Plazma tipi malzeme içeren fotonik kristal yapıların tasarımı
Design of photonic crystal structures including plasma type materials
Yazar: EZGİ ENGİN KIRAÇ
Danışman: PROF. DR. ÇİĞDEM SEÇKİN GÜREL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Plazma Fotonik Kristal (PFK) yapısı, literatürde bir dielektrik malzeme ile plazma özelliği gösteren bir malzemenin çok katmanlı olarak farklı dizilimlere göre sıralanmasıyla oluşturulmaktadır. Bu tez çalışması, farklı optik uygulamalarda kullanılabilecek bazı özel dizilimlere sahip PFK yapılarının tasarımı ve her biri için yansıma, iletim ve soğurma davranışlarının incelenmesini ele almaktadır. Tasarlanan yapılarda ilk bölümde homojen, manyetize olmayan, zayıf iyonlaşmış plazma malzemesi kullanılmış, ikinci bölümde manyetize edilmiş bir plazma malzemesi alınarak yeni tasarımlar oluşturulmuştur. ÇalışmadaTransfer Matrisi Metodu (TMM) kullanılmış ve metodun formülasyonu verilmiştir.
 
Çalışmada önce literatürde yer alan benzer araştırmaların sonuçları doğrulandıktan sonra periyodik dizilim, Fibonacci, Thue-Morse ve Cantor serileri kullanılarak dört farklı PFK grubu tasarlanmış ve kusur katmanı içeren ve içermeyen olmak üzere bu tasarımlar çeşitlendirilmiştir. Kusur katmanı olarak hava ve farklı dielektrik malzemeler seçilmiştir. Oluşturulan bu farklı PFK'ların her biri için ilk bölümde plazmanın elektron yoğunluğu, kusur katmanının dielektrik sabiti ve kalınlığının yapıların yansıma ve iletim davranışlarına olan etkileri incelenmiştir. Manyetize edilmiş plazmalı PFK yapısı için de dış manyetik alan ve çarpışma frekansı gibi ek parametrelerin bu kez yansıma, iletim ve soğurma davranışlarına etkilerini incelemek üzere periyodikdizilim ve Cantor serisi dizilimli tasarımlar için elde edilerek yorumlanmıştır.
 
Literatürde yapılan çalışmalarda periyodik, Fibonacci, Thue-Morse ve Cantor serilerine göre dizilimi yapılmışPFK tasarımlarının optik yansıtma, iletim ve soğurma davranışları açısından her birinin farklı özellikler gösterdiği yer almaktadır. Bu tez çalışmasında bu yapıların farklı yapısal parametreler için bir arada ele alınmış olmasıyla PFK tasarımına getirileri karşılaştırılmalı olarak incelenebilmiştir. Periyodik dizilimli yapının çok kanallı bir iletim yapısı oluşturduğu, Fibonacci dizilimli yapının düşük frekanslarda yüksek yansıtma, yüksek frekanslarda ise çok kanallı bir yapı meydana getirdiği, Thue-Morse dizilimli yapının tek kanallı iletime uygun olduğu, ancak bu iletim bölgesi dışında yüksek yansıma özelliği gösterdiği ve Cantor dizilimli PFK yapısının diğerlerinden farklı olarak daha geniş bantlı bir iletim davranışı gösterdiği anlaşılmıştır. Manyetize edilmiş plazma için alınan sonuçlarda ise benzer özellikler ortaya çıkmakta fakat bu kez periyodik ve Cantor dizilimli yapıların her ikisinin de iletim bandı genişliklerinin arttığı görülmektedir. Elde edilen sonuçlar, farklı matematik serilere göre dizilmiş PFK yapılarının optik filtre, dalga boyu çoklayıcı ve optik sensör gibi güncel birçok uygulamada değerlendirileceğini göstermektedir.

Abstract:
Plasma photonic crystal (PFC) structure is created by arranging a material exhibiting both dielectric and plasma properties in a multilayered manner according to different sequences. This thesis study focuses on the design of plasma photonic crystal structures with specific sequences that can be used in various optical applications, and investigates their reflection, transmission and absorption behaviors. In the designed structures, the first section employs homogeneous, non-magnetized, weakly ionized plasma material. In the second section, magnetized plasma material is used to create new designs. The Transfer Matrix Method (TMM) is employed in this study, and its formulation is provided.
 
After confirming the results of similar studies in the literature, four different PFC's are designed using periodic sequences, Fibonacci, Thue-Morse and Cantor series. These designs are expanded to include and exclude defect layers. Air and different dielectric materials are chosen as defect layers. For each of PFC structures, the effects of plasma electron density, defect layer dielectric constant and thickness on reflection and transmission behaviors are examined in the first section. Additionally, for the magnetized PFC structure, new parameters such as external magnetic field andcollision frequency are also analyzed to determined reflection, transmission, and absorption behaviors, specifically for periodic and Cantor series-based designs.
 
In the literature, it is reported that PFC designs based on periodic, Fibonacci, Thue-Morse and Cantor sequences exhibit distinct characteristics in terms of optical reflection, transmission, and absorption behaviors. This thesis investigates the comparative contributions of these structures to PFC design by considering various structural parameters together. Periodic PFC forms result with multi-channel transmission characteristic. Fibonacci Sequence PFC yields high reflection at low frequencies and creates a multi-channel structure at high frequencies. Thue-Morse Sequence PFC is primarily suited for single-channel transmission but exhibits high reflection outside the transmission region. Cantor Sequence PFC uniquely displays broader transmission behavior compared to the others. For magnetized plasma, similar characteristics emerge, with both periodic and Cantor sequence-based structures exhibiting increased transmission bandwidths. These findings highlight the potential of PFC designs based on different mathematical series for some current optical applications such as optical filters, wavelength multipliers, and optical sensors.