روش طیف‌سنجی از راه دور پلاسمای مواد، می¬تواند برای آشکارسازی و تشخیص مواد مختلف به¬ویژه مواد منفجره و سایر مواد آلی مورد استفاده قرار گیرد. پلاسما را می‌توان از طریق تابش پرتو لیزری به‌اندازۀ قوی یا اعمال ولتاژ بالا در محیط خلا ایجاد کرد. در این پژوهش، از روش تولید پلاسمای جریان مستقیم برای ایجاد پلاسمای مواد منفجره و آلی درون لامپ‌های Tـ شکل استفاده شده است. دو مادۀ منفجرۀ تری نیترو تولوئن (TNT) و پیکریک ‌اسید و دو مادۀ آلی ۳ و ۵ـ دی‌نیتروبنزوئیک اسید و ۴ـ نیتروبنزوئیک اسید حاوی گروه نیترو با عناصر اصلی تشکیل‌دهندۀ H، N، O و C مورد استفاده قرار گرفتند. ابتدا پلاسمای مواد منفجره و آلی تحت خلا و هم در محیط گاز آرگون با اعمال ولتاژی حدود kV۲، ایجاد شدند. سپس با استفاده از دو چیدمان آزمایشگاهی، یکی با استفاده از طیف‌سنج گسیلی فرابنفش ـ مرئی با آشکارساز آرایه‌ای دارای حساسیت بالا و تفکیک کم در فواصل افزایش‌یافتۀ ۳۸/۱، ۵۵/۱، ۲ و m ۳۱/۲ و دومی از طیف‌سنج گسیلی مینیاتوری همراه با کابل فیبر نوری با تفکیک بالا و حساسیت کمتر در فاصلۀ mm۵۰ و m ۱ برای طیف‌سنجی پلاسمای مواد استفاده شد. در اولین چیدمان، چون پلاسمای مواد (در حد مقدار mg ۳۵) تحت اتمسفر گاز آرگون تولید می‌شدند، طیف گسیلی آن‌ها شامل خطوط C2، N، O، H و Ar بود. خط مولکولی C2 از ۴۷۱ تا nm ۵۶۳، خطوط طیفی N در nm ۷۴۶، O در nm ۷۷۷ و H در nm ۶۵۶ مشاهده شدند. در فشارهای پایین طول¬‌موج‌های طیف گسیلی آرگون در طول‌موج‌های ۳۰۹، ۳۱۴، ۳۳۰،۳۵۲، ۳۷۴،۴۰۲ و ۴۲۲ نانومتر با دو قلۀ پرشدت در ۳۳۰ و ۳۵۲ نانومتر مشاهده شدند. در ادامۀ کار، پارامتر حد آشکارسازی برای مواد مورد آزمایش در فاصلۀm ۲ نیز اندازه‌گیری شد. حد آشکارسازی برای تی¬ان¬تی mg ۳۶، پیکریک ‌اسید mg۳۰، ۳ و ۵ـ دی‌نیتروبنزوئیک اسیدmg ۲۷ و برای ۴ـ نیتروبنزوئیک اسید mg۲۳ به¬دست آمد. در دومین چیدمان آزمایشگاهی، پلاسمای مواد (در حد مقدار mg ۴۵) تحت خلا تولید ‌شد و طیف گسیلی آن‌ها شامل خطوط C2، N، O و H بود. در نهایت، با رسم نمودارهای کالیبراسیون هردو چیدمان برای نمونه‌های مختلف و با استفاده از نسبت¬سنجی شدت خطوط گسیلی عناصر ذکر شده و استفاده از یک الگوریتم مناسب، مواد آلی و منفجره به‌دقت خوبی تفکیک و شناسایی شدند. طیف¬های فلورسانس محلول¬های ۰۶/۱ از TNT ، 07/1 از پیکریک اسید، ۲۳/۰ از ۴-¬نیتروبنزوئیک اسید و 2۵/۰ از ۳ و ۵¬-دی نیتروبنزوئیک اسید، با لیزر تحریک کننده دارای طول¬موج nm۴۴۵ و توان W۵/۲ و با استفاده از یک تصویربردار طیفی فلورسانسی به¬دست آمد. قله¬های فلورسانس در این مواد در طول‌موج nm۶۲۵ با شدت¬های مختلف مشاهده شدند. علت مشاهدۀ قله¬ها در طیف فلورسانس، پدیدۀ تشدید در حلقۀ آروماتیک و علت تغییر شدت این قله¬ها، اختلاف در تعداد گروه‌های کشنده و دهندۀ الکترون بر سر حلقۀ بنزن می¬باشد.

امروزه به دلایل خواص منحصر به فرد لیزرها (به خصوص لیزرهای پرتوان) و نیاز انسان¬ها به استفاده از آن¬ها، تولید لیزرهای با بازدهی بالا همواره مورد توجه بوده است. ازآن¬جا که تولید پرتو همدوس در تمامی نواحی فرکانسی امکان¬پذیر نمی¬باشد، تولید پرتو لیزر در فرکانس¬های غیرقابل دسترس با استفاده از تبدیل غیرخطی نور صورت می¬پذیرد. در سال¬های اخیر، نوسانگر پارامتری نوری، به عنوان یک روش تولید پرتو همدوس در نواحی طیفی غیر قابل دسترس، مورد توجه بوده است.
با توجه به این¬که خصوصیات کوک¬پذیری و پایداری نوسانگرهای پارامتری نوری پالسی پرتوان، تحت تاثیر اثرات گرمایی متنوع قرار دارند و منجر به یک شیب دمایی، به¬ویژه در سطح مقطع بلور، می¬شوند، می¬توان ادعا کرد که از میان تمامی بلورهای غیرخطی، بلور KTP به دلیل داشتن خواص منحصر به فردش از جمله زاویۀ پذیرش بزرگ، آستانۀ آسیب بالا، ضریب غیرخطی موثر بزرگ، walk-off کم و مناسب برای دمش چند مدی، به¬عنوان مهمترین بلور نوسانگر پارامتری نوری برای دستیابی به منابع لیزری ایمن¬چشم در ناحیۀ مادون‌قرمز میانه می¬تواند گزینۀ بسیار مناسبی باشد. یکی از عوامل محدود کننده برای رسیدن به بازدۀ بالا، اثرات گرمایی حاصل از تولید گرما در بلورهای غیرخطی است.
در این پایان¬نامه، یک مدل نظری برای بررسی اثرات گرمایی در فرآیند نوسانگر پارامتری نوری پالسی ارائه شده است. برای رسیدن به این هدف، ابتدا معادلۀ گرما و سپس معادلۀ عدم تطبیق فاز القاء شدۀ گرمایی حل می¬شود. در مرحلۀ بعد، معادلات جفت¬شدۀ میدان، با و بدون در نظر گرفتن ضرایب جذب نوری بلور در طول-موج¬های دمش، سیگنال و آیدلر بررسی شدند. در نهایت، عدم تطبیق فاز القاء شدۀ گرمایی، برای چندین دما محاسبه شد و در معادلات میدان وارد شد. با این کار، تاثیر تولید گرما بر بازدۀ پرتو سیگنال بررسی شد. به دلیل پیچیدگی‌های ریاضی مساله، معادلات دیفرانسل از طریق محاسبات عددی و به روش تفاضل محدود حل شدند. حل معادلات از طریق کدنویسی و با زبان فرترن انجام شده است.
 

