شهریور ماه 1392
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
بررسی و تحلیل ساختارهای انعکاس دهنده برگ در حوزه پلاسمونیک برای کاربرد قطعات پسیو
به کوشش
امیدرضا دانشمندی
 
در طراحی مدارمجتمع نوری، حد پراش کوچک­سازی عناصر نوری را محدود می­ کند. پلاسمون پلاریتون­های سطحی که در سطح مشترک فلز و دی الکتریک انتشار می­یابند بر این محدودیت غلبه می­ کنند. یکی از موضوعاتی که در این پایان نامه مطالعه می شود بررسی آزمایشگاهی موجبرهای صفحه ای و کانالی دی­الکتریک-فلز-دی­الکتریک پلاسمونیک با ساختار پلیمر-نقره-منشور است. موج پلاسمونیک به روش معروف تزویج به وسیله منشور تحریک شد. یک روش آزمایشگاهی ساده نیز برای اندازه ­گیری طول انتشار موج پلاسمونیک نیز معرفی شد. یک پدیده جالب که در آزمایش­ها مشاهده شد اثرات پراکندگی امواج سطحی پلاسمونیک در انتهای نوار نقره بودکه یک ناپیوستگی را ایجاد می کند. این پدیده می ­تواند برای تزویج بین موجبرهای معمولی سه بعدی با موجبرهای پلاسمونیک استفاده شود. در حال حاضر این موضوع تحت بررسی برای طراحی تزویجگر های هایبرید پلاسمونیک است. علاوه­بر این در این پایان ­نامه، ساختارهای متناوب برگ که به عنوان انعکاس­دهنده و فیلتر در مدارهای نوری کاربرد دارند مطالعه می­شوند. ساختارهای هایبرید پلاسمونیک برای طراحی و شبیه­سازی انعکاس­دهنده­های برگ استفاده شد. انعکاس­دهنده­های هایبرید پلاسمونیک بر پایه توری­های سینوسی و دندانه اره­ای بررسی و با توری مستطیلی که پیش از این معرفی شده است مقایسه شد. نشان داده می­شود که توری دندانه اره ای در مقایسه سه توری با هم، مشخصات بهتری از خود نشان می دهد و این توری در مقایسه با توری­های مستطیلی و سینوسی دارای اعوجاج باند عبور کمتر و عرض باند قطع باریکتری را ایجاد می­ کند. همچنین نشان داده می­شود توری سینوسی که می ­تواند به­راحتی با تکنیک­های هولوگرافی ساخته شود، در مقایسه با توری مستطیلی دارای اعوجاج باند عبور کمتر و عرض باند قطع باریکتری است. علاوه بر این، عملیات آپودیزیشن توری دندانه اره­ای هایبرید پلاسمونیک بررسی شد و مشخص شد که با بهره گرفتن از این تکنیک می­توان به کاهش بیشتر اعوجاج در باند عبور و عرض باند قطع رسید.
کلیدواژگان: پلاسمونیک، پلاسمون سطحی، موجبر، فیلتر، انعکاس دهنده برگ.
 
 
 
فهرست مطالب
 
 

عنوان
صفحه
 
فصل اول:                مقدمه2
1-1         مقدمه و اهمیت موضوع.2
1-2         مروری بر تاریخچه.5
1-3         پلاریتون و پلاسمون پلاریتون سطحی.7
1-4           پلاسمونیک و اصصل عدم قطعیت (حد پراش)9
فصل دوم:                                                     مبانی نظری ساختارهای پلاسمون پلاریتون سطحی.14
2-1           معادلات ماکسول و انتشار امواج الکترومغناطیسی14
2-2           تابع دی‌الکتریک مدل گاز الکترون آزاد فلزات19
2-3           مقایسه تابع دی‌الکتریک فلزات واقعی با تابع دی‌الکتریک مدل پلاسما23
2-4           بررسی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی در مرز فلز-عایق.27
2-4-1    معادله موج27

