Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2024.

Bibliography: pages 113-128.

Development of biomedical diagnostic tools with enhanced analytical capabilities in the realm of biomedical imaging and sensing is paramount for accurate disease diagnosis and treatment. The prosperous development of biophotonics, fueled by the advancements in metamaterials and photonic crystals (PhC), opens the gate for unprecedented enhancement in imaging and sensing applications. Metamaterials and PhC are engineered periodic composites. Metamaterial, the engineered refractive index material of the cells in the size much smaller than the incident wavelength, exhibiting extraordinary optical properties that can’t be attained in nature. PhC, the cells in the size of the incident wavelength, leading to diffraction of light that results in photonic bandgap formation.
For biological imaging, the resolution of conventional optical systems is constrained by the diffraction limit where the achievable imaging resolution is limited in both the lateral and axial directions to half of the incident wavelength (𝜆/2) and to the incident wavelength (𝜆), respectively. In recent study, Hyperbolic Metamaterial (HMM) has demonstrated sub-wavelength focusing inside of it. However, sub-wavelength imaging in free space of HMM is rarely introduced. The decay of hyperbolic momentum space outside the hyperbolic medium has hindered the realization of sub-wavelength focusing in the near field of HMM. Furthermore, manipulating the negatively refracted waves exiting the HMM have addressed another major obstacle to realize free space sub-wavelength focusing.
Furthermore, while most of the technological advancements in super resolution imaging priorities overcoming the diffraction limit in lateral direction, major challenges related to 3D position localization have remained unaddressed. The lateral and axial light confinement plays the key role for resolving the subcellular fine features against their neighboring background in 3D space. Unfortunately, the intrinsic tradeoff between the lateral and axial light confinement is inevitable and results in the deterioration of the retrieved optical image in 3D space.
For biosensing, near and mid infrared (MID-IR) band of electromagnetic radiation plays the key role for gas and chemical sensing application because it provides molecular fingerprints for most trace gases and molecules. Design of miniature, cost effective photonic integrated circuits (PIC) gas sensors is critically important, due to their significant role in medical applications including disease diagnosis, anesthesia and environmental monitoring of greenhouse gases. To date, the realization of optical gas sensors is mainly based on plasmonic platforms that suffer from the severe inherent dissipation losses engendered by using the noble metals, apart from CMOS incompatibility and the material cost.
This dissertation focuses on designing metamaterial devices and PhC for biomedical imaging beating the diffraction limit in free space. Moreover, it delves into designing of biosensors with remarkable sensitivities and quality factors for gas sensing applications.
Chapter 8 unveils novel designs of biophotonics employed in biomedical applications, classified into four distinct metamaterial and PhC designs.
Initially, we report extended sub-wavelength focusing in free space based on negative refraction of light exiting the HMM. The proposed structure is composed of multilayers of doped InAs /intrinsic InAs integrated with metallic slit. We theoretically simulate the doped InAs/intrinsic InAs HMM and investigate the negative refraction behavior outside the HMM.
The structure is optimized for achieving the highest resolution image in lateral direction with extended focusing in free space. In addition, sub-wavelength focusing in free space has been studied at different doping concentrations.
Secondly, a novel design of superlens based on PhC coupled waveguide (Ph-CWG) structure for high resolution point spread function (PSF) is reported. The lens is able to generate a non-diffraction Bessel beam with a number of focusing points with variant resolution limits. The optimized structure provides high resolution in both lateral and axial directions. Moreover, the design offers the possibility for enhanced focusing depth. The design is further optimized for sensing applications displaying high sensitivity and high quality factors.
Thirdly, we present novel double Fano resonances within the telecommunication wavelength range, based on an all-dielectric silicon metasurface for selective gas sensing applications. Our proposed design comprises periodically coupled nanodisk and nano-bar resonators mounted on a quartz substrate. We demonstrated that the Fano resonances can be precisely tuned across the wavelength range from (𝜆=1.52𝜇m) to (𝜆=1.7𝜇m) by adjusting various geometrical parameters. Furthermore, we have developed and optimized the sensor for the detection of two different gases; carbon monoxide (CO) and nitrous oxide (N2O(.

Fourthly, an ultra-sharp, ultra-sensitive refractormetric nitric oxide gas sensor based on Fano resonance using all dielectric metasurface is proposed. Our proposed design is composed of hybrid system of nano-bar/nano-elliptic all dielectric silicon. The proposed design has reported a significant sensitivity accompanied by remarkable quality factor at the operating wavelength of 5.5128𝜇m, within the spectral window of the nitric oxide.
These novel biophotonic approaches collectively demonstrate the tremendous potential of metamaterials and PhC for revolutionizing biomedical imaging and sensing.

يمثل تطوير أدوات التشخيص الطبي للأمراض، وبالأخص أجهزة التصوير الطبي والمستشعرات، أهمية قصوى في دقة تشخيص الأمراض وعلاجها . وقد أدى التطور الملحوظ في مجال الفوتونيات الحيوية والمعزز بتطويرتقنيات مواد الميتا والبلورات الفوتونية إلى فتح المجال للتحسين الغير مسبوق في مجال التصوير الطبي والإستشعار.
مواد الميتا والبلورات الفوتونية هي مواد مصممة هندسياً في شكل مركبات دورية. مواد الميتا مكونة من خلايا دورية ذات حجم أصغر بكثير من الطول الموجي الساقط عليها، ومن ثم يتيح التحكم بمعامل الإنكسار الضوئي الذي بدوره يوفر خصائص بصرية إستثنائية لا يمكن الحصول عليها من الطبيعة. أما البلورات الفوتونية فتتكون من خلايا دورية بحجم مقارب للطول الموجي الساقط عليها ، ما يؤدي إلى حيود الضوء وحدوث ظاهرة منع مرورالضوء في منطقة ضوئية معينة.
في مجال التصوير الضوئي، الأدوات البصرية المستخدمة عادةً قدرتها التحليلية محدودة بخاصية محدودية الحيود والتي تقتصر قدرة تحليل الصور في الإتجاه العمودي والإتجاه المحوري بحد أقصى إلى نصف الطول الموجي الساقط والطول الموجي الساقط على التوالي. وقد أثبتت دراسة حديثة قدرة مواد الميتا فائقة الإستقطاب على تركيز فائق للضوء كاسرة محدودية الحيود داخل وسط الميتا. على الصعيد الآخر، فإن التركيزالفائق للضوء في الفراغ نادراً ما تطرأ إليه. يعزو ذلك إلى ظاهرة سرعة إضمحلال الكم الحركي في المجال القريب من سطح مواد الميتا فائقة الإستقطاب معرقلاُ بذلك تركيز الضوء خارج الوسط.
إضافة إلى ذلك، معظم الدراسات في مجال التصوير فائق التحليل تركز أولويتها على تركيزالضوء في الإتجاه العمودي للضوء الساقط ، في حين تركيز الضوء في الإتجاه المحوري والذي تتمثل أهميته في التصوير ثلاثي الأبعاد يبقى دون دراسة. وتأتي أهمية تركيز الضوء في الإتجاهين العمودي والمحوري في لعب الدور الأساسي في تصوير المحتويات الدقيقة للخلية دون الخلفيات المجاورة في المجال الثلاثي الأبعاد.
في مجال الإستشعار، فإن المنطقة الضوئية تحت الحمراء القريب والمتوسط تمثل دوراً محورياً في مجال مستشعرات الغازات والمركبات الكيميائية، ذلك لأنها تحتوي على البصمات الجزيئية لأغلب الغازات والمركبات. ويعتبر تصميم أجهزة إستشعار للغازات مصغرة الحجم بتكلفة منخفضة وفي نفس الوقت قابلة للدمج مع الدوائرالفوتونية المتكاملة أهمية حيوية، وذلك لدورها الهام في الإستخدامات الطبية متمثلة في دقة تشخيص الأمراض، التخدير والمسح البيئي للغازات الملوثة. حتى اليوم، تعتمد معظم الدراسات في مجال إستشعار الغازات على المواد البلازمونية والتي تعاني من مشكلات الفقد الكبير في الطاقة بسبب استخدام المعادن الخاملة، هذا بالإضافة إلى صعوبة دمجها بالدوائر الإلكترونية وارتفاع تكلفتها.