امروزه استفاده از هماهنگ دوم لیزرهای حالت جامد آلاییده با نئودیوم، نظیرNd:YAG، یکی از سودمند ترین روش‌‌های تولید نور سبز همدوس است. هماهنگ دوم طول موج nm1064 که خروجی لیزر مادون قرمز نزدیک Nd:YAG است، توسط بلورهای غیرخطی‌‌ای نظیر KTP، LBO، BBO و ... تولید می‌‌شود. با وجود بازد نسبتاً بالای لیزرهای حالت جامد نسبت به لیزرهای گازی سبز نظیر آرگون، اثرات گرمایی ناشی از جذب نوری در بلورهای حالت جامد، مشکل اصلی این لیزرها است. گرما باعث بروز اثراتی مانند پاشندگی گرمایی، اثر انتها و تنش‌‌های گرمایی می‌‌شود. این اثرات، نهایتاً باعث کاهش بازده و کیفیت پرتوهای خروجی لیزر می‌‌شوند. اثراتی مانند عدسی گرمایی، عدم تطبیق فاز گرمایی القایی، شکستگی بلور و تورم آن، ناشی از عوامل بالااست. در این پایان‌‌نامه، اثرات گرمایی تولید شده در بلور KTP تحت دمش با لیزر مادون قرمز نزدیک nm 1064 با یک مدل تحلیلی و تقریبی بررسی می‌‌شود و بازده تولید هماهنگ دوم تحث اثرات گرمایی بررسی می‌‌شود. برای این کار، ابتدا معادلۀ گرمای فوریه با در نظر گرفتن گرمایش بلور توسط موج اولیه و موج هماهنگ دوم به صورت تحلیلی حل و توزیع دمایی در سرتاسر بلور محاسبه می‌‌شود. سپس، عدم تطبیق فاز گرمایی القایی محاسبه می‌‌شود. با استفاده از مدل دو موجی امواج برهم‌‌کنشی غیرخطی در بلور، معادلۀ موج غیرخطی جفت‌‌شده در حالت ایده‌‌آل حل شده و تغییرات میدان‌‌های اولیه و هماهنگ دوم در راستا و شعاع بلور محاسبه می‌‌شوند. سپس جملۀ عدم تطبیق فاز گرمایی القایی به‌‌صورت تابعی از مکان وارد معادلات میدان شده و جواب‌‌های جدید استخراج می‌‌شوند. نتایج نشان می‌‌دهند که بازده تولید هماهنگ دوم تحث اثرات گرمایی نسبت به حالت ایده‌‌آل کاهش چشمگیری دارند. به ویژه این¬که، با افزایش توان، بازده کاهش می‌‌یابد. این مدل می‌‌تواند در طراحی‌‌های تجربی لیزرهای حالت جامد غیرخطی، برای بررسی و کاهش اثرات گرمایی مورد استفاده قرار گیرد.

گرافین، به عنوان اولین ماده دو بعدی، به دلیل کاربردهای شگفت انگیزش، طیف گسترده ای از تحقیقات را به خود جلب کرده است. در این پایان نامه، گرافین کم لایه به روش رسوبدهی بخار شیمیایی (CVD) بر بستر مس با استفاده از مخلوطی از گازهای متان، هیدروژن و آرگون در فشار اتمسفر تولید شد. پس از سنتز گرافین، با استفاده از پلی متیل متاکریلات PMMA،گرافین به بسترSiO₂/Si منتقل شد. مشخصه یابی ورقه های گرافینی از طریق الگوی پراش پرتو ایکس (XRD)، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX)، تصاویر میکروسکوپ نوری و طیف سنجی رامان انجام شده است. در مرحلۀ بعد، مشخصه یابی I-V ورقه های گرافینی بر روی بستر FTO انجام شد. پاسخ آشکارساز نوری، زمان صعود، زمان افت و بازده کوانتومی خارجی در معرض نور لامپ زنون با استفاده از فیلترهای نوری آبی، سبز و قرمز اندازه گیری شد. نتایج زمان صعود و زمان افت آشکارسازی نوری گرافین در حدود چند ده ثانیه نشان داده شد. درنهایت، گرافین در معرض 0/02% حجمی از گازهای متان، دی اکسیدکربن، هیدروژن و اکسیژن قرار گرفت. حساسیت، زمان پاسخ و زمان بازیافت گرافین در معرض گازها اندازه گیری شد. حساسیت گرافین برای گازهای متان، دی اکسیدکربن، هیدروژن و اکسیژن به ترتیب برابر 19 %، 23 %، 17 % و 18 % بوده و زمان پاسخ و زمان بازیافت گرافین در حدود چند صد ثانیه بوده است.