عنوان
صفحه
2-5             رابطه پاشندگی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی32
2-6           گسترش فضایی امواج SPPs.38
2-6-1           عمق نفوذ پلاسمون‌های سطحی40
2-6-2             طول انتشار پلاسمون­های سطحی41
2-7             بررسی خواص SPPs در سیستم‌های چند لایه.43
2-8             تحریک امواج پلاسمون سطحی در مرزهای مسطح.51
2-8-1             تزویج به کمک منشور(یا به روش بازتابش تضعیف شده کامل (ATR)).52
2-8-2            تزویج با بهره گرفتن از توری.58
2-8-3               تحریک با بهره گرفتن از پرتوهای به شدت کانونی شده.61
2-8-4               تحریک بوسیله میدان نزدیک.63
2-8-5             روش‌های تزویج کردن مناسب پلاسمونها برای مدارات مجتمع از ادوات پلاسمونیکی و فوتونیکی .65
2-9             ساختارهای هایبرید پلاسمونیک.67
2-9-1             موجبرهای هایبریدپلاسمونیک: ترکیبی از موجبر دی­الکتریک و موجبرپلاسمونیک. 69
2-9-2             تحلیل نظری موجبرهای هایبرید پلاسمونیک71
2-9-2-1               توضیح ساختار و روش آنالیز ساختار یک بعدی.72
2-9-2-2               تحلیل موجبر دو بعدی هایبرید پلاسمونیک78
2-9-2-3               روش آنالیز و چند تعریف مهم.81

عنوان
صفحه
2-9-2-4               اثر تغییرات برخی پارامترها بر روی میزان بهبود موجبر هایبرید پلاسمونیک82
2-10           بازتابشکننده یا فیلتر برگ در کاربردهای پلاسمونیک86
2-10-1           ساختار فیلترهای برگ IMI89
2-10-2           ساختار فیلترهای برگ MIM94
2-10-3           ساختار فیلترهای برگ هایبرید پلاسمونیک.97
فصل سوم: ساخت موجبرهای پلاسمونیکی و ایده­ای برای اندازه­گیری طول انتشار پلاسمون­ها 107
3-1             شبیه سازی ساختار موجبر IMIصفحه ای.101
3-2             ساخت موجبر صفحهای IMI (هوا –نقره-سیلیکا).106
3-2-1             تحریک پلاسمون­های سطحی در موجبر صفحه­ای.107
3-3             ساخت موجبر کانالی و تحریک پلاسمون های سطحی در آنها111
3-3-1               ساخت موجبر کانالی پلاسمون سطحی (سیلیکا-نقره-هوا).112
3-3-2               تحریک پلاسمون ها بر روی موجبر کانالی و مشاهده زاویه تزویج116
3-4             طراحی روشی برای اندازهگیری طول انتشار در ساختارهای IMI پلاسمونیک117
3-4-1                 روش و چیدمان اندازه گیری کننده کمره بیم تحریک کننده پلاسمونهای سطحی (بیم رسیده به قاعده منشور)119
3-4-2                 ساختار پیشنهادی برای اندازهگیری طول انتشار پلاسمون­های

عنوان
صفحه
سطحی.121
3-4-3                 تزویج نور به موجبر پلیمری به کمک منشور(بدون لایه نشانی).127
3-4-4                 بحث و بررسی داده­ ها و نتایج آزمایش130
3-4-5                 راهکارهای افزایش دقت در روش پیشنهادی اندازه ­گیری طول انتشار.131
فصل چهارم: شبیه­سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک.134
4-1           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی138
4-2           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی.140
4-3           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای145
4-4           شبیه سازی کاهش اعوجاج در انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای.149
فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات.153
مراجع155
 
 
 
 
فهرست جدول­ها
 
 

عنوان وشماره
صفحه
 
جدول ‏2‑1: اثرات تغییر در ابعاد مختلف موجبر بر روی مشخصه­های آن84
جدول ‏3‑1: مشخصات محیط­های ساختار کرشمن در شبیه­سازی.102
جدول ‏3‑2: مقادیر زاویه­های تزویج و طول انتشار اندازه ­گیری شده در آنها131
جدول ‏4‑1: مقادیر محاسبه شده قسمت حقیقی ضریب شکست موثر برای مد هایبرید ساختار، براساس ضخامت لایه گپ و ارتفاع لایه سیلیکن136
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل­ها
 
 

