عنوان پایان‌نامه
تحلیل و بهینه سازی سوپر لنزهای دو بعدی پلازمونیک با روش معادلات انتگرالی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2474;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 63741
- تاریخ دفاع
- ۳۰ تیر ۱۳۹۳
- دانشجو
- مهسا درویش زاده ورچه ئی
- استاد راهنما
- رضا فرجی دانا
- چکیده
- ساختارهای نانو مقیاس پلازمونی، کاربردهای وسیعی در اپتیک و فوتونیک دارند، از جمله : نانو لیتوگرافی، حسگرهای پزشکی، فوتو ولتاییک، مدارهای مجتع فوتونیک، ذخیره سازی نوری اطلاعات، میکروسکوپ های نوری میدان نزدیک، و پردازش اطلاعات کوانتومی. ساختار پلازمونی مورد بررسی در این پایان نامه، یک سوپرلنز است. سوپرلنز از یک تیغه ی فلزی که بین دو عایق قرار گرفته است، تشکیل می شود. این تیغه می تواند تصاویری از اجسامی که در نزدیکی آن هستند، بدون درنظر گرفتن محدودیت تفرق که یکی از مشکلات سیستم های تصویربرداری است، تشکیل دهد. در نتیجه، می توان از آن در کاربردهایی مانند نانولیتوگرافی، که در آن تفکیک پذیری زیرطول موج مطلوب است، استفاده نمود. اگر از ترکیب فلز و عایق به صورت چندلایه استفاده کنیم، کیفیت تصویربرداری سوپرلنز بهتر می شود. در این پایان نامه، ابتدا سیر تحولی سوپرلنزها مورد مطالعه قرار گرفته است. پس از آن، با تحلیل عددی سوپرلنز متشکل از یک لایه فلز در طول موج های 356 نانومتر و 633 نانومتر، اهمیت استفاده از ساختارهای متشکل از چندلایه فلز برای طول موج های مرئی مشخص شده است. سپس ساختاری چندلایه متشکل از فلز و عایق در طول موج 633 نانومتر برای تشخیص یک نوار و دو نوار به عنوان شی مورد تصویربرداری پیشنهاد و مورد تحلیل قرار گرفته است. با استفاده از بهینه سازی PSO ساختار پیشنهاد شده، بهینه شده تا حداقل فاصله ی میان دو نوار به منظور شناسایی به عنوان دو شی مستقل بدست آورده شود. در تحلیل های عددی ارائه شده در این پایان نامه، مراحل زیر طی شده است. ابتدا با استفاده از روش ماتریسی مدار معادل خط انتقال، تابع گرین حوزه ی طیف به دست آمده و پس از آن با استفاده از روش تصاویر مختلط و اتحاد سامرفلد، تابع گرین حوزه ی مکان محاسبه شده و صحت آن با بررسی مثال هایی با حالت انتگرال گیری مستقیم عددی تأیید شده است. در گام بعد با استفاده از روش تطبیق نقطه ای ممان، جریان مؤثر حجمی مغناطیسی روی جسم مورد تصویربرداری با بهره گیری از معادله¬ی انتگرالی MFIE محاسبه شده و با استفاده از آن اندازه ی میدان مغناطیسی در صفحه ی مشاهده بدست آمده است. تمامی نتایج حاصل از تحلیل های عددی با استفاده از نرم افزار MATLAB، با بررسی مثال هایی با استفاده از نرم افزار تجاری COMSOL مورد تأیید قرار گرفته است. کلمات کلیدی: سوپرلنز، پلازمونی، محیط چندلایه، معادله انتگرالی، MFIE، روش ماتریسی مدار معادل خط انتقال، تابع گرین، MoM، بهینه سازی، PSO
- Abstract
- Nano plasmonic structures have diverse applications in optics and photonics such as nano-lithography, biosensors, photovoltaic, integrated photonic circuits, optical data storage, near field optical microscopes and quantum information processing. In this thesis a superlens will be studied. Superlens is a slab of metal sandwiched between two dielectric layers. Such a slab can resolve the object in close vicinity without suffering from diffraction limit. As a result, this structure is useful for applications which need sub-wavelength resolution such as nano-lithography. The image quality of such superlens can be enhanced significantly if a combination of metal and dielectric layers in the form of a multilayer structure is employed. In this thesis, first a study on the development of superlens is presented. Then, a single layer superlens is analyzed numerically in wavelengths of 356 and 633 nm. This analysis shows the importance of using a multilayer superlens in the visible wavelengths. Next, a multilayer structure of metal and dielectric layers in the wavelength of 633 nm is proposed and analyzed to resolve one and two strips as the imaged objects. By applying PSO algorithm, the proposed structure is optimized to find the minimum resolution distance of the two strips. To find the image of the objects in the observation plane, the following steps are taken. First the objects are modeled as an equivalent volume current in a Magnetic Field Integral Equation (MFIE) formulation. In this formulation one has to find the spatial domain Green's function of a magnetic line source located in the multilayer medium under study. To this end the matrix method is employed to find the spectral domain Green’s function. Next the complex images technique is used to derive the required spatial domain Green’s function. The result of this stage is verified by comparing with the direct numerical integration. In the next step, by using point matching MoM, the unknown volume currents on the objects are calculated and the amplitude of the magnetic field on the observation plane is calculated. All the numerical results calculated by MATLAB, were verified by comparing with the COMSOL commercial software. Key words: Superlens, Plasmonics, Multilayer Media, Integral Equation Method, MFIE, Transmission Line Matrix Method, Green’s Fucntion, MoM, PSO Optimization.