 اثر فانو به عنوان یک تشدید که نتیجۀ تداخل دو مد است شناخته می شود. در حوزۀ فیزیک کوآنتومی، جفت شدگی بین دو گذار اتمی از حالت پایه، یکی به حالت پیوسته (یونش) و دیگری به حالت گسسته (خودیونش) تشدید فانو را ایجاد می¬کند. وجه مشخصۀ این نوع تشدید، نمایۀ نامتقارن سطح مقطع خاموشی در طیف انرژی (فرکانس) است که نتیجۀ مستقیم تداخل های سازنده و ویرانگر دو مد با اختلاف فاز مشخص در فاصلۀ فرکانسی نسبتاً کوچک است. اثر فانو، به عنوان یک اثر تداخلی در زمینه های متفاوتی از جمله فیزیک هسته¬ای، فیزیک اتمی و... پدیدار می شود. در دهۀ اخیر، حضور این پدیده در پلاسمونیک (نورشناسی نانوذرات فلزی) بسیار پررنگ بوده است. اثر فانوی پلاسمونی، جفت شدگی بین یک مد روشن پهن و یک مد تاریک باریک است که به سبب اختلاف فاز نسبی شان، نمایۀ خاموشی نامتقارن فانو را ایجاد می کنند. یکی از ویژگی-های بارز تشدید پلاسمونی فانو، ارتقاء میدان بسیار قوی در فرکانسی بین بیشینه و کمینۀ نمایۀ نامتقارن خاموشی است.مدهای تاریک، مدهایی هستند که به تنهایی تحت نور فرودی برانگیخته نمی شوند و برای روشن کردن آنها یا باید در معرض میدان نزدیک قوی مدهای روشن (مد دوقطبی) قرار گیرند و یا باید در مدهای ترکیبی ظاهر شوند. از آنجایی که موقعیت فرکانسی و توزیع میدانی مدهای پلاسمونی، کاملاً به هندسه و جنس نانوذرات فلزی وابسته است، تشدید فانو را می توان با تغییر این دو پارامتر به خوبی کنترل کرد. یک تشدید فانوی خوب تشدیدی است که بتواند ارتقاء میدان قابل توجه ای ایجاد کند، درۀ عمیق تری در نمایۀ نامتقارن طیف خاموشی به¬وجود آورد و فاصلۀ فرکانسی کوچکی بین بیشینه و کمینۀ نمایۀ سطح مقطع خاموشی خود داشته باشد. در این پایان نامه، از نانوذرات فلزی هلالی - شکل در سامانه های سه ـ تایی (دُلمِن ـ شکل) برای نشان دادن تشدید فانوِ چندگانه، در بازۀ طیف مرئی تا فروسرخ، استفاده شده است. مساله از طریق حل معادلۀ موج الکترومغناطیسی ماکسول و سپس محاسبۀ سطح مقطع خاموشی نانوذرات برای حالت های تک ـ هلالی، دوـ هلالی مقابل هم و سه ـ هلالی و با استفاده از روش عددی عناصر محدود انجام شده است. نانوذرات هلالی، به دلیل عدم تقارن ذاتی، می توانند اثر فانو را از طریق مدهای ترکیبی نمایش دهند. سامانه های دلمن ـ شکل همچنین قادرند تشدید فانو را از طریق روشن کردن مدهای تاریک اجزاء خود در میدان نزدیک سایر اجزاء نشان دهند. این ساختار سه¬جزئی همچنین می تواند تشدید فانو از طریق تداخل مدهای ترکیبی و مد میدان نزدیک ایجاد کند و سبب ایجاد اثر چندگانۀ فانو شود. از آنجایی که مدهای پلاسمونی به قطبش نور فرودی بستگی دارند، برخلاف ساختارهای دلمن ـ شکل معمولی (مستطیلی)، این ساختار می تواند در هر دو قطبش نور فرودی اثر فانو چندگانه را به نمایش بگذارد. همچنین در این پایان نامه، اثر باریک شدن هلال ها در ایجاد مدهای مرتبۀ بالاتر نیز بررسی شده است که منجر به نمایۀ تیزتری شده است. در انتها به عنوان یک کاربرد، اثر تشدید فانو بر جذب سلول های خورشیدی بررسی شده است.

لیزر یون آرگون با تولید طول‌موج‌های قوی در 488 و 514 نانومتر در ناحیه سبز¬ـ¬آبی یکی از مهم‌ترین لیزرهای گازی یونی سبز به‌شمار می‌رود.مهم‌ترین خاصیت این لیزر،توانایی تولید حدود ده طول‌موج پیوسته با توان چند میلی‌وات تا ده‌ها وات در ناحیه مرئی است. در این پایان‌نامه، یک لیزر یون آرگون پرتوان با توان اسمی 40 وات تحلیل، تعمیر و بازسازی شد. تمام قطعات و قسمت¬های آن شامل تیوب لیزر، سیستم خلاسازی و گازرسانی، منبع تغذیه، سیستم خنک‌کننده، سیستم تریگرینگ و پنل کنترلی بازسازی و تعمیر شدند. منبع تغذیه این لیزر که از نوع منبع جریان است و توانایی تولید 120 آمپر در ولتاژ حدود 550 ولت را دارد، با تعویض خازن‌ها و تریستورها و تعمیر سایر مدارت الکترونیکی قدرت، راه‌اندازی شد. تیوب این لیزر که شامل 74 دیسک آلومینیومی آنودایزشده است و به‌خاطر خوردگی دچار نشتی شده بود، تعمیر و راه‌اندازی شد. همچنین سیستم خنک‌کنندهآن با استفاده از یک مدار آب یون‌زدایی‌شده بسته ساخته شد. سیستم گازرسانی تیوب، که تیوب را در فشار میلی‌بار پر از گاز آرگون می‌کند، تعمیر و بازسازی شد. سیستم کاواک نوری که شامل دو آینه با بازتاب بالا (درعقب کاواک) و آینه مقعر با مقداری عبور (در جلو کاواک) است، راه‌اندازی و تنظیم شد. این سیستم در عین حالی که باید تنظیم باشد، باید از نشت گاز جلوگیری کند و از پلاسمای داغ نیز دور باشد. سیستم تریگرینگ که کار راه‌اندازی اولیه لیزر را به عهده دارد، تعمیر و بازسازی شد و به‌خوبی توانست با ایجاد پالس‌های ولتاژ بالا، کار تخلیه اولیه را انجام دهد.در نهایت لیزر روشن شد و خروجی سبز همدوس آن آشکارسازی شد. در ادامه، کاواک لیزر حالت جامد تیتانیوم سافایر، که توسط خروجی سبز لیزر یون آرگون دمیده می‌شود، بازطراحی و ساخته شد و پایداری آن به تایید رسید.این لیزر می‌تواند در محدودۀ660 تا 1180 نانومتر خروجی کوک‌پذیر تولید کند که برای کارهای پژوهشی و مخصوصاً طیف‌سنجی بسیار کاربردی است.

