فهرست مطالب

فیزیک کاربردی - سال یازدهم شماره 3 (پیاپی 26، پاییز 1400)

مجله فیزیک کاربردی
سال یازدهم شماره 3 (پیاپی 26، پاییز 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/09/22
  • تعداد عناوین: 6
|
  • علیرضا بنانج*، زهره پارسا، مهدیه خطیری، هادی عادلخانی صفحات 7-14

    یکنواختی ترکیب شیمیایی (استوکیومتری) لایه های نازک اپتیکی نقش مهمی در کیفیت لایه ها دارد و افزایش آن موجب افزایش ضریب عبوردهی و آستانه تخریب لیزری و کاهش ضریب جذب می گردد. برای افزایش یکنواختی لایه ها، روش های متفاوتی هنگام عملیات لایه نشانی و پس از آن به کار گرفته می شود. انجام عملیات حرارتی، یعنی گرم کردن لایه های نازک پس از عملیات لایه نشانی، یکی از متداول ترین این روش هاست. دی اکسید تیتانیوم (TiO2)، به عنوان ماده ای با ضریب شکست بالا، یکی از پرکاربرد ترین مواد در فناوری لایه نشانی اپتیکی است. به منظور یکنواختی ترکیب شیمیایی لایه نازک دی اکسید تیتانیوم، پس از عملیات لایه نشانی، تا دمای 400 درجه سانتیگراد به طور یکنواخت گرم می شود. در این تحقیق، وابستگی یکنواختی ترکیب شیمیایی لایه های نازک اپتیکی TiO2، به نرخ عملیات حرارتی (افزایش تدریجی دمای عملیات حرارتی نسبت به زمان) از طریق تحلیل طیف فوتوالکترونی پرتو X نمونه ها بررسی می شود. بدین منظور، پس از لایه نشانی TiO2 به ضخامت 400 نانومتر توسط تفنگ الکترونی روی شیشه اپتیکی BK7، هریک از نمونه ها تحت عملیات حرارتی با نرخ های متفاوت قرار گرفتند. داده های به دست آمده از طیف فوتوالکترونی پرتو X نشان می دهد که نمونه هایی که تحت عملیات حرارتی کند (2٫2 درجه سانتیگراد در هر دقیقه، تا دمای نهایی 400oC) قرارگرفته اند، ترکیب شیمیایی یکنواخت تری دارند و در آنها مقادیر بیشتری از ترکیب شیمیایی TiO2 موجود است. با استفاده از نتایج حاصل می توان آستانه تخریب لیزری آیینه های لیزری را در رژیم تابشی نانوثانیه و فمتوثانیه بهبود بخشید.

    کلیدواژگان: لایه نازک، عملیات حرارتی، طیف نگاری فوتوالکترونی
  • نیلوفر خواجه ئیان، جاسم جمالی*، محمدحسین فاتحی دیندارلو، مهدی تقی زاده صفحات 15-24