شماره و عنوان
صفحه
 
شکل ‏1‑1: نمودار فراوانی تعداد مقالات چاپ شده در مجله NATURE در مباحث پلاسمون و فوتونیک کریستال7
شکل ‏1‑2: سطح عدد موج برای (a)یک امواج اپتیکی سه بعدی (b) امواج اپتیکی دو بعدی10
شکل ‏1‑3: نمونه­ای از امواج اپتیکی دو بعدی.11
شکل ‏2‑1: تابع دی الکتریک (2-26)گاز الکترون آزاد (منحنی پیوسته) و نتایج حاصل از اندازه ­گیری­های جانسون و کریستی(منحنی­های نقطه چین).گذار های بین باندی اعتبار مدل درود را در فرکانس­های مرئی و بالاتر محدود می­ کند[8]24
شکل ‏2‑2: قسمت حقیقی(نمودار سمت چپ) و قسمت موهومی(نمودار سمت راست) مربوط به فلز طلا متناظر با معادله (2-26)25
شکل ‏2‑3: قسمت های حقیقی و موهومی فلز نقره. منحنی نقطه چین نتایج حاصل از اندازه گیری جانسون و کریسیتی و منحنی پیوسته نتایج حاصل از مدل درود را نشان می دهد[8].25
شکل ‏2‑4: ساختار یک موجبر مسطح که در آن موج در دستگاه مستطیلی در راستای x منتشر می شود29

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏2‑5: مرز مشترک بین یک فلز و یک دی­الکتریک ساده­ترین ساختار برای انتشار SPPs است.33
شکل ‏2‑6: منحنی پاشندگی برای سطح مشترک یک فلز با مدل درود با ضریب خاموشی ناچیز و دی­الکتریک هوا(منحنی خاکستری رنگ) و دی الکتریک سیلیکا(منحنی سیاه رنگ)37
شکل ‏2‑7: رابطه پاشندگی SPPs در مرز نقره-هوا (منحنی خاکستری رنگ) و نقره-سیلیکا (منحنی سیاه رنگ)، با درنظر گرفتن قسمت موهومی تابع دی­الکتریک نقره[8]42
شکل ‏2‑8: ساختار یک سیستم سه لایه که در آن یک لایه نازک(محیط ) بین دو لایه ضخیم(محیط و محیط ) قرار گرفته است43
شکل ‏2‑9: نمایش مولفه x میدان الکتریکی برای مدهای زوج و فرد47
شکل ‏2‑10: منحنی پاشندگی مدهای فرد و زوج برای ساختار سه لایه هوا-نقره-هوا با ضخامت لایه فلزی 100nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و با ضخامت 50nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی ساختار پایه نقره-هوا (منحنی پیوسته). برای تابع دی­الکتریک نقره از مدل درود با ترم موهومی ناچیز استفاده شده است48
شکل ‏2‑11: منحنی پاشندگی برای مد تزویج شده اصلی در ساختار سه لایه نقره-هوا-نقره با ضخامت لایه هوا میانی 100 nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و 50 nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ) و 25 nm (منحنی پیوسته سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی پلاسمون سطحی در یک سطح مشترک نقره-هوا (منحنی پیوسته خاکستری رنگ) و خط پاشندگی نور در هوا (خط خاکستری رنگ) رسم شده است.50
شکل ‏2‑12: بازتاب کامل نور در داخل منشور. منشور یک محیط عایق یا تابع دیالکتریک است که اطراف آن هوا یا خلا با تابع دیالکتریک است53
شکل ‏2‑13: (a) ساختار اتو. یک لایه نازک هوا بین منشور و سطح فلز وجود دارد. (b) منحنی پاشندگی یک سطح مشترک نقره-هوا همراه با خط پاشندگی در هوا (خط چین) و در محیط

