850 nm dalga boyu için plazmonik ve alternatif plazmonik tabanlı metalens tasarımları
Plasmonic and alternative plasmonic based metalens designs for the wavelength of 850 nm
Yazar: BÜŞRA ERSOY
Danışman: DOÇ. DR. EKİN ASLAN
Kayseri Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Plazmonik uygulamalarda kullanılan altın ve gümüş gibi soy metallerin belirgin optik kayıpları söz konusudur. Bunların yerine düşük maliyet ve ayarlanabilir elektron sayısı sayesinde plazma frekansı kontrol edilebilen katkılı silisyum, katkılı germanyum ve geçiş metal nitrürleri gibi alternatif plazmonik malzemeler kullanılabilir. Geçiş metal nitrürlerinden biri olan titanyum nitrür, görünür ve yakın kızılötesi dalga boylarında plazmonik davranışa sahip olan metalik özellikler sergiler. Bu çalışmada plazmonik ve alternatif plazmonik malzemelerle, metatasarım sonucu oluşturulan ve minyatürizasyon sağlayabilen düz optik lens tasarımları amaçlanmaktadır. Bu bağlamda rezonatif ışık geçişi sağlayan ve tam faz geçişi oluşturan açıklık tabanlı nanoanten dizilimleri hem plazmonik hem de alternatif plazmonik yaklaşımıyla önerilmiştir. Söz konusu dizilimlerin birim hücrelerini teşkil eden sekiz tip ayrık eşkenar dörtgen geometrili, altın ve titanyum nitrür nanoaçıklık tasarımları yakın kızılötesi frekanslarda rezonatif davranış bakımından analiz edilmiştir. Tasarlanan nanorezonatörlerin spektral geçişi belirlendikten sonra, 850 nm dalga boyunda lensleme analizleri için üç farklı geometrik parametre setlerinin, radyal doğrultuda tam faz geçişi sağlayacak ve dairesel halkalar oluşturacak şekilde üç farklı dizilimi analiz edilmiştir. Yapılan teorik analiz olanakları doğrultusunda, çoklu odak noktalarına ait alan dağılımları sunulmuştur. Bu alan dağılımları yoluyla; odak spot genişliği, nümerik açıklık, odak uzaklığı, odak derinliği ve odaklama verimi gibi teorik veriler ile önerilen yapıların odaklama performansı belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Çok odaklı metalens, Plazmonikler ve alternatif plazmonikler, Odaklama performansı, Dairesel faz dağılımı, Nano açıklıklar

Abstract:
Noble metals such as gold and silver, which are commonly used in plasmonic applications, exhibit significant optical losses. Instead of these noble metals, alternative plasmonic materials can be used, such as doped silicon, doped germanium, and transition metal nitrides, which offer low cost and adjustable electron counts, allowing control over the plasma frequency. One of the transition metal nitrides, titanium nitride, exhibits metallic properties and demonstrates plasmonic behavior in the visible and near-infrared wavelengths. In this study, flat optical lens designs that are created as a result of meta-design with plasmonic and alternative plasmonic materials and that can provide miniaturization are aimed. In this context, aperture-based nanoantenna arrays that provide resonant light transmission and create perfect phase transition are proposed as both plasmonic and alternative plasmonic approaches. Gold and titanium nitride nanoaperture designs, which constitute the unit cells of these arrays, with eight different types of discrete equilateral rectangular geometries, are analyzed in terms of resonant behavior at near-infrared frequencies. After determining the spectral transitions of the designed nanoresonators, for lensing analyzes at 850 nm wavelength, three different arrangements in three different geometrical parameter-set are analyzed to provide full phase transition in the radial direction and form circular rings. These sets are designed to provide perfect phase transition in the radial direction and create circular rings. Field distributions of multiple focal points are presented in line with the theoretical analysis possibilities. Through these field distributions; the focusing performance of proposed structures are determined by theoretical data such as focal spot width, numerical aperture, focal length, depth of focus and focusing efficiency are determined.

Keywords: Multifocal metalens, Plasmonics and alternative plasmonics, Focusing performance, Circular phase distribution, Nanoapertures