    جمع کننده های تمام نوری نقشی کلیدی در تحقق نسل جدید مدارهای دیجیتال تمام نوری ایفا می کنند. در این مقاله، با استفاده از حلقه های تشدید غیرخطی مبتنی بر بلورهای فوتونی دوبعدی ساختار جدیدی برای پیاده سازی نیم جمع کننده تمام نوری طراحی و ارایه شده است. برای پیاده سازی حلقه های غیرخطی از یک لایه میله ناراستی از جنس شیشه آلاییده شده بین هسته و لایه بیرونی حلقه تشدید استفاده شده است. در موادی که ضریب کر بزرگی دارند، ضریب شکست به شدت به تغییرات شدت نور وابسته است، لذا با ترکیب این مواد با تشدیدکننده های تمام نوری می توان سوییچ نوری را پیاده سازی کرد. برای طراحی ساختار پیشنهادی، از دو حلقه تشدید غیرخطی استفاده شده است. هر دو حلقه چنان طراحی شده اند که پرتوهای نوری با شدت نور کمتر از آستانه سوییچ زنی را بین دو موجبر منتقل می کنند. ولی اگر شدت نور بیشتر از حد آستانه سوییچ زنی باشد، حلقه ها نمی توانند پرتوهای نوری را بین دو موجبر منتقل کنند. ساختار طراحی شده با استفاده از نرم افزار آرسافت شبیه سازی شده است. ساختار پیشنهادی دو پایه ورودی و دو پایه خروجی دارد. مطابق با نتایج شبیه سازی ها، در حالتی که هر دو پایه ورودی خاموش است، هر دو پایه خروجی نیز خاموش خواهد بود. درصورتی که فقط یکی از پایه های ورودی روشن باشد، پایه خروجی S روشن می شود و در صورتی که هر دو پایه ورودی روشن باشد، پایه خروجی C روشن می شود. این نتایج کاملا با عملکرد یک نیم جمع کننده مطابقت دارند. بیشترین مقدار برای زمان صعود ساختار طراحی شده برابر ps 1٫5 است.

    کلیدواژگان: بلور فوتونی، نیم جمع کننده نوری، اثر کر، حلقه تشدید غیرخطی
  • سونیا محمد حسینی ترامونی، فریناز روشنی* صفحات 25-35

    رفتار شناگرهای مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی در این مقاله شبیه سازی شده است. سیستم مورد بررسی از شناگرها یا ذرات کروی خودران مغناطیسی معلق در یک جعبه تشکیل می شود. میدان مغناطیسی همگن با تقارن دایره ای در این پژوهش به کار برده شده و از برهم کنش های ذره با ذره، ذره با دیواره و برهم کنش های دوقطبی-دوقطبی نیز صرفنظر شده است. برای توضیح حرکت ذرات از معادله لانژون و برای تحول تابع توزیع چگالی احتمال از معادله فوکر-پلانک استفاده شده است. حل این معادلات در حالت پایا، رفتار جمعی این ذرات مغناطیسی را نشان می دهد. ذرات در غیاب میدان مغناطیسی به طور یکنواخت در فضای جعبه پخش می شود. حرکت ذرات را می توان با اعمال میدان مغناطیسی خارجی کنترل کرد. ذرات در حضور میدان مغناطیسی همگن خارجی در مرزهای جعبه متمرکز می شود و اگر میدان مغناطیسی تابع نمایی فاصله باشد، ذرات در وسط کانال جمع می شود. این نوع پژوهش ها در تحویل هدفمند دارو به بافت های آسیب دیده و جداسازی ذرات مغناطیسی کاربرد دارد.

    کلیدواژگان: ذرات خودران کروی، ذرات مغناطیسی، میدان مغناطیسی همگن
  • سید هاشم عارف*، نسرین فلاح صفحات 36-48

    تشدید پلاسمون سطحی (SPR) برانگیختگی نوسانات تجمعی بار در فصل مشترک فلز و دی الکتریک است. از میان روش های مختلف اندازه گیری مبتنی بر پلاسمون سطحی، روش های برپایه اندازه گیری فاز دارای دقت و حساسیت بیشتری هستند.‎ فاز موج را می توان با دقت مناسبی به روش های مختلف تداخل سنجی اندازه گیری نمود. تداخل سنجی هتروداین قطبشی مسیر مشترک نسبت به روش هتروداین متداول دارای مزیت پایداری در برابر تغییرات ناشی از لرزش و تغییرات دمایی در محیط اطراف است. افزایش حساسیت، به عنوان یکی از چالش های مهم در طراحی و ساخت انواع حسگرهای مبتنی بر SPR، همواره مورد توجه بوده است. در این پژوهش، پس از بررسی نظری افزایش حساسیت فاز ناشی از اضافه نمودن تیغه ربع موج در تداخل سنج هتروداین قطبشی مسیر مشترک، تغییر فاز موج پلاسمون سطحی در چیدمان استاندارد تداخل سنج هتروداین قطبشی مسیر مشترک اندازه گیری می شود و از مقایسه نتایج حاصل با نتایج چیدمان اصلاح شده، افزایش حساسیت به اثبات می رسد. نتایج تجربی افزایش حساسیت حداقل 5/3 برابر را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: تشدید پلاسمون سطحی، افزایش حساسیت فاز، اندازه گیری فاز، تداخل سنجی هتروداین قطبشی مسیر مشترک
  • سید مجید مسدد* صفحات 49-67

