Applications of electromagnetic phenomena in periodic structures

Elektromanyetizma çok geniş bir araştırma sahasını kapsar ve çok düşük frekanslardan optik dalgaboylarına kadar kendisine uygulama sahaları bulur. Elektromanyetizma içinde de periodik yapılar geniş bir araştırma sahası sunarlar. Mevcut periodik araştırma sahaları içinden Fotonik Kristaller ve Metamalzemeler bu tez kapsamında incelenmiştir. Metamalzemeler yapay malzemeler olup, olağandışı elektromanyetik yanıtlar vermek üzere dikkatle düzenlenirler. Metamalzemelerin gösterdikleri bu olağandışı durumlara örnek olarak eksi faz hızı ve negatif kırılım gösterilebilinir. Diğer taraftan da Fotonik Kristaller belirli bantları durdurma ve tamamen yansıtma kabiliyeti gösterme bakımından araştırmalarda yoğunlukla talep görürler. Hatta Fotonik Kristaller günümüzde optik haberleşme ünitelerinde kullanılmak üzere ticari değer taşıyan ürünlere dönüştürülmüşlerdir.Tez çalışmalarının ilk kısmında dalgaboyundan küçük, metamalzeme iliştirilmiş yarıkların iyileştirilmiş geçirgenlik özellikleri ile ilgileneceğiz. Metamalzeme çalışma sahasından esinlenilen rezonatör yapıları dalgaboyundan küçük yarıkların yakınlarına yerleştirildiğinde elektromanyetik dalgaların yarığın hemen dışında lokalize olduğunu gözlemleyebiliriz. Bahsi geçen yarıklar ilgilenilen çalışma bandı içerisinde aslen ortalama onbinde bir gibi geçirgenlik sunarken (elektrik alan şiddeti biriminden) yarık içerisinden yayılımı da çok ciddi şekilde sekteye uğratmaktadırlar. Biz dalga altı rezonatörlerimizle dalga altı yarıklarımızı etkileşime soktuğumuzda şaşırtıcı derecede (tipik olarak 30-50 dB civarında) ilk duruma nazaran yüksek geçirgenlikler elde edebiliyoruz. Bu etki de dalga altı açıklığının çıkış tarafında elektromanyetik dalgaların lokalizasyonu ile eşzamanlı gerçekleşmekte.Bu tek yarık tabanlı çalışmaların üzerine düzenli yarık dizinlerindeki elektromanyetik dalga yayılımlarını da inceledik. İncelenilen yarık dizinlerinin farklı çalışma mekanizmalarını net bir şekilde ortaya koyduk. Bu farklı mekanizmalar yarıkların geçirgenlik dalgaboyu öncesinde yüksek şiddetlerde iletime olanak vermekteydi. Bu farklı durumlarda dahi iyileştirilen geçirgenliğin metamalzemelerin karakteristik özelliği olan sol el yayılım özellikleri ile birlikte ortaya çıktığını gözlemledik. Sol ve sağ el geçirgenlik bantlarının eş zamanlı olarak bu art arda sıralanmış periodik yarık dizinlerinde açılabilineceğini gösterdik.Elektromanyetik dalgaların izledikleri yolları uyarlamak için alternatif olarak dereceli kırılım indeksli Fotonik Kristalleri ile de çalıştık. Bu dereceli kırılım indeksli Fotonik Kristal yapılarında geleneksel dereceli kırılım indeksi optiğini hatırlatır şekilde modifiye edilmiş Gauss-Hermite modlarına rastladık. Elektromanyetik dalgaların bu yapılarda ilerleyişini tartıştıktan sonra bir lens uygulaması önerdik. Önerilen lensin Fotonik Kristal dalgaklavuzları ile birlikte kullanımında bu dalgaklavuzları için iyileştirilmiş giriş ve çıkış bağlaşım katsayılarına yol açtığını gösterdik. Girişteki iyileşme 8 dB kadar ölçülürken, dalgaklavuzunun çıkışında da hizaya sokulmuş (kolimasyon), yarı güç dalga açıklığı 7 dereceye indirgenmiş elektromanyetik dalgayı uzak alan ölçümlerinde gözlemleyebiliyoruz.Son olarak da Fotonik Kristal tabanlı ızgaraları kullanarak optik bir diyot ortaya çıkarmaya çalıştık. Bu ızgaraların Fotonik Kristalin tek yüzüne uygulanması durumunda Fotonik Kristale farklı iki yönden yaklaşan dalganın geçirgenlik katsayıları arasında çok yüksek seviyede kontrast (1000 civarında) elde edilebilineceğini gösterdik. Önerilen optik diyotun Fotonik Kristal ızgaralarının sıfırıncı difraksiyon seviyesini bastırırken, yüksek difraksiyon seviyelerine olanak tanıması yoluyla çalıştığını kanıtladık.