شماره و عنوان
صفحه
منشوری که از جنس سیلیکا (نقطه چین) است. در نقطه A یک مد SPP با بردار موج   توسط نوری با فرکانس   و زاویه تابش   تحریک شده است.54
شکل ‏2‑14: (a) ساختار کرشمن-ریچر. فلز بر روی منشور لایه نشانی شده است. (b) منحنی پاشندگی سطح مشترک نقره-هوا و نقره-منشوهمراه با خط پاشندگی نور در هوا (خط چین) و در منشور از جنس سیلیکا (نقطه چین). نور تابشی می تواند یک مد SPP را در نقطه Aتحریک کند55
شکل ‏2‑15: دیاگرام برداری فرایند تزویج نور روی سطح فلز به کمک توری .60
شکل ‏2‑16: دیاگرام برداری فرایند دکوپلینگ نور از سطح فلز به کمک توری.60
شکل ‏2‑17: ساختاری برای تحریک پلاسمون های سطحی با بهره گرفتن از میکروسکوپ شیء و آشکار کردن آن از طریق امواج نشتی62
شکل ‏2‑18: (a) شدت امواج نشتی ناشی از تحریک توسط میدان با قطبشTM که نشان دهنده انتشار پلاسمونهای سطحی از نقطه تحریک است. (b) با توجه به اینکه تحریک توسط میدان با قطبش TE است تحریک پلاسمونها انجام نشده است63
شکل ‏2‑19: تحریک پلاسمون­های سطحی با بهره گرفتن از میدان­های نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج64
شکل ‏2‑20: یک چیدمان معمول برای اعمال یا اندازه گیری میدان نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج که برای تحریک و اندازه ­گیری پلاسمون­های سطحی استفاده می­شود. (a) تصویر SEM از روزنه یک پروب. (b)و© دو چیدمان معمول از تحریک و آشکارسازی پلاسمون­های سطحی از طریق نور منتشر شده داخل زیرلایه در میدان دور . (d)تصویر یک لایه نازک نقره65
شکل ‏2‑21: تحریک پلاسمون­های سطحی منتشر شده بر روی سطح موجبر پلاسم.نیک با بهره گرفتن از روش Fiber Taper. شدت توان انتقالی از فیبر در طول موج 1590 nm به شدت

شماره و عنوان
صفحه
کاهش یافته که ناشی از تحریک پلاسمون­ها است.67
شکل ‏2‑22: (a) نمایی از موجبر هایبرید. (b)و©توزیع چگالی توان بهترتیب برای مد TM و TE ابعاد موجبر برابر است. (d) توزیع چگالی توان برای مد TM با ابعاد . طول موج نور 1550nm است.70
شکل ‏2‑23: چگونگی ایجاد یک مد هایبرید با تزویج مدهای دی­الکتریک و پلاسمون سطحی. (a)ساختار موجبر (b) چگالی توان نرمالیزه شده. در این ساختار ابعاد چنین است: . طول موج نورنیز 1550nm می­باشد.72
شکل ‏2‑24: مقایسه توزیع چگالی توان نرمالیزه شده برای مد هایبرید و مد پلاسمون سطحی با تلف انتشاری یکسان73
شکل ‏2‑25: ساختار پایه موجبر هایبرید پلاسمونیک.77
شکل ‏2‑26: (a)ساختار موجبر هایبرید پلاسمونیک دو بعدی. (b)چگالی توان نرمالیزه شده در موجبر79
شکل ‏2‑27: ساختارهای گوناگون هایبرید پلاسمونیک که در سال­های اخیر معرفی شده ­اند.80
شکل ‏2‑28: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر © اندازه مد.83
شکل ‏2‑29: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر © اندازه مد.83
شکل ‏2‑30: تغییرات (a) اندازه مدی (b)طول انتشار و قسمت حقیقی ضریب شکست موثر بر حسب تغییر طول موج برای موجبر هایبرید پلاسمونیک با ابعاد .85
شکل ‏2‑31: نمایی از ساختار و عملکرد فیلتر برگ در طول موج­های باند عبور و باند قطع86