نركزفي هذه الدراسة على طرح تصاميم مختلفة من مواد الميتا والبلورات الفوتونية ذات دقة فائقة في التصوير الخلوي كاسرة حد الحيود البصري. من جهة أخرى، نقدم دراسة متعمقة في مجال الإستشعار الحيوي من خلال تصميم مستشعرات ذات حساسية فائقة وجودة عالية لاستشعار الغازات.
الفصل السادس من الدراسة يتناول شرحاً تفصيلياً للتصاميم الفوتونية الحيوية المقترحة للإستخدامات الطبية المتعددة. هذا الفصل مقسم إلى إلى أربع أقسام طبقاً للتصاميم المقترحة وهي:
أولا: نقدم تصميم جديد من مواد الميتا ذات الإستقطاب الفائق قادرة على التركيزالفائق للضوء الساقط كاسرة حد الحيود البصري في الفراغ. يتكون التصميم من طبقات متبادلة من الإنديم زرنيخد المطعم بالشحنات السالبة مع الإنديم زرنيخد العازل ومثبت عليه فتحة معدنية. نقوم بدراسة هذا التصميم رقمياُ للحصول على معامل انكسار سالب عند انتقال الضوء المنتشر من داخل الوسط إلى خارجه. يتم ضبط التصميم للحصول على أعلى دقة تحليل ممتدة في الفراغ. يتم أيضاُ دراسة دقة التركيز الضوئي عند استخدام تركيزات مختلفة من الشحنات المطعمة.
ثانياً: نقدم تصميم جديد لعدسة من البلورات الفوتونية المتكاملة مع ناقل موجات للحصول على نقطة انتشار دقيقة. هذه العدسة قادرة على إحداث طيف بيسيل الغير محايد مكوناُ عدد من نقط الضوء المركزة بقدرات تحليلية متباينة. يتم خلال الدراسة ضبط التصميم للحصول على أعلى دقة في الإتجاهين العمودي والمحوري. وأيضاُ يوفر هذا التصميم إمكانية مد نقطة التركيز في الفراغ. استخدم هذا التصميم أيضاُ كمستشعر ذو حساسية فائقة وجودة عالية.
ثالثاً: نقدم تصميم جديد لمستشعر ضوئي انتقائي للغازات، ذو رنين الفانو المزدوج واقعاً ضمن نطاق ترددات الإتصالات، مبني على مواد الميتا السطحية المصنوعة من السليكون العازل. يتكون التصميم من خلايا دورية مركبة من رنانات متكاملة من الأقراص والمستطيلات النانوية مثبتة على قاعدة من الكوارتز. يوفر التصميم إمكانية ضبط رنين الفانو في نطاق الطول الموجي من (𝜆=1.52𝜇m) إلى (𝜆=1.7𝜇m) من خلال ضبط الأبعاد الهندسية للتصميم. وقد قمنا بتطوير وضبط التصميم لاستشعار نوعين من الغازات هم أحادي أكسيد الكاربون وأكسيد النيتروجين الثنائي.
رابعاً: نقدم تصميم لمستشعر بصري ذورنين فانو حاد وفائق الحساسية لاستشعار غاز أكسيد النيتريك معتمداُ على استشعارالتغير في معامل الإنكسار للوسط المحيط. يتكون التصميم من خلايا مركبة دورياً من رنانات متكاملة من الأقراص البيضاوية والمستطيلات النانوية المصنعة من السيليكون مثبتة على قاعدة من الكوارتز. يتميز هذا التصميم بحساسية استشعار وجودة عالية ضن النطاق حول الطول الموجي 5.5128𝜇m والذي يمثل بصمة جزيئية لغاز أكسيدالنيتريك.
هذه التصاميم البصرية الحيوية مجمعة تبرز الإمكانات الهائلة لمواد الميتا والبلورات الفوتونية لإحداث ثورة في مجال التصوير الحيوي والإستشعار.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.