Geri Dön

Broadband light-matter interaction using subwavelength metasurface designs for multi-spectral camouflage and polarization conversion application

Polarizasyon dönüşümü ve çok spektral kamuflaj uygulaması için alt dalga boylu metasurface tasarımlarını kullanarak geniş bant ışık-madde etkıleşimi

PDF İndir

  1. Tez No: 982301
  2. Yazar: REHAM IM ELSHURAFA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Fotonik metamalzemeler, geniş bant optik tepki elde etmek için en umut verici çözümlerden biridir. Geniş bant tepki, mikroskopi, lazerler, iletişim, enerji hasadı, termal yönetim, kamuflaj ve diğer birçok uygulamaya kadar birçok teknolojik ilerlemenin önemli bir parçasıdır. Bu tezde, çok spektral kamuflaj uygulaması için asil bir metamalzeme tasarımı sundum. Bu tasarım, üretildi ve cihazın performansı istenen uygulama için kontrol edildi. Ayrıca, çok aşamalı parçacık sürüsü optimizasyonu (MPSO) algoritmasını ultra geniş bantlı bir polarizasyon dönüştürücü tasarlamak için uygulayarak potansiyelini ortaya koydum. Çeşitli algılama mekanizmaları nedeniyle, bir kamuflaj yüzeyinin optik tepkisini çok işlevli hale getirmek önemlidir; örneğin, algılanabilir imzalarını bastırmak için farklı frekans bantlarında farklı yansıma ve emisyon özellikleri. Çok spektralli bir kamuflaj cihazı, düşük görünür ışık emilimi (güneş kaynaklı ısınmayı önlemek için), kısa dalga kızılötesi (SWIR) (0,9-1,7 μm) dalga boyunda düşük yansıma, lazer kılavuzluğuna karşı 1,06 μm ve 1,55 μm'de düşük yansıma, orta kızılötesi (MIR) (3,5-5, 8-12 μm) dalga boyunda düşük emisyon ve radyasyon soğutması için geçirgen olmayan atmosferik pencerede yüksek emisyon gerektirir. Çok spektral kamuflaj işlevselliği elde etmek için farklı malzeme kombinasyonlarıyla çeşitli girişimlerde bulunulmuştur ve bunların tümü, yukarıda açıklanan tüm bantlar arasında birkaç spektral bandı kısmen ele alabilir. Bu tezde, kalın bir alt Al katmanı, ardından bir ITO katmanı ve üstte bir Si-Al ızgarası içeren ve çok spektral kamuflaj bantlarının çoğunda istenen optik tepkiyi sağlayan asil bir meta yüzey tasarladım. Tasarım malzemelerine ve geometrik parametrelere göre, elektron ışını litografisi ve fiziksel buhar biriktirme gibi nanofabrikasyon teknikleri kullanılarak oldukça kararlı bir cihaz üretilir. Optimum geometriye sahip üretilen cihazın spektral ölçümü, çok düşük SWIR yansıması (0,18 au.), düşük lazer yansıması (1,06 μm için 0,02 au. ve 1,55 μm için 0,12 au.), geçirgen pencerede düşük MIR ortalama emisyonu (3,5-5 μm arasında 0,24 au. ortalama emilim, 8-12 μm arasında 0,05 au. ortalama emilim) ve saydam olmayan atmosferik pencerede (2,4-3,5 μm) yüksek MIR ortalama emisyonu (0,7 au. ortalama emilim) göstermektedir. Ayrıca, Fano rezonansı olarak adlandırılan olağanüstü yüksek SWIR emiliminin kaynaklandığı gösterilmiştir. Bu aralıkta yapı, geniş bant emilimi sağlayan bir Lorentz eğrisine bağlı olarak emilim modunda çift Fano rezonansı üretir. Diğer yandan, polarizasyon dönüştürücüler ışığın temel özelliklerinden birini manipüle ederek önemli bir rol oynar ve özellikle yüksek saçılımlı malzemelerdeki derin yapılar için görüntüleme kontrastını artırabilir. Meta-yüzeylere dayalı ultra geniş bant polarizasyon dönüştürücüler elde etmek için çabalar sarf edilmiştir. Ancak, geleneksel simülasyon odaklı ileri tasarım yaklaşımı zaman alıcı bir optimizasyon süreci gerektirir ve bu süreç optimum olmayan cihaz performansına yol açabilir. Birçok gerçek dünya uygulaması, yani THz iletişim sistemi, iletim modunda polarizasyon kontrolü gerektirdiğinden, iletim modunda ultra geniş bant THz polarizasyon dönüşümü için optimum meta-yüzey elde etmek amacıyla çok aşamalı parçacık sürüsü optimizasyonu uyguladık. İlk olarak, bölünmüş köprülü disk benzeri bir rezonatörün dielektrik ara parçalarla ayrılmış iki dik yönelimli kafes katmanı arasına yerleştirildiği üç katmanlı bir meta yüzey yapısı içeren bir tasarım önerdik. Bu konfigürasyon, normal geliş açısı altında doğrusal polarize dalgaların çapraz polarize emsallerine verimli bir şekilde dönüştürülmesini sağlayarak, 1,19-9,0 THz frekans aralığında %90'ı aşan yüksek bir polarizasyon dönüşüm oranına, yani %153'lük bir göreli bant genişliğine ulaşılmasını sağlar. Farklı çalışma frekanslarında yüzey akımı dağılım analiziyle, indüklenen manyetik ve elektriksel dipol momentlerinin ultra geniş bant polarizasyon dönüşümüne katkıda bulunduğunu buldum.

Özet (Çeviri)

Photonic metamaterials are one of the most promising solutions to achieve broadband optical response. Broadband response is an essential part of many technological advancements, from microscopy, lasers, communication, to energy harvesting, thermal management, camouflage, and many other applications. In this thesis, I have presented a noble metamaterial design for the multispectral camouflage application, which is fabricated, and the performance of the device is checked for the desired application. In addition, I have showcased the potential of the multistaged particle swarm optimization (MPSO) algorithm by applying it to design an ultra-broadband polarization converter. Due to the diverse detection mechanisms, it is important to make the optical response of a camouflage surface multifunctional, e.g., different reflection and emission properties in different frequency bands, to suppress its detectable signatures. A multispectral camouflage device requires low visible light absorption (to avoid solar induced heating), low reflection in short-wave infrared (SWIR) (0.9-1.7μm), low reflection at 1.06 μm and 1.55 μm against laser guiding, low emission in the mid infrared (MIR) (3.5-5, 8-12 μm), and high emission in the nontransmissive atmospheric window for radiative cooling. Various attempts with different material combinations have been made to achieve multispectral camouflage functionality, all of which could partially address a few spectral bands among all the bands described above. In this dissertation, I designed a noble metasurface comprising a layer of thick bottom Al followed by an ITO layer and a Si-Al grating on top that achieves the desired optical response in most of the multispectral camouflage bands. A highly stable device is fabricated using the nanofabrication techniques, such as electron beam lithography and physical vapor deposition, according to the design materials and geometric parameters. Thespectral measurement of the fabricated device with optimum geometry shows a very low SWIR reflection (0.18 a.u.), low laser reflection (0.02 a.u. for 1.06 μm and 0.12 a.u. for 1.55 μm), low MIR average emission in trnasmissive window (0.24 a.u. average absorption between 3.5-5 μm, 0.05 a.u. average absorption between 8-12 μm), and high MIR average emission (0.7 a.u. average absorption) in the non-transparent atmospheric window (2.4-3.5 μm). Furthermore, exceptionally high SWIR absorption has been demonstrated to result from so-called Fano resonance. In this range, the structure yields double Fano resonance in absorption mode coupled to a Lorentzian that enables broadband absorption. On the other hand, polarization converters play a significant role by manipulating one of the fundamental characteristics of light and can enhance imaging contrast, especially for deep structures in highly scattering materials. Efforts have been made to achieve ultra-broadband polarization converters based on metasurfaces. However, the Conventional simulation-driven forward design approach demands a time-consuming optimization pathway, and the process can lead to suboptimal device performance. We implemented multi-stage particle swarm optimization to achieve an optimum metasurface for ultra-broadband THz polarization conversion in transmission mode, as many real-world applications, i.e., THz communication systems, require polarization control in transmission mode. We first proposed a design that comprises a tri-layer metasurface structure, where a split-bridged disk-like resonator is sandwiched between two perpendicularly oriented grating layers separated by dielectric spacers. This configuration enables an efficient conversion of linearly polarized waves into their cross-polarized counterparts under normal incidence, achieving a high polarization conversion ratio exceeding 90% across the frequency range of 1.19–9.0 THz, corresponding to a relative bandwidth of 153%. Through the surface current distribution analysis at different operating frequencies, I found that the induced magnetic and electric dipole moments contribute to ultra-broadband polarization conversion.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    667885

    Magnetooptical materials and device architectures for ultrafast light modulation

    Ultra hızlı ışık modülasyonu için manyetooptik malzemeler ve cihaz mimarileri

    SOHEILA KHARRATIAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mühendislik BilimleriKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN ÜREY

  2. Tez No

    982415

    Cavity-modified fluorescence in the weak and strong coupling regimes

    Zayıf ve güçlü kuplaj rejimlerinde kavite-modifiye floresans

    MOMIL BAIG

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    DR. ÖĞR. ÜYESİ WON MI AHN

  3. Tez No

    350318

    Ultra-low noise fiber laser systems and their applications

    Ultra-düşük gürültülü fiber lazer sistemleri ve uygulamaları

    İBRAHİM LEVENT BUDUNOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Bölümü

    DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY

  4. Tez No

    444246

    An observational study of accreting millisecond x-ray pulsars: From accretion to the rotation powered stages

    Milisaniye X-ışını pulsarlarının gözlemsel incelenmesi: Kütle aktarım evresinden radyo pulsarı evresine

    CAN GÜNGÖR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ

    PROF. DR. ERSİN GÖĞÜŞ

  5. Tez No

    997287

    Fonksiyonel grup içeren tetrapirol türevlerinin sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of tetrpyrolle derivatives containing functional groups

    YAĞMUR ZEYNEP YURDAKUL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESİN HAMURYUDAN

    DOÇ. DR. MUKADDES ÖZÇEŞMECİ

Geri Dön