هدف از بکارگیری نانوآنتن های نوری، تبدیل انرژی نور تابشی به انرژی محلی و بالعکس می باشد. اگر چه این امر مشابه عملکرد آنتن های مایکروویو و امواج رادیویی است، اما آنتن های نوری از یک خاصیت منحصر به فرد نانوساختارهای فلزی استفاده می کند که چیزی جز پلاسمون های بشدت تزویج شده در طول موج های نوری نیست. امید می رود نانوآنتن های نوری بتوانند بازده اندرکنش های میان نور و ماده را در ادوات مهم از قبیل ادوات ساطع کننده نور، سلول های فوتوولتاییک و ادوات طیف بینی افزایش دهد. در این پایان نامه خواص نوری نانوساختارهایی متشکل از دو و سه نانوذره فلزی در چیدمانی فشرده توسط روش تئوری cda و نیز یک روش عددی تمام موج، بررسی و نتایج این دو با یکدیگر مقایسه گشته است. همچنین نشان داده شده است که نانوساختارهای فشرده خواص ویژه ای از خود به نمایش می گذارند که مختص اندرکنش نوری نزدیک میان ذره ها بوده و در کاربردهای آنتنی می تواند بسیار حائز اهمیت قرار گیرند. از جمله خواصی که بسیار مورد توجه بوده اند عبارتند از میزان جهتی شدگی پترن تشعشعی و نیز افزونگی زیاد میدان دور، درحالتی که ساختار توسط یک منبع نوری نقطه ای تحریک می شود. یکی از دستاوردهای این پایان نامه حصول خاصیت سوئیچ شدن پترن تشعشعی نور با جهتی شدگی در دو جهت مخالف با کمک ساختارهای سه نانوذره ای فشرده نامتقارن می باشد که مورد بررسی قرار گرفته است.

در این پژوهش طراحی یک نانوآنتن نوری کارآمد که آرایه ای از نانوذرات فلزی است به منظور بهبود ویژگی های تشعشعی ارائه می شود. از این رو ابتدا یک نانوآنتن یاگی-یودا که شامل سه نانومیله طلا است بعنوان مبنای کار قرار می گیرد. با مطالعه ی تاثیر فواصل بین ذره ای بر برهمکنش های ذرات پلاسمونی تشکیل دهنده ی نانوآنتن با یکدیگر و نتیجه ی آنها بر ویژگی های تشعشعی، یک نانوآنتن نوری جدید شامل چهار نانومیله معرفی می شود. به طور جالب توجه این نانوآنتن چهارتایی دارای این قابلیت است که با تنظیم صحیح فواصل بین ذره ای می تواند در دو عملکرد باند دوگانه و پهن باند مورد استفاده قرار گیرد. در گام بعدی بر اساس نتایج بدست آمده، تلاش می شود که برای جابجایی طول موج تحریک وکار نانوآنتن مذکور و کوچک سازی آن برای بکارگیری در محدوده ی طیف نور مرئی که مورد نظر ما است این روند طراحی یک بار دیگر، اما این بار بر اساس نانودیسک ها تکرار شود. برهمین اساس با در نظر داشتن نتایج نانومیله ها طرح هایی بهینه از یک نانوآنتن متشکل از سه نانودیسک طلا ارائه می شود و سپس با تکیه بر نتایج بدست آمده از آن، یک نانوآنتن نوری جدید شامل چهار نانودیسک طلا با پاسخ طیفی مهندسی شده برای جهت دهی تشعشع منابع نانومقیاس که رفتاری مشابه ترکیب نانومیله ها از خود نشان می دهد، ارائه می شود. علاوه بر این مدل تئوری ویژگی های نوری نانوساختار متشکل از نانودیسک ها با استفاده از تقریب دوقطبی های تزویج شده مورد بررسی قرار گرفته است تا نتایج شبیه سازی های عددی انجام شده با بسته ی نرم افزاری cst با پیش بینی های تئوری مقایسه شوند و صحت آنها مورد تائید قرار گیرد. همچنین این روش تحلیلی ما را قادر می سازد دید بهتری نسبت به پس زمینه ی فیزیکی ویژگی های نوری بدست آمده پیدا کرده و شناخت بیشتری از ماهیت مدهای هایبرید نانوساختار که باعث ایجاد ویژگی های نوری مطلوب هستند، کسب کنیم. در انتها نیز آرایه های خطی و صفحه ای از نانوآنتن متشکل از نانودیسک ها و طراحی شده برای دو عملکرد پهن باند و باند دوگانه مورد بررسی قرار گرفته است. در این راستا میزان تاثیر این آرایه ها در جهت بهبود رفتار تشعشعی مطالعه شده است. برای مطالعه ی تحلیلی این اثرات نیز از همان تئوری ساده ی آرایه که در طول موج های رادیویی و مایکرویو بیان شده است، استفاده می شود.

در این پایان¬نامه تشدیدهای پلاسمونی سطحی محلی برای نانوساختارهای دوبُعدی شامل نانواستوانه¬های فلزی با سطح مقطع¬های دایروی، بیضوی، مستطیلی، چند ضلعی منتظم و همچنین نانولوله¬ها مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته¬اند. جابجایی قرمز تشدید پلاسمونی نانواستوانه¬هایی از جنس طلا و یا نقره با افزایش شعاع سطح مقطع نانواستوانه ها و همچنین افزایش ضریب¬شکست محیط اطراف آنها در منحنی¬های طیف تشدید تئوری و شبیه¬سازی به¬وضوح مشاهده می¬شود. با کاهش تقارن سطح مقطع نانواستوانه های فلزی علاوه بر جابجایی قرمز تشدید اصلی، تشدید¬های مرتبه¬ی بالاتری نیز در طیف سطح مقطع پراکنش آنها مشاهده می¬شود. نانولوله¬های فلزی که ترکیبی از نانواستوانه¬ها با نانوحفره¬ها محسوب می¬شوند حساسیت بسیار خوبی نسبت به تغییرات ضریب¬شکست محیط از خود نشان داده و این تغییرات را به¬صورت تقریباً خطی دنبال می¬کنند. به-منظور بررسی هیبریداسیون مدهای پلاسمونی اندرکنشی نانواستوانه¬ها، اندرکنش نوری بین دو نانواستوانه¬ی فلزی با سطح مقطع دایروی و همچنین مستطیلی در اندازه¬ها و مقیاس¬های متفاوت به کمک روش تئوری تقریبی دوقطبی تزویج¬شده (cda) بررسی و با نتایج شبیه سازی عددی مقایسه شده¬اند. اندرکنش نوری ایجادشده بین دو نانواستوانه¬ به¬ازای فاصله¬های متفاوت بین آنها و با جهت-های مختلف تابش نور به دو نانواستوانه موجب تحریک تشدیدهای جدیدی در طیف سطح مقطع تشدید و در نتیجه¬ی هیبریداسیون مدهای پلاسمونی می¬شود. منحنی¬های دامنه و فاز قطبی¬شدگی اصلاح¬شده¬ی ناشی از این اندرکنش نوری برای نانواستوانه¬های دایروی از روش دوقطبی تزویج¬شده محاسبه شده و محل ایجاد مدهای هیبرید جدید در طیف تشدید پلاسمونی را تا مقدار زیادی توجیه می¬کنند. تغییرات ضریب¬شکست محیط دی¬الکتریک اطراف این نانوساختارهای فلزی بر اثر تزریق حامل باعث جابجایی طول¬موجی تشدید¬های پلاسمونی سطحی آنها شده و شرط کنترل فعال تشدیدهای پلاسمونی را به¬کمک روش¬های فعال مقدور می¬سازد. با تغییر ضریب دی¬الکتریک فلز پلاسمونی تشکیل¬دهنده¬ی نانوساختار به کمک تابش پمپ لیزری به آن نیز می¬توان کنترل فعال تشدید پلاسمونی نانوساختار را تحقق بخشید.

تزویج الکترومغناطیسی بین نانوذرات پلاسمونیک منجر به اصلاحات موثری در پاسخ طیف نوری نانوساختار ها در بازه فرکانسی نور مرئی و فروسرخ می شود. در سال های اخیر ایجاد این اصلاحات در پاسخ های طیفی بوسیله پدیده¬های متفاوت و به منظور گسترش کاربردهای بسیار متنوع از مسائل اساسی در حوزه علوم نوری بوده است. پاسخ نوری اصلاح شده محیط اتمی وابسته به القای لیزری همدوس که منجر به تداخل های کوانتمی میان راه های تحریک و در نتیجه کنترل پاسخ نوری جهت محدود نمودن جذب و شکست در فرکانس تشدید انتقال، روی می دهد پدیده ای است که شفافیت القایی الکترومغناطیسی (eit) نام گرفته است. این پدیده که ابتدا در سطوح اتمی مشاهده گردید بوسیله فیزیک کلاسیک نیز قابل توصیف و توسط نانوساختارهای پلاسمونیک قابل پیاده سازی است. در نانوساختارهای پلاسمونیک ایجاد eit بوسیله اندرکنش مدهای تشعشعی و غیرتشعشعی قابل کنترل است. لذا در این پایان نامه اندرکنش بین نانوذرات پلاسمونیک در نانوساختارها به منظور تحلیل و بررسی eit مورد بحث قرار گرفته است. استفاده از مدل الکتریسیته ساکن دوقطبی های تزویج شده به عنوان یک مدل کلاسیک به منظور بررسی نحوه اندرکنش نانوذرات در ساختارهای پلاسمونیک مورد استفاده قرار گرفته است. در این پایان نامه ابتدا اندرکنش نانوذرات در چیدمان های دسته ای دوتایی و سه¬تایی متشکل از نانوساختارهای دیسک شکل و بررسی مدهای بوجود آمده در ساختار، مورد بررسی صورت گرفته است. موضوع مورد توجه در ساختار سه تایی بر خلاف ساختار سه تایی متشکل از نانومیله ها شکستن تقارن منجر به ایجاد یک مد جدید در بین دو مد بوجود آمده در ساختار متقارن شده است. در ادامه با استفاده از ساختارهای نانومیله ای با توجه به امکان طراحی برای تشدید در یک راستا و در نتیجه کنترل بهتر اندرکنش بین آنها، در چیدمان های دوتایی، سه تایی و چهارتایی بررسی و توصیف eit در نانوساختارها صورت گرفته است. انواع سازوکارهای متفاوت برای شکستن تقارن از جمله تغییر مکان المان های ساختار، تغییر اندازه در المان های یکسان و همچنین تغییر زاویه موج تابشی به ساختار به منظور تحریک مدهای غیر تشعشعی بوسیله مدهای تشعشعی و در نتیجه اندرکنش بین آنها به منظور ایجاد مشابه کلاسیک eit در این نانوساختار¬ها مورد بررسی قرار گرفته است.