در این پایان¬نامه، لامپ ¬های درخش و قوس آرگون و کریپتون به همراه مدار راه¬اندازی سوئیچینگ دستی لامپ درخش طراحی و ساخته شدند. در ابتدا، برای بهینه¬سازی کمیت¬های مهم لامپ درخش مانند ولتاژ آستانه، ولتاژ و جریان کار، چگالی توان نوری و طیف گسیلی، به ساخت لامپ درخش و قوس Tـ¬شکل پرداخته شد ولی در نهایت روی ساخت لامپ¬های خطی کار شد. به¬طور اساسی، هر لامپ درخش شامل دو قسمت محفظه و مدار راه¬اندازی است. در قسمت محفظه، به¬طور عمده از تیوب شیشه¬ای بوروسیلیکات با ضخامت دیوارۀ mm 5/1، قطر داخلی mm 5 و در طول¬های مختلف استفاده شد. همچنین از الکترود¬های آلیاژی تنگستنی جوش آرگون از جمله تنگستن¬ـ اکسید سزیم با قطر mm 3 به¬عنوان کاتد و تنگستن¬ـ %2 اکسید توریم و تنگستن خالص با قطر mm 3 به¬عنوان آند استفاده شدند. در قسمت آب¬بندی الکترودها به تیوب شیشه¬ای، برای کاهش تنش¬های ناشی از اختلاف انبساط حرارتی شیشه و فلز، آلیاژی شناسایی شد )نیکل¬ـ¬آهن %50 ـ %50( که اختلاف انبساط حرارتی نزدیک به شیشه داشت. هر الکترود را که شامل دو قسمت گسیلنده الکترون (نوک الکترود) و متصل کننده به تیوب شیشه¬ای (انتهای الکترود) است، از قسمت متصل کنندۀ آن به تیوب، به میل¬گرد NiـFe %50 ـ %50 تحت جوشکاری آرگون متصل کردیم. با استفاده از این آلیاژ، ما موفق به آب¬بندی بدون نشتی و مستحکم شیشه به فلز شدیم. برای از بین بردن تنش¬های پسماند، عملیات بازپخت تیوب را در کوره حرارتی انجام دادیم. ما توانستیم لامپ¬هایی با الکترود کاتد تنگستن¬ـ اکسید سزیم و آند تنگستن¬ـ %2 اکسید توریم طراحی کنیم که کمترین ولتاژ آستانه و ولتاژ کار را در هنگام راه¬اندازی نسبت به سایر الکترودهای به¬کار رفته، دارند. همچنین به طراحی و ساخت مدار راه¬اندازی سوئیچینگ دستی لامپ درخش پرداخته شد. این مدار شامل چهار قسمت پالس¬ساز، افزایندۀ ولتاژ، دشارژ و تریگر خارجی با سوئیچینگ دستی بود. دشارژ اصلی با ولتاژV 700، فرکانس حدود kHz 62، انرژی دشارژ J 75/5 و توان kW 375 انجام شد. همچنین مدار تریگر خارجی سوئیچینگ دستی با فرکانس Hz 25/0 و در ولتاژ 10 تا kV 15 طراحی شد. این مدار، روی لامپ درخش آرگون با مشخصاتی شامل: طول قوس mm 13، فشار گاز 03/62 و 9/87 تور، جنس تیوب بوروسیلیکات با ضخامت mm 5/1 و قطر داخلی تیوب mm 5 مورد آزمایش قرار گرفت و توانست لامپ را راه¬اندازی کند.

در بین انواع لیزرهای گازی، لیزر مادون قرمز دور دی¬اکسیدکربن با داشتن بیشترین توان و بالاترین جذب در مواد آلی و معدنی، کاربردهای وسیعی در پزشکی و صنعت دارد. در این پایان¬نامه، گزارش طراحی و ساخت یک لیزر گازی دی¬اکسیدکربن پیوسته¬کار در طول¬موج 6/10 میکرومتر ارائه می¬شود. در این لیزر، از گازهای کمکی هلیوم (به¬عنوان تخلیۀ کنندۀ دی¬اکسیدکربن و خنک¬کننده لیزر) و نیتروژن (به¬عنوان کمک¬کننده در برانگیختگی مولکول¬های دی¬اکسیدکربن) با نسبت¬های مختلف استفاده شد. تیوب اصلی لیزر، در فشارهای گاز پایین¬تر از فشار جو و به¬صورت طولی توسط ولتاژ بالا دمیده شد. از یک آینۀ مقعر تمام بازتاب با شعاع انحنای 5 متر و با روکش سیلیکون، به¬عنوان آینۀ عقب، و از یک آینۀ تخت از جنس کوارتز با روکش سلنیدروی و چند درصد عبور، به¬عنوان آینۀ خروجی لیزر، استفاده شد. به¬علت تجزیۀ گاز دی¬اکسیدکربن در هنگام لیزردهی، که منجر به کاهش توان می¬شود، از سامانۀ جریان گاز استفاده شد تا به¬طور مداوم گاز تازه به داخل تیوب تزریق شود. در این لیزر گازی، از طراحی¬های جدید برای کاتد و آند استفاده شد؛ به¬گونه¬ای که بتوان ضمن تعویض قطعات آسیب¬دیده مانند الکترودها، آینه¬ها و ورودی گاز و اتصال ولتاژ بالا، کارایی لیزر را نیز افزایش داد. تمام قطعات این لیزر، در آزمایشگاه طراحی و سپس تراشکاری ¬شدند. برای ساخت تیوب دوپوستۀ لیزر، از دو لولۀ شیشه¬ای پیرکس ضخیم برای لولۀ گاز (لولۀ داخلی) و لولۀ آب (خنک¬کننده) استفاده شد. از یک قطعۀ طراحی¬شدۀ پلی¬آمید، اورینگ و چسب سیلیکون برای اتصال هم¬محور دو لولۀ گاز و آب استفاده شد. کاتد و آند لیزر، با طراحی جدید، به صورت چهار قطعه¬ای طراحی و ساخته شدند؛ به گونه¬ای که اتصال دهندۀ لوله¬های گاز و آب (از جنس پلی¬آمید)، ورودی گاز و اتصال¬دهندۀ ولتاژ بالا، نگهدارندۀ آینه¬ها و الکترودهای متحرک (از جنس استیل 304)، توسط پیچ و اورینگ آب¬بندی شدند. از سه نسبت مخلوط مولی گازهای به¬صورت 1:1:3، 5/6: 5/12: 1 و 1:1:19 به¬ترتیب برای دی¬اکسیدکربن، نیتروژن و هلیوم برای بهینه-سازی توان لیزر استفاده شد. در نهایت، مخلوطی با نسبت مولی 1:1:3 و فشار Torr 200 در تیوب گاز و با ولتاژ تخلیۀ kV 27، به-عنوان حالت بهینۀ لیزر انتخاب شد.

در این پایان¬نامه، دیودهای نورگسیل آلی (OLED) نانوساختار تک¬لایه، دو¬لایه، سه¬لایه و چهار¬لایه با مادۀ فعال MEH-PPV ساخته شدند و ولتاژ ¬کاری آن¬ها تا حد امکان، با افزودن لایه¬ها، کاهش داده شد. برای لایه¬نشانی مواد دیود، از روش لایه¬نشانی چرخشی برای پلیمرها و تبخیر حرارتی در خلا برای ریزمولکول¬ها و آلومینیوم استفاده شد. در ابتدا یک دیود تک¬لایه با ساختار ITO/MEH-PPV/Al(165 nm) ساخته¬ شد. سپس به¬منظور تزریق بهتر حامل¬های بار، بررسی تاثیر افزودن لایه¬های انتقال¬دهندۀ حفره، لایۀ انتقال¬دهندۀ الکترون و لایۀ بافر بر ولتاژ روشن شدن دیود، لایه¬های تزریق¬کنندۀ حفرۀ PEDOT:PSS و انتقال¬دهندۀ الکترون Alq3 اضافه شدند و در نهایت لایۀ بافر و تزریق کنندۀ الکترونLiF اضافه شدند. در این کار، دور¬های لایه¬نشانی مختلف که معادل با ضخامت¬های متفاوت برای لایه می¬باشد، بررسی می¬شدند که کاهش ولتاژ کاری، افزایش راندمان و تغییر رنگ، هدف نهایی این پایان¬نامه بود. برای هر ساختار دیودی، چهار دور لایه¬نشانی متفاوت برای لایۀ گسیلندۀ MEH-PPV، مورد برررسی قرار گرفت. دورهای انتخابی برای این لایه 3000، 4000، 5000 و rpm 6000 بودند. برای دیود تک¬لایه، ساختار ITO/MEH-PPV(6000 rpm)/Al(165 nm) کمترین ولتاژ روشن شدن را نسبت به دور¬های لایه¬نشانی دیگر لایۀ گسیلنده را داشت که مقدار این ولتاژ 98/12 ولت بود. ولتاژ روشن شدن، برای ساختار دیود دو لایه ITO/PEDOT:PSS(2000 rpm)/MEH-PPV(6000 rpm)/Al(165 nm) ، 1/7 ولت و برای ساختار سه¬لایۀ ITO/PEDOT:PSS(2000 rpm)/MEH-PPV(4000 rpm)/Alq3(50 nm)/Al(165 nm)، 09/7 ولت به¬دست آمد. وجود Alq3، بازده جریان دیود را به¬طور چشم¬گیری افزایش داد. برای دیود چهار¬لایه با ساختار ITO/PEDOT:PSS(2000 rpm)/MEH-PPV(5000 rpm)/Alq3(50 nm)/LiF(5 nm)/Al(165 nm)، ولتاژ کاری به 97/3 ولت کاهش یافت. همچنین یک دیود دو¬لایه با نور سبز با ساختار ITO/TPD/Alq3/Al و ضخامت¬های متفاوت ساخته شد. برای ساختار ITO/TPD(61 nm)/Alq3(40 nm)/Al(180 nm) ، کمترین ولتاژ روشن شدن، 1/6 ولت به¬دست آمد. همچنین در این پایان¬نامه، خواص نوری و سطحی لایه¬ها با روش¬هایی از جمله طیف¬سنج جذبی UV-Vis، طیف¬سنجی نشری، مختصات رنگ، فوتولومینسانس، AFM و DEKTAK بررسی شدند.

در این پایان نامه، لیزر¬های حالت جامد Nd:YAG را با روش¬های دمش مختلف مورد بررسی قرار دادیم. با استفاده از لامپ زنون اتومبیل توانستیم بلور لیزری Nd:YAG با ابعاد mm 6mm 65 و ناخالصی %1/1 نئودیمیوم بدمیم و طول¬موج nm 1064 تولید کنیم. برای این کار، یک کاواک آلومینیومی با سطح¬مقطع تک بیضی برای محفظۀ دمش لیزر طراحی و تراشکاری کردیم. سپس آن را پولیش دادیم و در ادامه با آلومینیوم %9/99 از طریق تبخیر حرارتی لایه¬نشانی کردیم. دو در¬پوش از جنس پلکسی نیز برای کاواک طراحی و تراشکاری کردیم و با آلومینیوم لایه¬نشانی انجام دادیم. همچنین برای خنک سازی سامانۀ لیزری، از آب دو¬بار¬یونیزه استفاده کردیم. در نتیجه طول¬موج پیوستۀ 1064 نانو¬متر را تولید کردیم. برای بررسی بیشتر لیزر¬های Nd:YAG از یک کاواک سرامیکی با سطح¬مقطع جفتیدۀ نزدیک استفاده کردیم. چون سرامیک نسبت به آلومینیوم رسانندگی گرمایی بالا¬تری دارد و می¬تواند باعث کاهش اثرات گرمایی ایجاد شده در اثر دمش شود. از یک میلۀ لیزری Nd:YAG با درصد آلایش %1/1 و ابعادmm 5 mm 80 به¬عنوان محیط فعال و از یک لامپ درخشی زنون با قطر داخلی 7 میلی-متر، طول قوس 3 اینچ و بسامد 2/0 هرتز به¬عنوان منبع دمش استفاده شد. از آینۀ 100% بازتاب¬کننده در طول¬موج 1064 نانو¬متر برای عقب لیزر و آینه¬های با درصد بازتاب مختلف¬، به عنوان آینۀ خروجی، استفاده شد. سپس با استفاده از روش فاندلی¬ـ¬کلی و استفاده از سه آینۀ مختلف برای خروجی، بهره و افت آستانه اندازه¬گیری شدند. در نهایت لیزر برای بهترین آینۀ خروجی، بهینه شد. در ادامه، زاویۀ واگرایی، اندازۀ لکه و عامل M2 در انرژی¬های مختلف پرتو لیزر اندازه¬گیری شد. همچنین بازده الکتریکی به نوری لیزر Nd:YAG را نیز به¬دست آوردیم. در بخش بعدی به طراحی، ساخت و بهینه¬سازی لیزر Nd:YAG دمیده شده با آرایۀ لیزر دیودی پرداختیم و بهینه¬ترین آینۀ خروجی لیزر را به¬دست آوردیم و برخی پارامتر¬های خروجی لیزر از جمله بازده نوری¬ـ¬نوری آرایۀ لیزر دیودی، بازده نوری¬ـ¬ نوری و الکتریکی¬ـ¬نوری لیزرNd:YAG، میزان واقطبیدگی پرتو خروجی، زاویۀ واگرایی و عامل انتشار پرتو را نیز توسط چیدمان¬های آزمایشگاهی اندازه¬گیری کردیم. در نهایت فاز و جبهۀ موج را نیز مورد بررسی قرار دادیم و با برپایی چیدمان آزمایشگاهی مناسب، اثر گرما را بر فاز و جبهۀ موج پرتو بررسی کردیم. سپس، توزیع دما درون میلۀ لیزری Nd:YAG دمیده شده با لامپ درخش زنون را شبیه¬سازی و بررسی کردیم. در این کار یک کاواک کلی لیزری را شبیه¬سازی کرده و با حل معادلۀ چشمۀ گرمایی و بررسی دقیق فیزیک مسئله، توزیع دما را در نقاط مختلف کاواک به¬دست آوردیم. در فصل ششم، توزیع دما در بلور لیزری Nd:YAG تحت دمش جانبی توسط لیزر دیود آرایه¬ای را محاسبه کردیم. سه آرایۀ لیزر دیودی با زاویۀ 120 درجه نسبت به هم و در اطراف بلور لیزری در نظر گرفتیم و توزیع دمای بلور را تحت دمش این سه آرایۀ لیزر دیودی بررسی کردیم. به علت نحوۀ دمش، توزیع دما نامتقارن بود.

بیشتر نشر نوری نقاط کوآنتومی، در فرکانس¬های مشخصی که توسط جنس و ابعاد ماده تعیین می¬شوند، به¬صورت خودبه¬خودی است. امروزه به¬دلیل کاربردهای گستردۀ نقاط کوآنتومی در منابع تک¬فوتونی، آشکارسازها، لیزرها، دیودهای نورگسیل، سلول¬های خورشیدی و اطلاعات و ارتباطات کوآنتومی، کنترل نشر خود¬به¬خودی که می¬تواند بازده این سامانه¬ها را افزایش دهد، مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به فرمول¬بندی الکترودینامیک کوآنتومی درون کاواکی، آهنگ نشر خودبه¬خودی نسبت مستقیمی با چگالی حالت¬های نوری جایگزیده دارد. یک کاواک نوری، محیطی را فراهم می¬آورد که در آن چگالی حالت¬های نوری جایگزیده می¬تواند به شدت افزایش یابد. این امر موجب افزایش نشر خودبه¬خودی گسیلنده می¬شود. از جمله ویژگی¬های کاواک که باعث افزایش نشر خودبه¬خودی می¬شود، عامل کیفیت بالا و حجم مدی موثر پایین است. در این پایان¬نامه، با هدف کنترل نشر خودبه¬خودی نقاط کوآنتومی InGaN/GaN، سه نوع کاواک معرفی می¬شود: 1- کاواک¬های بلور فوتونی دی¬الکتریک دوبعدی و تیغه¬ای که از ایجاد یک نقص مرکزی در بلور فوتونی تشکیل می¬شوند؛ 2- نانوآنتن¬های پاپیونی پلاسمونیکی که از مقابل هم قرار گرفتن نانوذرات فلزی کشیده تشکیل می¬شوند؛ 3- کاواک¬های پلاسمونیکی ترکیبی که از قرار گرفتن نانوآنتن پلاسمونیکی در مرکز کاواک بلور فوتونی دی¬الکتریک ایجاد می¬شوند. با توجه به طیف تابشی نقطۀ کوآنتومی InGan/GaN که در محدودۀ نور سبز قرار می¬گیرد، پارامترهای مربوط به کاواک به¬گونه¬ای بهینه شدند که طول¬موج مد کاواک در این محدوده قرار گیرد. از طریق حل معادلۀ موج الکترومغناطیسی در کاواک¬های مختلف، عامل کیفیت و حجم مدی موثر کاواک¬ها محاسبه شدند. روش محاسبه براساس عناصر محدود و در سه بعد مکان صورت گرفت. ماشین¬های محاسباتی پرقدرت با مشخصات پردازندۀ Core i7 و حافظۀ موقت 32 گیگابایت برای این محاسبات مورد استفاده قرار گرفتند.

 

