مطالعۀ اثر حضور لایۀ پلاسمای همگن برخوردی روی خواص نوری بلور فوتونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده فیزیک دانشگاه تبریز

چکیده
بلورهای فوتونی پلاسمایی ساختارهایی هستند که در آن‌ها ترکیبی از مواد دی‌الکتریک و پلاسما به طور متناوب آرایش یافته‌اند، پلاسما با داشتن بسامد پلاسمایی و طول دبای مشخص، رفتار موج‌های الکترومغناطیسی را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد. در تحلیل انتشار امواج در پلاسما، وارد کردن برخوردها ضروری است زیرا پلاسماهای واقعی همواره شامل برهم‌کنش‌های الکترون–یون و الکترون–خنثی هستند. این برخوردها عامل اصلی مقاومت مؤثر الکترون‌ها در برابر نوسان میدان هستند و بنابراین تعیین می‌کنند پلاسما چه مقدار از انرژی موج را عبور، جذب یا بازتاب کند. در این مقاله، انتقال موج از طریق ساختارهای فوتونی یک‌بعدی با لایه‌های و یک لایۀ پلاسما با استفاده از روش ماتریس انتقال و شبیه‌سازی‌های دقیق، بررسی شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که با افزایش چگالی پلاسما، مدهای نقص به سمت بسامدهای بالاتر جابه‌جا می‌شوند، در حالی که افزایش ضخامت لایه پلاسما باعث جابه‌جایی این مدها به سمت بسامدهای پایین‌تر می‌شود. همچنین، افزایش بسامد برخورد الکترون‌ها باعث میرایی موج، کاهش شدت عبور و پهن‌تر شدن قله‌های تشدیدی می‌شود. کنترل دقیق پارامترهای پلاسما و طراحی ساختار فوتونی ابزار قدرتمندی برای ایجاد صافی‌ها و حسگرها با مشخصات تشدیدی قابل تنظیم است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Study of the effect of the presence of a homogeneous collisional plasma layer on the optical properties of a photonic crystal

نویسندگان English

Farzaneh Berenji
Abdolrasoul Esfandyari Kalejahi
Laya Shahrassai
Sima Alilou
Department of Physics and Technology of Physics, Faculty of Physics, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده English

Plasma photonic crystals are structures in which dielectric materials and plasma are arranged periodically. Owing to its characteristic plasma frequency and Debye length, plasma strongly influences the behavior of electromagnetic waves. In the analysis of wave propagation in plasma, the inclusion of collisions is essential, since real plasmas always involve electron–ion and electron–neutral interactions. These collisions are the primary source of the effective resistance of electrons against field oscillations and therefore determine how much of the wave energy is transmitted, absorbed, or reflected by the plasma. In this paper, wave transmission through one-dimensional photonic structures consisting of dielectric layers and a plasma defect layer is investigated using the transfer matrix method and detailed numerical simulations. The simulation results show that increasing the plasma density shifts the defect modes toward higher frequencies, whereas increasing the thickness of the plasma layer shifts them toward lower frequencies. Moreover, increasing the electron collision frequency leads to wave damping, a reduction in transmission intensity, and a broadening of the resonant peaks. Precise control of plasma parameters and photonic structure design provides a powerful tool for realizing filters and sensors with tunable resonant characteristics.

کلیدواژه‌ها English

Photonic Crystal
Plasma
Defect Layer
Transfer Matrix
Electron Plasma Frequency
1.       P P Sun, R Zhang, W Chen, P V Braun , & J G Eden, Applied Physics Reviews 6 (2019) 4.‏
2.       G Lehmann, & K H Spatschek, Physical review letters 116(22) (2016) 225002.‏
3.       B Wang, & M A Cappelli, Applied Physics Letters 108 (2016)  16.‏
4.       P P Sun, R ZhangChen, W Braun, P V, & J G Eden, Applied Physics Reviews 6 (2019) 4 .‏
5.       N Shanmugam, R Pugazhendhi, R Madurai Elavarasan, P Kasiviswanathan, & N Das, Energies 13 (2020) 2631.‏
6.       V L Kalyani, & V Sharma, Journal of Management Engineering and Information Technology (JMEIT)  3 (2016) 3.‏
7.       P P Ewald, Reviews of modern physics 37(1) (1965)46.‏
8.       V Asadchy, M Albooyeh, & S Tretyakov, Journal of the Optical Society of America B 33(2) (2016) A16-A20.‏
9.       M F  Land, Scientific American, 239(6) (1978) 126.‏
10.    T P Otanicar, D DeJarnette, Y Hewakuruppu, & R A Taylor, Advances in Optics and Photonics, 8(3) (2016) 541.‏
11.    E Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 2059.
12.    E Yablonovitch, T J Gmitter, and K M  Leung, Phys. Rev. Lett. 67 (1991) 2295-2298.
13.    M chen Xu, S Liu, and S ying Zhong, Opt. Quantum Electron. 51 (2019) 1.
14.    S Yano, Y Segawa, J S Bae, K Mizuno, H Miyazaki, K Ohtaka, and S Yamaguchi Phys. Rev. B 63 (2001) 1533161.
15.    X K  Kong, S Bin Liu, H F Zhang, and C Z Li, Phys. Plasmas 17 (2010) 103506. 
16.    T T Shih, Y D Wu, and J J Lee, IEEE Photonics Technol. Lett. 21 (2009) 18.
17.    W O F Carvalho, & J R Mejía-Salazar, Sensors 20(9) (2020)  2488.‏
18.    N Shanmugam, R Pugazhendhi, R Madurai Elavarasan, P Kasiviswanathan, & N Das, Energies 13 (2020) 2631.‏
19.    E Yablonovitch,  T J Gmitter, and K M Leung, Physical review letters 67 (1991) 2295. 
20.    Almawgani, A H, Alhamss, D N, Taya, S A, Colak, I, Sharma, A, Alhawari, A R, & Patel, S K Physics of Fluids 34(8) (2022).
21.    H Hojo, & A Mase, Journal of Plasma and Fusion Research 80(2) (2004) 89.‏
22.    M Chen Xu, S Liu, and S ying Zhong, Opt. Quantum Electron. 51 (2019) 1.
23.    S A Taya, M A Abutailkh, I Colak, and O M Ramahi Opt. Quantum Electron. 53 (2021) 1.
24.    L M Qi, Z Q Yang, F Lan, X Gao, and Z J Shi Phys. Plasmas 17 (2010) 042501.
25.    Wang Y, Liu S, & Zhong S. Optics Communications 473 (2020) 125985.
26.    S A Taya, N E  Al-Ashi, O M Ramahi, I Colak, and I S Amiri, J Opt. Soc. Am. B 38 (2021) 2362.

تحت نظارت وف بومی