در این پایان نامه، ابتدا ویژگی های نوری ساختار¬های پلاسمونی ساده، شامل مونومر، دایمر و ترایمر، با استفاده از روش تحلیلی cda و نرم افزار cst مبتنی بر روش عددی fit بررسی شده و سپس این تقریب به ساختارهای حلقوی تعمیم داده می شود. طیف¬های استهلاک نوری این ساختارها برای فواصل بین ذره ای مختلف با استفاده از روش cda بررسی و مشاهده شده است که کاهش فاصله¬ی بین ذره ای، باعث هیبریداسیون پلاسمون ها و ایجاد مدهای مجزا می¬شود. مقایسه این نتایج با شبیه سازی نیز، دقت cda را به خوبی نشان می دهد. همچنین برای همه ی ساختارهای مطالعه شده، با دقت خوبی می توان ویژگی های میدان نزدیک، شامل مدهای پلاسمونی و جهت گیری دوقطبی ها در این مدها را تعیین کرد که کاملاً با نتایج شبیه سازی مطابقت دارند. علاوه بر این نشان داده شده است که می توان مدهای پلاسمونی ساختارهای حلقوی را با استفاده از مدهای ساختارهای پایه ی دایمر و ترایمر پیش بینی کرد. برای ساختار حلقوی متشکل از 4 نانودیسک با شکستن تقارن، مینیمم فانو در طیف استهلاک آن مشاهده شده است. همچنین اثر قراردادن یک نانودیسک در مرکز حلقه ی هگزامر بررسی و ایجاد تداخل فانو با هر دو روش تئوری و شبیه سازی، با استفاده از ویژگی های میدان دور و نزدیک، نشان داده شده است. علاوه بر این مشاهده شده که حذف فاصله ی بین نانودیسک ها در هگزامر، منجر به طیف استهلاک نوری و توزیع باری مشابه یک حلقه ی پلاسمونی می شود. به طور کلی، هنگامی که فاصله ی بین ذرات زیاد باشد، نتایج حاصل از روش cda با نتایج شبیه سازی به خوبی مطابقت دارد اما به دلیل تقریبی بودن آن، هنگامی که ابعاد ذره بزرگ یا فاصله ی بین آن ها خیلی کم باشد، به علت تحریک و تزویج بین مدهای مرتبه بالا، تفاوت قابل توجهی بین نتایج به دست آمده از cda و روش های عددی وجود دارد.

ناپیوستگیها برای ایجاد توابع امپدانسی و انتقالی مشخص در ابزارهای میکروویوی و امواج میلیمتری بکار برده می شوند. انواع فیلترها، تغییردهنده های فاز، میکسرها و نوسانسازهای فرکانس بالا هر کدام از نوعی از ناپیوستگیها بهره م گیرند. غشای طولی صفحه e مهمترین جزء فیلترهای pmi و فیلترهای خط پره ای (fin-line filter) هستند. در این پروژه روش کمترین مربعات مانده مرز(lsbrm) به عنوان یک روش موثر در تحلیل ساختارهایی که دارای غشای طولی نازک ، ضخیم و ناپیوستگی در صفحه e موجبر هستند، ارائه می گردد. بکارگیری شرایط مرزی برای میدانهای الکتریکی و مغناطیسی مماسی به همراه یک ضریب هم وزنی برای ساخت تابع خطا به کار می رود. انتخاب یک ضریب وزنی مناسب از روی عدد وضعیت و درصد خطای توان، ما را به جواب دقیقتر نزدیک می نماید. تعداد مناسب برای تعداد مودهای تحریک شده در نواحی مختلف به ساختار هندسی مسئله و دقت مورد نیاز در حل بستگی دارد. کمینه کردن تابع خطا منجر به تعیین یک مدار معادل برای توصیف ناپیوستگی می شود. استفاده از آن در طراحی فیلترهای میانگذار، نتیجه کاربردی تحلیل و حل عددی مسئله می باشد. نتایج عددی بدست آمده از این روش با نتایج حاصله از روشهای دیگری که گزارش شده اند، مقایسه گشته و همخوانی خوبی مابین جوابها وجود دارد.