ترکیب پلاسمونیک و فوتوولتائیک، امروزه یکی از راههای افزایش جذب سلولهای خورشیدی است. استفاده از
نانوساختارهای فلزی در نسل سوم سلولهای خورشیدی، با برانگیختگی مودهای مختلف پلاسمونیکی نظیر پلاسمون
سطحی جایگزیده و پلاسمون پلاریتونهای سطحی، شرایط بهداماندازی نور در لایههای نازک جاذب را فراهم کرده و
سبب فزایش قابل توجه در بازده سلولهای نسل سوم شده است. در این پایاننامه، اثر حضور نانونوارهای فلزی با جنس
نقره، آلومینیوم، مس و طلا در بالای سلولهای خورشیدی فوق نازک سیلیکون بلوری بررسی شده است. به این منظور،
برای بهدست آوردن توزیع میدان الکتریکی درون لایۀ فوق نازک سیلیکون، از حل معادلات میدان به روش عددی المان
محدود و برای محاسبۀ جذب نوری سلولها، از نظریۀ پوئینتینگ استفاده شده است. در این پایان نامه، برای نانونوارهایی
از جنس نقره، آلومینیوم، مس و طلا، کمیتهای ارتقاء جذب نوری، ارتقاء نرخ تولید زوج الکترونـحفره و چگالی جریان
اتصال کوتاه بر حسب سطح مقطع و تناوب نانونوارها بررسی شد. در این کار، سه پدیدۀ پلاسمون سطحی جایگزیده،
پلاریتون پلاسمون سحطی و پراکندگی موثر در قطبش TMو همینطور مودهای موجبری در قطبش TEمطالعه شدند.
نتایج نشان دادند اگرچه ساختار سیلیکونـدیالکتریک ( )SOIبهدلیل صنعتی شدن روشهای تولید یکی از رایجترین
ساختارها در طراحی سلولهای فوتوولتائیک است، ساختارهای فلزـدیالکتریکـفلز ( )MIMدر شرایط کاملاً مشابه
امکان تولید چگالی جریان اتصال کوتاه بیشتری را فراهم میکنند. در قطبش ،TMساختارهای SOIتنها قادر به برانگیخته
کردن مودهای موجبری و پلاسمون سطحی جایگزیده در اطراف نانونوار میباشند در حالی که ساختارهای MIMعلاوه
بر این دو پدیده، قادر به برانگیخته کردن مودهای پلاسمون پلاریتون سحطی نیز میباشد. در این کار، برای اولین بار اثر
سطح مقطع نانونوارها بر جذب و ارتقاء جذب نوری، نرخ تولید زوج الکترونـحفره و چگالی جریان اتصال کوتاه بررسی
شد. در پایان، با مقایسۀ ساختارهای مختلف و نانونوارهایی با سطح مقطع و جنس متفاوت، بهترین ساختار برای جذب
پرتویی کاملاً غیرقطبیده (مانند نور خورشید) نانوساختارهای نقره در آرایش MIMبهدست آمد

در این پایان‌نامه اثر اندازه بر خواص لیزرهای نقطه‌ی کوانتومی مخروطی‌ـ‌شکل InAs/GaAs با لایه¬ی خیس بررسی شد. ابتدا با استفاده از روش محاسباتی اجزای محدود و بهره¬گیری از تقریب جرم موثر، معادله¬ی تک نواری ‌شرودینگر برای دو دسته نقطه¬ی کوآنتومی مخروطی‌‌ـ‌شکل با لایه‌ی خیس حل و توابع موج و ترازهای انرژی پایه، برانگیخته¬ی اول و برانگیخته‌ی دوم (تراز لایه‌ی خیس) به دست آمدند. سپس با استفاده از تابع موج الکترون، دوقطبی¬های گذار و زمان گذار محاسبه و وابستگی آنها به اندازه مشخص شد. در مرحله‌ی بعد، اثر لایه‌ی خیس بر توابع موج و ویژه مقایر انرژی و اختلاف انرژی بین ترازهای پایه، برانگیخته‌ی اول و تراز لایه‌ی خیس بررسی شد. در تمامی مراحل قبل، برای حل معادله‌ی شرودینگر از پتانسیل برهم‌کنشی کولنی ناشی از تجمع الکترون‌ها در نقطه‌ی کوانتومی صرفنظر شد. برای رسیدن به جواب‌های با دقت بالاتر، با حل خودسازگار دو معادله‌ی شرودینگر و پواسون اثر پتانسیل کولنی بر ویژه توابع و ویژه مقادیر انرژی مورد بررسی قرار گرفت. سپس به بررسی تاثیر کسر مولی x بر ویژه مقادیر انرژی و زمان‌های گذار الکترون بین حالت‌های کوآنتومی در نقاط کوآنتومی مخروطی شکلInxGa1-xAs/GaAs پرداخته شد. نتایج بررسی‌های خواص الکترونی نشان دادند که با افزایش ابعاد نقطه‌ی کوانتومی ویژه‌مقادیر انرژی کاهش می‌یابند و سیستم به سمت یک ساختار حجمی میل می‌کند. همچنین در اندازه‌های کوچک، توابع موج در لایه‌ی خیس جایگزیده می‌شوند که با افزایش اندازه، توابع موج وارد نقطه‌ی کوآنتومی می‌شوند. این خروج ناگهانی توابع موج، موجب ایجاد تغییرات سریع در خواص الکترونی و نوری سیستم می‌شود. در مرحله‌ی آخر، با حل معادلات آهنگ لیزر ویژه‌ی یک لیزر سه ترازه، به بررسی و محاسبه‌ی اختلاف جمعیت بین ترازهای لیزری و توان خروجی لیزر پرداختیم. نتایج نشان دادند که با افزایش اندازه‌ی ابعاد نقطه‌ی کوانتومی، ابتدا توان لیزر کاهش می‌یابد و در شعاع 9 نانومتر به حداقل می‌رسد. سپس با افزایش بیشتر شعاع، توان خروجی لیزر افزایش می‌یابد. علت کاهش توان لیزر در شعاع خاص، ورود توابع موج الکترون درگیر در فرآیند لیزری از لایه‌ی خیس به درون نقطه‌‌ی کوانتومی است.

