Metayüzeylerin tasarımı ve optoelektronik aygıt uygulamaları
Design of metasurfaces and optoelectronic device applications
Yazar: NAZMİ YILMAZ
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Son zamanlarda, meta-yüzeyler ışığın dalga boyundan daha küçük ölçeklerde ışığın faz, genlik ve polarizasyonunu modüle etmek için ümit vaat eden bir yöntem olarak ortaya çıkmıştır. Meta-yüzeyleri, ışığın fazını eğimli optik yol boyunca toplayarak manipule eden geleneksel optik malzemelerle karşılaştırdığımızda nano boyutlu antenlerden oluşan meta-yüzeyler düz bir yüzey boyunca ışığı kontrol ederler. Bununla birlikte, tamamen dielektrikten oluşan metayüzeyler geleneksel optik elementlerin yerine kayıplı plazmonik bileşenlerden daha iyi olan ve daha az üretim zorluğu getiren çok ince metayüzeylerin kullanılmasına yol açmaktadır. 
Genel metayüzey yaklaşımı olan çapları değişen nano sütunlardan oluşan metayüzey yerine farklı yaklaşım olarak nano delik yapılar denenmiştir. Nano delik ile tasarlanan mercek yapısı ile görünür bölgede 70% üzerinde odaklama verimliliği elde edilmiştir. Ayrıca karşılaştırmalı olarak nano sütun ve nano delik ile oluşturulan iki farklı metayüzey incelenmiş ve nano delik ile oluşturulan yapıların daha iyi performans sağladığı gösterilmiştir.
Geleneksel optik malzemeler ile ayarlanabilir odak uzunluğu çalışmaları mevcuttur. Tezin üçüncü kısmında, Moiré mercek yapısı metayüzey yaklaşımı ile yeniden tasarlanmıştır. Birbirlerine dik olarak yerleştirilen iki zıt faza sahip metayüzeyden oluşan yapı metayüzeylerden birinin kendi ekseni etrafında dönmesi ile farklı odak oluşturur.  Yapının odak noktası değişimi ve performansı incelenmiştir.Ayrıca, çok odaklı ayarlanabilir sistem önerilmiştir. Bu yapı sayesinde çok odak ve tek odaklı bir sitem elde edilebilir. 
Güneş pilleri, gelen ışığın faklı dalgaboylarına ayrılması ve her bir dalgaboyunun uygun foto-voltaik malzemeler tarafından soğurulmasıyla daha verimli çalışırlar. Tezin dördüncü bölümünde ışığı dalgaboylarına ayrıştırmak için metayüzey tabanlı bir tasarım önerilmiştir. Bu tasarımda ışığı öncelikle bükücü bir metayüzey ile faklı açılarda bükerek ayırmayı daha sonra ayrılan farklı dalgaboyuna sahip hüzmeleri uygun bir düzlemde odaklamaya çalışılmıştır. foto-voltaik malzemeler üzerine meta-yüzey tabanlı bir mercek ile odaklanması gösterilmiştir.
Işığın doğada bir doğru boyunca ilerlemediği hüzme türleri çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilmiştir. Tezin beşinci bölümünde doğrusal olarak hareket etmeyen Bessel tipi ışınlar metayüzey tabanlı bir tasarımla üretilmiştir. Tasarlanan metayüzeyler sahip oldukları özel faz dağılımları ile ışığa başlangıç fazı sağlayacak ve ışık istenilen yörüngede hareket ettirmiştir. Tasarlanan metayüzey karekteri nedeniyle geniş dalga boyu aralığında bu tarz ışınları üretmiştir.
Tezin altıncı bölümünde Baş Üstü Gösterge tasarımı yapılmıştır. Geleneksel elemanların aksine daha az yer kaplayan ve daha verimli olan dalga kılavuzu yapılı sistem tasarlanmıştır. Dalga kılavuzu ve ızgara yapıları ile tasarlanan yapının çalışması gösterilmiştir.

Abstract:
Recently, metasurface has been proposed as a promising method to modulate the phase, amplitude, polarization of the light at the subwavelength scale. Comparing to the conventional optical devices which manipulate light via the accumulation effect along the curved optical path, the two-dimensional metasurface composed of engineered nanostructured antennas array could realize the manipulation along flat medium surface. On the other hand, all dielectric metasurface schemes pave the way towards employing ultrathin metasurfaces elements to replace traditional bulky optical elements with much lower power loss than plasmonic counterparts and less fabrication complexity.
Contrary to usual approach for metasurfaces design consisting of nanopillars with varying diameters, nano hole based metasurfaces is proposed in this section. Nano hole metasurfaces shows high focusing efficiency above 70% in visible spectrum. Moreover, to demonstrate its superiority, performances of nana hole and nano pillar metasurfaces are compared and it is showed that nano hole metasurfaces have better performances.
Adjustable focal length studies are available with traditional optical materials. In the second part of this thesis,  Moiré lenses are redesigned via metasurfaces. Different focal point can be created by rotating one of two metasurfaces on its axis which have reverse phase with respect to each other. Besides, multifunctional focal system is proposed in this section. Single and multiple focal plane can be formed by using the proposed multifunctional focal system.
Solar cells work more efficiently with separation of incoming light into different wavelengths and absorption each wavelength by suitable photo-voltaic materials. In this thesis, it is proposed a metasurface-based design for separating the incident light into wavelengths. In this design, it is demonstrated to separate the light by bending at different angles with a metasurface and then to focus the beams which have different wavelengths, on suitable photo-voltaic materials by using the lens which is based on metasurface.
The types of rays that the light does not travel along a path in the nature have been carried out in various methods. These types of beams are produced by a metasurface based design. Designed metasurfaces with their specific phase distributions provides the initial phase of light and the light is moved to the desired orbit. Due to its characteristic behavior, designed metasurfaces produces these type beam for different wavelength.
In the sixth part of the thesis, Head up Display design are designed and investigated. Unlike traditional elements, a system with waveguide structure that takes up less space and is more efficient is designed. The structure designed with waveguide and grating structures is shown.