    خلیج فارس یک دریای نیمه بسته کم عمق است که از طریق تنگه هرمز به اقیانوس آزاد متصل می شود. ترموکلاین به صورت کاهش شدید دما با عمق در لایه زیرسطحی در نتیجه طبقه بندی ستون آب در خلیج فارس به صورت فصلی روی می دهد. واداشت هایی از جمله باد شمال غربی بر این فرایند تاثیر دارند. در این مقاله، نتایج اندازه گیری های گشت تحقیقاتی مونت میشل 1992 و یک مطالعه عددی (مدل اقیانوسی پرینستون POM) با تنش باد در دو حالت ثابت و میانگین ماهیانه به بررسی تشکیل و توسعه ترموکلاین تابستانه در خلیج فارس پرداخته می شود. نتایج مدل نشان می دهند که با باد متغیر ماهیانه، ترموکلاین مانند آنچه اندازه گیری های تابستان نشان می دهند، توسعه می یابد. به نظر می رسد تشکیل ترموکلاین اکسیژن محلول در ستون آب ناشی از کمبود اختلاط را در نتیجه چینه بندی آب ایجاد شده کاهش می دهد؛ البته تشکیل و توسعه ترموکلاین به صورت یک شیب سریع دما در ستون آب بر انتشار صوت به کار رفته در کاربرد ابزار آشکارسازی در دریا تاثیر دارد. رشد ترموکلاین در خلیج فارس از بهار به تابستان با سرعت بیشتری رخ می دهد که در برخی از منابع این تحقیق در خلیج فارس به این نتیجه رسیده اند. ضرایب همبستگی دما و شوری بین نتایج مدل و اندازه گیری ها به ترتیب 86/0 و 80/0 به دست آمده اند. در این مقاله نتایج تحقیق به دست آمده از مدل POM با اندازه گیری ها مقایسه می شود.

    کلیدواژگان: خلیج فارس، ترموکلاین، مدل عددی، POM، تنش باد
  • آزیتا ناجی*، محسن ملائی زمانی صفحات 68-76

    در این مقاله، درهم تنیدگی گرمایی در شبکه های ستاره ای اسپینی چهار و پنج کیوبیتی، که تحت تاثیر هامیلتونی هایزنبرگ مدل XXX در حضور میدان خارجی تحول می یابند، مطالعه شده است. تاثیر دما، میدان مغناطیسی خارجی، و ضریب جفت شدگی بر درهم تنیدگی در سیستم های مذکور بررسی و مشاهده شد که با افزایش دما درهم تنیدگی کاهش می یابد. همچنین، افزایش تعداد کیوبیت ها سبب کاهش سریع تر درهم تنیدگی برحسب دما می شود. سپس، ترابرد یک حالت درهم تنیده از طریق یک زوج کیوبیت از این شبکه ستاره‎ای در حالت گرمایی با محاسبه میانگین وفاداری مورد بررسی قرار گرفت. با رسم میانگین وفاداری برحسب مقادیر مختلف میدان مغناطیسی خارجی، ضریب جفت شدگی و دما مشاهده شد که با افزایش دما وفاداری ابتدا کم می شود و سپس به یک مقدار ثابت میل می نماید. همچنین، با افزایش میدان مغناطیسی خارجی در ابتدا وفاداری افزایش و سپس، به تدریج کاهش می یابد و در مقدار خاصی از میدان مغناطیسی وفاداری به صفر می رسد. به علاوه، با افزایش تعداد کیوبیت ها وفاداری برحسب دما کاهش پیدا می کند.