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏2‑32: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ برحسب طول­موج و نوار گاف مرکزی آن.88
شکل ‏2‑33: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ با یک نقص در مرکز آن برحسب طول­موج و تشکیل یک حفره تشدید در مرکز نوار گاف آن.89
شکل ‏2‑34: ساختارهای فیلتر برگ IMI (a)توری گاف فلزی. (b) توری عرض پله ای نوار فلزی و © تعریف مشخصات دوره تناوب آن.90
شکل ‏2‑35: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI گاف فلزی در طول توری­های مختلف (a)منحنی انتقال (b)منحنی بازتابش.92
شکل ‏2‑36: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI عرض پله ای نوار فلزی در طول توری­های مختلف (a)منجنی انتقال (b)منحنی بازتابش93
شکل ‏2‑37: دو ساختار معمول فیلتر برگ MIM. (a) ساختار توری گاف دی­الکتریک (b) ساختار توری پله­ای نوار دی­الکتریک94
شکل ‏2‑38: (a) ساختار یک دوره تناوب توری گاف دی­الکتریک (b) ساختار یک دوره تناوب توری پله­ای نوار دی­الکتریک © تابع انتقال آنها بر اساس مشخصات ابعادی مختلف ساختار MIM96
شکل ‏2‑39: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک همراه با نمایش یک دوره تناوب آن.98
شکل ‏2‑40: نمودار طیف انتقال برحسب طولموج فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک در سه مقدار متفاوت 99
شکل ‏3‑1: نمودار طول انتشار بر حسب طول موج تحریک برای فلزات نجیب. داده ها بر اساس ضریب شکست­های ارائه شده توسط پالیک[11, 35] و جانسون-کریستی [10] می­باشد103
شکل ‏3‑2: ساختار کرشمن پیاده­سازی شده در نرم افزار همراه با لایه PML در اطراف آن.104
شکل ‏3‑3: مولفه z میدان مغناطیسی (a)ساختار کرشمن بدون مرز PMC (b) همراه با مرزPMC و بهبود نمایش میدان 106
شکل ‏3‑4: چیدمان آزمایشگاهی تحریک پلاسمون­های سطحی با ساختار کرشمن.109

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏3‑5: شدت بازتابش از سطح موجبر صفحه ای برحسب تغییر زاویه ی تابش111
شکل ‏3‑6: مراحل لایه­نشانی موجبر کانالی به روش لیتوگرافی (a) ویفر سیلیکن-سیلیکا.(b) لایه نشانی ماده فوتورزیست بر روی زیرلایه. ©و (d) نوشتن موجبرکانالی به عرض 8 میکرومتر بر روی ماده فوتورزیست. (e) لایه نشانی کروم و نقره بر روی ماده فوتورزیست . (f) پاک کردن قسمت­های تحت تابش نبوده ماده فوتورزیست و باقی ماندن نوار فلزی . (g) ایجاد موجبر سیلیکا-نقره-هوا.113
شکل ‏3‑7: دستگاه لایه نشانی چرخشی و محل قرار گرفتن زیرلایه114
شکل ‏3‑8: چیدمان موجبر نویس با بهره گرفتن از تابش مستقیم بیم باریک شده لیزر.114
شکل ‏3‑9: تصویر موجبر پلاسمونیکی با پهنای 8 میکرومتر و ضخامت 40نانومتر که در شکل به صورت نوار روشن قابل رویت است.115
شکل ‏3‑10: شدت بازتابش از سطح موجبر کانالی با پهنای 8 میکرومتر برحسب تغییر زاویه تابش و مشاهده زاویه تزویج116
شکل ‏3‑11: چیدمان آزمایشگاهی لازم برای اندازه ­گیری کمره بیم تابیده شده به قاعده منشور.119
شکل ‏3‑12: نمودار شدت بیم رسیده به آشکارساز بر حسب تفییر فاصله زاویه قائم منشور از محل تابش بیم به قاعده آن.120
شکل ‏3‑13: منشور قائم الزاویه SF6 که کروم و نقره بر روی قاعده آن لایه نشانی شده است.121
شکل ‏3‑14: چیدمان آزمایشگاهی اندازه ­گیری زاویه های تزویج با ساختار اتو در موجبر (منشور-نقره-پلیمر).122
شکل ‏3‑15: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکار­ساز در چیدمان شکل (3-14)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور.123
شکل ‏3‑16: تصویر مادون قرمز مد نوری انتشاری در موجبر پلیمری که توسط پلاسمون­های سطحی تحریک شده است124

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏3‑17: چیدمان اندازه ­گیری شدت مد نوری ناشی از پراکندگی SPPs.125
شکل ‏3‑18: تصویر چیدمان شکل (3-17) در آزمایشگاه.126
شکل ‏3‑19: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمون­ها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 32 درجه126
شکل ‏3‑20: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمونها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 35 درجه127
شکل ‏3‑21: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل ((3-14)که منشور بدون لایه­نشانی فلزی باشد)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور128
شکل ‏3‑22: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه تزویج 34