عنوان پایان‌نامه
بررسی تئوری و بهینه سازی تصویر برداری میکروسکوپی مبتنی بر اسکن میدان نزدیک بدون روزنه در باند تراهرتز
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2903;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73666
- تاریخ دفاع
- ۲۹ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- احد محبی کلوانق
- استاد راهنما
- محمد نشاط
- چکیده
- یکی از محدودیت‌های اساسی در حوزه تصویربرداری تراهرتز و نوری که از ماهیت موجی بودن نور نشات می‌گیرد و با حد تفرق رَلی شناخته می‌شود، وضوح فضایی محدود به نصف طول‌موج است. این وضوح برای مطالعه سلول‌های زیستی، حامل‌های سیار در نانوافزاره‌های نیمه‌هادی، و نیز پدیده‌های انتقال حرارات و تداخل الکترومغناطیسی در مدارهای نانوالکترونیک، البته ناکافی است. در چند دهه اخیر، تلاش‌های فراوانی در معرفی و توسعه تکنیک‌هایی برای غلبه بر این محدودیت پایه‌ای انجام شده است؛ از آن جمله می‌توان به روش‌های مبتنی بر استفاده از میدان نزدیک، که ایده آشکارسازی امواج میراشونده را در میان دارد، اشاره نمود. در این پایان‌نامه، با تاکید بر روی جنبه‌های بنیادین میدان نزدیک، به بررسی، تعمیق، و یکسان‌سازی تعاریف پایه‌ای مرتبط با آن می‌پردازیم. حد تفرق و منشأ نظری آن، ضرورت تصویربرداری میدان نزدیک، امکان دستیابی به وضوح زیر طول‌موجی و عدم مغایرت آن را با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ تحقیق می‌کنیم. تکنیک‌های مرسوم و بدیع در زمینه تصویربرداری میدان نزدیک تراهرتز را که تاکنون توسعه یافته‌اند، مرور می‌کنیم، و با چند نمونه از کاربردهای آنها در حوزه‌های مختلف علوم و فناوری آشنا می‌شویم. در ادامه این پژوهش و با هدف بررسی اصول و تئوری‌های حاکم بر سیگنال‌های میدان نزدیک، ابتدا تابش یک دوقطبی را در مجاورت نیم‌فضا با بهره‌گیری از نمایه انتگرال‌های سامرفلد فرمول‌بندی می‌کنیم. سپس به بررسی انواع مدل‌سازی‌های نمونه‌بردار در تکنیک تصویربرداریِ با نمونه‌بردارهای بدون روزنه می‌پردازیم. آنگاه با معرفی روش‌های آشکارسازی بدون تداخل‌سنجی و با تداخل‌سنجی، عملکرد آنها را مقایسه می‌نماییم. آنالیز تحلیلی و عددی سیگنال‌های هموداین و هتروداین ارائه، و روش‌های افزایش تضاد، حذف سیگنال پس‌زمینه و افزایش نسبت سیگنال به پس‌زمینه بیان می‌شوند. در پایان، با تشریح فرایند طراحی چند نمونه از نمونه‌بردارهای میدان نزدیک، قابلیت تصویربرداری آنها را مورد تحقیق قرار می‌دهیم. واژه‌های کلیدی: حد تفرق رَلی، میدان نزدیک، میدان پس‌زمینه، تضاد، انتگرال سامرفلد، مسیر بیشینه شیب (مسیر فاز-ثابت)، تداخل‌سنجی، هموداین، هتروداین.
- Abstract
- One of the fundamental limitations in terahertz and optical imaging, is the spatial resolution limited to half of the wavelength which is caused by the wave nature of light and is known as the Rayleigh diffraction limit. Such resolution is insufficient for the study of many objects and phenomena including biological cells, mobile carriers in semiconductor nano-devices, as well as heat transfer and electromagnetic interference phenomena in nano-electronic circuits. In recent decades, some efforts have been made to introduce and develop techniques to overcome this limitation, including methods based on using near-field and detecting evanescent waves. In this thesis, with an emphasis on the fundamental aspects of the near-field technique, we reviewed, investigated, and worked on a harmonized set of basic definitions associated with near-field imaging. The diffraction limit and its theoretical origin, the applications of near-field imaging, possibility to achieve sub-wavelength resolution in accordance with Heisenberg uncertainty principle have been explored. We reviewed classical and new techniques in near-field terahertz imaging, and discussed some examples of their applications in various fields of science and technology. In this study, to determine the principles and theories of the near-field signals, we formulated dipole radiation in the vicinity of a half-space using representation of Sommerfeld integrals. Then, we investigate tip modeling in apertureless scanning near-field optical microscopy. Besides, by introducing detection methods based on non-interferometry and interferometry, their performances are compared. Analytical calculations of heterodyne and homodyne signals are presented. In addition, methods of enhancing contrast, removing background signal and increasing signal-to-background ratios are studied. Finally, by describing the design process of three near-field imaging probes, their capabilities are investigated. Keywords: Rayleigh diffraction limit, near-field, contrast, Sommerfeld integral, steepest descent path (constant-phase path), interferometry, homodyne, heterodyne.