    کلیدواژگان: درهم تنیدگی، ترابرد کوانتومی، وفاداری، شبکه ستاره ای اسپینی، حالت گرمایی
|
  • Alireza Bananej *, Zohreh Parsa, Mahdieh Khatiri, Hadi Adelkhani Pages 7-14

    Titanium dioxide (TiO2) is widely used in optical coating technology because of its stability and high index of refraction. The homogeneity of the chemical composition (stoichiometry) of the optical thin films plays an important role in the quality of the layers. Increasing the homogeneity increases the transmission coefficient and the laser-induced damage threshold and decreases the absorption coefficient. To increase the homogeneity of the layers, various methods are used during and after the process of film coating. Annealing (heating the deposited films up to a certain temperature) is a common technique. After the coating process, TiO2 thin film is uniformly heated to 400 °C to obtain the homogenization of the stoichiometry. In this research, the dependence of the homogeneity of the stoichiometry of TiO2 optical thin films on the rate of heat treatment (a gradual increase of heat treatment temperature over time) is investigated by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) of the samples. So, the 400 nm thick TiO2 layers are coated on the BK7 optical glass, utilizing an electron gun. Then, each sample is subjected to heat treatment at different rates. The data obtained from the XPS analysis show that the samples subjected to slow heat treatment (2.2 °C per minute, up to a final temperature of 400 °C) have a more homogeneous stoichiometry and contain higher amounts of TiO2. Based on the results, the laser-induced damage threshold of laser mirrors can be improved in the nanosecond and femtosecond regimes of radiation.

    Keywords: Thin film, X-ray Photoelectron Spectroscopy, heat treatment, stoichiometry
  • Niloofar Khajeheian, Jasem Jamali *, Mohammadhossein Fatehi Dindarlou, Mehdi Taghizadeh Pages 15-24

    All-optical adders play a key role in the next generation of all-optical digital circuits. In this paper, using nonlinear resonance rings based on 2D photon crystals, a new structure has been designed to implement an all-optical half adder. To implement the required nonlinear ring resonators, some nonlinear defects made of doped glass were introduced between the core and outer layer of the resonant rings. The refractive index of nonlinear materials with high Kerr coefficients is very sensitive to the variation of optical intensity, so one can design optical switches by combining these materials with resonant rings. Two nonlinear resonant rings are used for designing the proposed all-optical half adder. Both rings are designed such that they can drop optical waves when the optical intensity is less than the switching threshold, but when the optical intensity is more than the switching threshold, they cannot drop the optical waves. The final structure has two input and two output ports. The proposed structure was simulated using Rsoft photonics CAD. According to the simulation results when both inputs ports are OFF, both output ports will remain OFF. If only one of the input ports is ON, the S port will be ON, and C will be OFF. Finally, when both input ports are ON, the C port will be ON, and S will be OFF. Therefore, these results prove that the proposed structure can work as an all-optical half adder. The maximum rise time for the proposed structure is about 1.5 ps.

    Keywords: Photonic Crystal, Optical half adder, Nonlinear Ring Resonator, Kerr Effect
  • Sonia Mohammad Hosseini Toramuni, Farinaz Roshani * Pages 25-35

    In this paper, the behavior of the magnetic swimmers has been simulated in the presence of an external magnetic field. The studied system is formed of spherical self-propelled particles that have magnetic properties and are suspended in a box. We have applied a homogeneous magnetic field with circular symmetry. The particle-to-particle, particle-to-wall, and bipolar-bipolar interactions have been ignored. The motion of particles has been described by the Langevin equation, and the Fokker-Planck equation has been used for the expression of the evolution of the probability density distribution function. In the steady-state, solving these equations shows the collective behavior of these magnetic particles. In the absence of an external magnetic field, these particles are smoothly distributed in the box. The motion of particles has been controlled by an external magnetic field. Applying an externally homogeneous magnetic field, these particles are concentrated at boundaries. If the magnetic field is an exponential function of distance, particles will collect in the middle of the box. This type of research has applications in targeted drug delivery to damaged tissues and the separation of magnetic particles.