 نانوساختارهای نیم‌رسانا که به آن‌ها نقطه‌ی کوانتومی یا اتم‌های مصنوعی نیز گفته می‌شود، کاربردهای بسیاری در سامانه‌های مختلف از جمله لیزرها و آشکارسازهای نوری پیدا کرده‌اند که این کاربردها به دلیل ویژگی‌های وابسته به اندازه و قطبش آن‌ها است. در هنگام رشد ساختارهای نامتجانس خودسامان‌یافته مثل InAs/GaAs، نقطه‌های کوانتومی در شکل‌های مختلفی مثل هرم و نیمه‌بیضی‌وار رشد می‌کنند. به‌دلیل تفاوت ثابت شبکه بین مواد تشکیل‌دهنده‌ی این ساختارها، جزیره‌های سه بعدی بر روی یک لایه‌ی نازک دو بعدی به نام لایه‌ی خیس شکل می‌گیرند. به دلیل وجود لایه‌ی خیس و هندسه‌ی پیچیده‌ی نقطه‌های کوانتومی، امکان ارایه‌ی حل تحلیلی برای بررسی این نانوساختارها وجود ندارد. بنابراین، برای بررسی نقطه‌های کوانتومی با حداقل تقریب‌ها، از روش‌های عددی مثل روش المان محدود استفاده می‌شود. در این پایان‌نامه، ویژگی‌های الکترونی و نوری گذارهای بین زیرنواری نقطه‌های کوانتومی InAs/GaAs با در نظر گرفتن جفت‌شدگی با لایه‌ی خیس بررسی شدند. بدین منظور و برای به دست آوردن ویژگی‌های الکترونی، معادله‌ی شرودینگر تک نوار در تقریب جرم موثر حل شد. برای به دست آوردن ویژگی‌های نوری، روش ماتریس چگالی کوانتومی استفاده شد. کرنش موجود در این ساختارها به عنوان یک پتانسیل اضافه در پتانسیل محدودیت در نظر گرفته شد. برای بررسی مدل‌های واقع‌گرایانه، جفت‌شدگی بین نقطه‌ی کوانتومی و لایه‌ی خیس در نظر گرفته شد. به دلیل هندسه‌ی پیچیده‌ی نقطه‌های کوانتومی، محاسبات به شکل عددی و با روش المان محدود انجام شد. برای نقطه‌های کوانتومی گنبدی-شکل، نیمه‌بیضی‌وار و هرمی-شکل، ویژه‌مقادیر انرژی، توابع موج، فرکانس‌های گذار، قدرت نوسان، دوقطبی‌های گذار و ویژگی‌های خطی و غیرخطی نوری بر حسب اندازه و هندسه به طور جامع مورد بررسی قرار گرفتند. سه ویژه‌حالت S (به عنوان حالت پایه)، P (به عنوان حالت برانگیخته‌ی اول با تبهگنی دوگانه) و WL (به عنوان حالت شبه‌پیوستار) به همراه گذارهای بین آن‌ها (که معمولاً در محدوده‌ی تراهرتز طیف قرار می‌گیرد) مطالعه شدند. نتایج این کار نشان دادند که گرچه در برخی از پژوهش‌ها، به منظور سادگی در انجام محاسبات از وجود لایه‌ی خیس صرف‌نظر می‌شود، لایه‌ی خیس اثرات قابل توجهی بر ویژگی‌های الکترونی و نوری می‌گذارد. هم‌چنین، نشان داده شد که گذارهای P-to-S و WL-to-P دارای قطبش درون‌صفحه‌ای هستند، در حالی‌که گذار WL-to-S دارای قطبش عمود بر صفحه است. در این کار، برای اولین بار، یک رقابت در شدت جذب و قدرت نوسان بین گذارهای WL-to-S و WL-to-P با تغییر اندازه‌ی نقطه‌های کوانتومی نشان داده شد. برای تمام اندازه‌های نقطه‌ی کوانتومی، نشان داده شد که گذار P-to-S دارای بیشترین جذب خطی بین گذارها است که این موضوع در توافق با پژوهش‌های تجربی است. علاوه بر این، نشان داده شد که برای یک نقطه‌ی کوانتومی نیمه‌بیضی‌وارِ تخت، ویژگی‌های نوری غیرخطی و به ویژه کمیت عدد شایستگی، به دلیل افزایش برهم‌نهی بین حالت‌های P و S افزایش پیدا می‌کنند. در پایان، اثر میدان الکتریکی (اثر استارک) بر روی ویژگی‌های نقطه‌های کوانتومی بررسی شد و نشان داده شد که این اثر می‌تواند به عنوان راهی برای بهبود ویژگی‌های نوری نقطه‌های کوانتومی استفاده شود.

 لیزرهای نور سبز کاربردهای زیادی در پردازش مواد، زیست‌پزشکی، چشم‌ پزشکی، طیف‌سنجی ، ارتباطات زیردریایی، تکنولوژی صفحات نمایش و منابع دمش لیزرهای حالت جامد دارند. یکی از ساده‌ترین راه‌های تولید نور سبز، تبدیل فرکانس بالاسوی از طریق تولید هماهنگ دوم از امواج اصلی است. در این مورد بازده و کیفیت بالای نور خروجی از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از معروف‌ترین و کارآمدترین بلورها برای تبدیل طول موج 1064 نانومتر به 532 نانومتر، بلور است.
یکی از عوامل اصلی محدودکننده، برای رسیدن به بازده و توان بالا، اثرات گرمایی منتج از تولید گرما در بلورهای غیرخطی است.
در این پایان‌نامه، مدلی برای نشان دادن این‌که چگونه فرآیند تولید هماهنگ دوم در یک سیستم موج پیوسته‌ی دوعبوری از گرما متاثر ‌می‌شود ارایه می‌گردد. این مدل بر پایه‌ی هشت معادله‌ی جفت شده بنا شده که به منظور بررسی اثرات گرما بر تولید هماهنگ دوم در یک سیستم دوعبوری نوع دوم، لازم است به طور هم‌زمان حل شوند. این معادلات جفت شده به‌صورت زیر هستند: معادلات مربوط به امواج رفت و برگشت اصلی با قطبش عادی، معادلات مربوط به امواج رفت و برگشت اصلی با قطبش غیرعادی، معادلات مربوط به امواج هماهنگ دوم رفت و برگشت با قطبش غیرعادی، معادله‌ی گرما، و معادله‌ی عدم تطبیق فاز القا شده توسط گرما. لنزشدگی گرمایی نیز از طریق وابستگی ضریب شکست به دما در معادلات موج لحاظ می‌شود.
با توجه به این‌که حل همزمان معادله‌ی موج و گرما در سه بعدی، که ذاتاً متفاوت هستند، یک فرآیند زمان‌بَر است و به حافظه‌ی موقت بالایی احتیاج دارد، یک رویه‌ی محاسباتی، برای کاهش زمان محاسبات و حافظه‌ی مورد نیاز ارایه شده است که حل این معادلات را با استفاده از رایانه‌های شخصی امکان‌پذیر می‌کند.
برای پهنای لکه‌ی 50 میکرومتر، مطابق با آزمایش "بای" و همکارانش [J. Bai,G. Chen, Optics & Laser Technology 34 (4), (2002) 333-336.]]، بازده 29 درصد پیش‌بینی شد که با مقدار به‌دست آمده از آزمایش، که 25 درصد است، در تطابق بسیار خوبی است. همچنین، تحول زمانی بازده تولید هماهنگ دوم با گرم شدن تدریجی بلور بررسی شد. به‌علاوه ما امکان بازده 40 درصد، برای تولید هماهنگ دوم از منبع اصلی با 53 وات را پیش‌بینی کردیم.