عنوان پایان‌نامه
مدلسازی دینامیکی فرایندهای الکترواپتیک در باند تراهرتز
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده برق و کامپیوتر شماره ثبت: E2004;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 51301;کتابخانه دانشکده برق و کامپیوتر شماره ثبت: E2004
- تاریخ دفاع
- ۱۳ مهر ۱۳۹۰
- دانشجو
- عباس چیمه
- استاد راهنما
- محمود شاه آبادی, مجتبی دهملائیان
- چکیده
- در این پایان‌نامه به مدلسازی اثرات الکترواپتیک ساختارهای فلزی در باند تراهرتس پرداخته‌ایم. در فرآیندهای الکترواپتیک باند تراهرتس، یک موج نوری به همراه یک موج تراهرتس از یک محیط مادی غیرخطی عبور می‌کنند. به علت خواص غیرخطی محیط مادی، موج نوری توسط موج تراهرتس مدوله می‌شود. مدوله شدن موج نوری توسط موج تراهرتس این امکان را فراهم می‌آورد که بتوانیم امواج تراهرتس را به کمک آشکارسازهای نوری آشکار کنیم. در این‌پایان نامه برای ایجاد اثر الکترواپتیک از یک ساختار متناوب متشکل از ذرات نانومتری فلزی استفاده کرده‌ایم. این گونه ساختارها نسبت به دیگر مواد دارای خواص الکترواپتیک، دارای این مزیت هستند که می‌توان خواص الکترواپتیک آن‌ها را مهندسی نمود. از این رو تمرکز اصلی پایان‌نامه بر ارائه مدلی فیزیکی برای تحلیل و شبیه‌سازی اثرات الکترواپتیک این ساختارها بوده‌است. مسئله اساسی در ارائه چنین مدلی، مدلسازی برهم‌کنش غیرخطی میدان‌های الکترودینامیک و فلز است. برای حل این مسئله، مدل الکترون آزاد - که یک مدل خطی از برهم کنش میدان های الکترودینامیک و فلز است - را به یک مدل غیرخطی از برهم کنش میدان های الکترودینامیک و فلز توسعه داده‌ایم. این توسعه با افزودن اثرات غیرخطی ناشی از همرفت الکترون‌های آزاد و برهم‌کنش الکترون‌های آزاد با میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خارجی به مدل الکترون آزاد انجام شده‌است. برای پی‌گیری این توسعه به صورت سیستماتیک، مسئله مدلسازی برهم‌کنش غیرخطی میدان‌های الکترودینامیک با فلزات، را به دو بخش مدلسازی الکترودینامیکی و مدلسازی مکانیکی تفکیک کرده و در ارائه مدل مکانیکی کلاسیک برای دینامیک غیرخطی الکترون‌های از قوانین بقا برای سیستم‌های مکانیکی استفاده کرده‌ایم. از آنجا که می‌خواستیم مدل ارائه شده به صورت عددی قابل پیاده‌سازی باشد، مدل میکروسکوپی ذره ای فلز را با استفاده از میانگین‌گیری به یک مدل پیوسته با قابلیت پیاده سازی محاسباتی تبدیل کرده‌ایم. برای حل عددی معادلات دیفرانسیلی حاصل از مدل پیوسته ارائه شده، یک روش عددی از نوع تفاضل محدود ارائه کرده‌ایم. در ادامه برای بررسی عملکرد مدل و روش عددی ارائه شده، رفتار غیرخطی ساختارهای متناوب متشکل از ذرات نانومتری فلزی در باند نوری شبیه سازی شده و نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج اندازه گیری‌های گزارش شده در مقالات اخیر، مقایسه شده است. پس از اطمینان از عملکرد مناسب مدل در باند نوری، خواص الکترواپتیک ساختارهای متناوب متشکل از ذرات نانومتری فلزی در باند تراهرتس را شبیه‌سازی کرده‌ایم. نتایج حاصل از این شبیه‌سازی نشان می دهد که می‌توان از این نوع از ساختارهای متناوب فلزی برای آشکارسازی امواج تراهرتس استفاده کرد.
- Abstract
- The proposed work deals with the modeling of the electro-optic effect as observable in metals in the THz frequency band. By THz electro-optic effects we mean the interaction between a THz wave and an optical wave within a nonlinear medium. The nonlinearity of the medium causes modulation of the optical wave by the THz wave. As a consequence of this modulation, the THz wave can be detected through measurement on the modulated optical wave. Periodic arrangements of metallic nanoparticles are proposed as an artificial medium showing electro-optic effects with the advantage that its electro-optic properties can be engineered. Therefore, our main effort is concentrated on modeling the electro-optic effects in these structures. Such a model should involve nonlinear interaction between electrodynamic fields and electrons. For this purpose, we have extended the linear classical free electron model to encompass the nonlinear characteristics of metals. This has been carried out by adding nonlinear terms due to the convection of free electrons and the Lorentz force. Subdividing the interaction model into electrodynamic and mechanical constituents, we employ conservation laws of classical mechanics to treat the latter, and Maxwell’s equations for the former. To facilitate computational implementation, the particle-based description is converted to its continuous counterpart by averaging over a sufficiently large number of particles. To solve the partial differential equations of the continuous model, a finite-difference scheme is proposed. We have computed the optical (linear and nonlinear) response of the array of metallic nanoparticles to verify both the model and the numerical algorithm. Finally, the THz electro-optic processes in these metallic periodic structures are investigated. The obtained numerical results show that these nanostructures are applicable to detection of THz waves.__