    Keywords: Spherical self-propelled particles, magnetic particles, homogenous magnetic field
  • Seyed Hashem Aref *, Nasrin Fallah Pages 36-48

    Surface plasmon resonance (SPR) is the excitation of cumulative charge oscillations in the metal-dielectric interface. Of the various surface plasmon-based measurement methods, phase-based measurement methods are the most accurate and sensitive. The wave phase can be measured with appropriate accuracy by various interferometry methods. The common path polarization heterodyne interferometry method compared to the conventional heterodyne method has the advantage of stability against changes in the ambient due to vibration and temperature changes. Increasing sensitivity has always been considered as one of the important challenges in designing and manufacturing various types of SPR-based sensors. In this study, after a theoretical investigation of enhancement of the phase sensitivity due to the addition of a quarter-wave plate in the common path polarization heterodyne interferometer, the SPR phase change in the standard common path polarization heterodyne interferometer arrangement is measured. Comparing the results with the results of the modified setup proves the phase sensitivity enhancement. Experimental results show a sensitivity enhancement of at least 3.5 times.

    Keywords: Surface Plasmon Resonance, Increased Phase Sensitivity, Phase Measurement, Common-path Polarization Heterodyne Interferometry (CPHI)
  • Seyed Majid Mosaddad * Pages 49-67

    Persian Gulf (PG) is a shallow semi-enclosed sea that connects to the open ocean through the Strait of Hormuz. Thermocline occurs as a sharp decrease in temperature with depth in the subsurface layer as a result of water column classification in Persian Gulf on a seasonal basis. Impulses such as the northwest wind affect this process. In this paper, according to the results of Monte Michel research (1992) and the numerical study of Princeton ocean model (POM), with wind stress in both steady state and monthly average, the formation and development of summer thermocline in PG is investigated. The model results show that with the monthly variable wind, the thermocline develops as indicated by the summer observations. The formation of thermocline seems to decrease the dissolved oxygen in the water column due to lack of mixing as a result of induced stratification. The formation of thermocline seems to reduce the dissolved oxygen in the water column due to the lack of mixing, which is created as a result of water stratification. Also, the formation and development of thermocline as a fast temperature gradient in the water column affects the sound propagation used in offshore detection devices. According to the results of some sources of this research, The thermocline development happens more rapidly in Persian Gulf from spring to summer. Correlation coefficients of temperature and salinity between the model results and measurements were 0.85 and 0.80, respectively. In this paper, the research results obtained from the POM model are compared with the measurements. The rate of thermocline development was found to be between 0.1 to 0.2 meter per day in the Persian Gulf during the 6 months from winter to early summer

    Keywords: Persian Gulf, Thermocline, Numerical Model, POM, Wind Stress
  • Azita Naji *, Mohsen Mollaei Zamani Pages 68-76

    In this paper, thermal entanglement in four and five-qubit spin-star networks evolved by an XXX Hamiltonian model is studied. We examine the effect of temperature, magnetic field and coupling constant on the concurrence. We will show that the entanglement is decreased by increasing the temperature and the number of qubits. Also, we investigate quantum teleportation via a couple of spin-star networks in a thermal state. The average of fidelity as a function of temperature, magnetic field, and coupling constant is analyzed, too. It will be observed that as the temperature increases, the fidelity first decreases and then tends to a constant value. Moreover, with the increase of the external magnetic field, the average fidelity first increases and then gradually decreases, and in a certain amount of magnetic field, the average fidelity becomes zero. In addition, as the number of qubits increases, fidelity decreases with temperature. The results indicate that mean fidelity increases with increasing coupling constant.

    Keywords: Entanglement, Quantum teleportation, Fidelity, Spin star network, Thermal state