلور فوتونی یک بعدی شامل شبه فلز دیراک در نوار تراهرتز

رویا علی فام

فیزیک

۱۴۰۱

۸۰ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

فوتونیک

۱۴۰۲/۰۵/۳۱

چکیده: اخیراً پیشرفت تکنولوژی ارتباطات برای دستیابی به مدارهای مجتمع‌ نوری افزایش یافته است. فیلترهای تمام نوری، دیودهای تمام نوری، جاذب‌های تمام نوری و... المانهایی هستند که ساخت آنها با بلورهای فوتونی عملی شده‌است. بلورهای فوتونی ساختارهای متناوب از مواد دی الکتریک یا فلز-دی الکتریک هستند و بخاطر ویژگی تناوبی آنها، خواص بازتاب و عبور متفاوتی را برای طول موج‌های مختلف فراهم می‌کنند. بلور فوتونی آرایش منظم از لایه‌های دی الکتریک است که ایجاد نقص موجب بی‌نظمی در ساختار آن می‌شود. تاثیر بی‌نظمی در ویژگی‌های اپتیکی بلورفوتونی موضوع بسیار جالب در تحقیقات نظری و تجربی شده‌است. اگر نقص‌ها به طور مناسب طراحی شوند، می‌توانند اساس بسیاری از کاربردها مانند کاواک برای لیزرها، موجبرها و جاذب‌ها باشند. علاقه روزافزون به انرژی خورشیدی در سال‌های اخیر باعث توسعه جاذب‌های نوری با کارایی بالا شده‌است. با توسعه شبیه‌سازی امواج الکترومغناطیس و فناوری پردازش میکرو-نانو، دانشمندان انواع جاذب‌های نوری کاملی را پیشنهاد کرده‌اند که می‌توانند امواج نور را بر اساس ساختارهای مختلف میکرو یا نانو، مانند فرامواد، فراسطح و بلورهای فوتونی به طور کامل جذب کنند. کاربردهای متعدد در اپتیک و اپتوالکترونیک در سراسر طیف الکترومغناطیس به جاذب‌های نوری کارآمد و فشرده نیاز دارد. برای کنترل خواص نوری جاذب‌ها از موادی با ضریب شکست قابل تنظیم مانند گرافن، بلور مایع و ... استفاده می‌شود. اخیراً از شبه فلز دیراک نیز به منظور کنترل خواص نوری بلورهای فوتونی استفاده شده‌است. شبه فلز دیراک ماده‌ای است که در آن نوارهای ظرفیت و رسانش در نقاطی بنام نقاط دیراک با یکدیگر در تماس هستند. این مواد دارای تحرک‌پذیری بالا، مقاومت مغناطیسی فوق‌العاده بالا و ویژگی های الکترونیکی عالی هستند و توسط معادله دیراک توصیف می‌شوند. با بکارگیری شبه فلز دیراک در فیلترها، جاذب‌ها و سایر سیستم‌های نوری می توان کارایی و تنظیم پذیری آنها را افزایش داد. در این پایان نامه، یک جاذب نوری بر پایه بلور فوتونی یک بعدی حاوی لایه نقص شبه فلز دیراک یا شبه فلز دیراک-دی الکتریک در نظر گرفته شده‌است و طیف عبوری آن، برای هر دو قطبشTE و TM در محدوده فرکانسی تراهرتز با استفاده از روش ماتریس انتقال در نرم افزار متلب مورد مطالعه قرار گرفته‌است. اثر عوامل مختلف مانند انرژی فرمی، زاویه تابش و پارامترهای هندسی ساختار بر روی خواص نوری آن در دمای اتاق مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته ‌است. نتایج حاصل نشان می دهد که فرکانس و میزان جذب کانالهای جذبی ساختار، شدیدا به تغییرات انرژی فرمی و زاویه تابش وابسته است. همچنین مشاهده می شود که با انتخاب پارامتر های هندسی و فیزیکی مواد تشکیل دهنده لایه نقص می توان تعداد کانالهای جذب نوری را تغییر داد.

AbstractRecently, the development of communication technology has increased to achieve optical integrated circuits. All-optical filters, all-optical diodes, all-optical absorbers, and etc. are elements that are made with photonic crystals. Photonic crystals are alternating structures of dielectric or metal-dielectric materials and due to their periodicity, they have different reflection and transmission properties for different wavelengths. A photonic crystal is a regular arrangement of dielectric layers in which the creation of defects causes disorder in its structure. The effect of disorder on the optical properties of photonic crystal has become a very interesting topic in theoretical and experimental research. If properly designed, defects can be the basis for many applications, such as cavities for lasers, waveguides, and absorbers. Recently, the increasing interest in solar energy has lead to the development of high efficiency optical absorbers. With the development of electromagnetic simulation and micro/nano processing technology, scientists have proposed a variety of perfect optical absorbers that can fully absorb light waves based on various micro or nano structures, such as metamaterials, metasurfaces, and photonic crystals. Numerous applications in optics and optoelectronics across the electromagnetic spectrum require efficient and compact optical absorbers. To control the optical properties of the absorbers, materials with an adjustable refractive index such as graphene, liquid crystal, etc. are used. Recently, Dirac semimetal have also been used to control the optical properties of photonic crystals. A Dirac semimetal is a material in which the conduction and valence bands are in contact with each other at points called Dirac points. These materials have high mobility, extremely high magnetic resistance and excellent electronic properties and are described by the Dirac equation. By using Dirac semimetal in filters, absorbers and other optical systems, their efficiency and adjustability can be increased. In this thesis, a one-dimensional photonic crystal optical absorber containing a Dirac semimetal or Dirac semimetal-dielectric defect layer is considered and the absorption spectrum of various structures has been studied for both electric and magnetic polarization in the terahertz range using the transfer matrix method in MATLAB software. The effect of various factors such as Fermi energy, radiation angle and geometrical parameters of the structure on its optical properties at room temperature has been studied and investigated. The results show that the frequency and absorption level of absorption channels of the structure are strongly dependent on Fermi energy changes and radiation angle. It can also be seen that the number of optical absorption channels can be changed by choosing the geometrical and physical parameters of the materials that make up the defect layer.

Design of multichannel one-dimensional photonic crystal optical absorber containing Dirac semimetal in terahertz band

علی فام،

‏رویا

تهیه کننده

رضائی،

ذاکرحمیدی،

‏‏بهروز

محمدصادق

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز