Η εποχή μας χαρακτηρίζεται από πολλούς ως η ‘’Εποχή της Πληροφορίας’’ και της διακίνησης της. Η καλύτερη λύση σήμερα στα ενσύρματα μέσα μετάδοσης εμφανίζεται να είναι η οπτική ίνα η οποία εξαναγκάζει την τεχνολογία των τηλεπικοινωνιών να μεταπηδήσει από τον κόσμο των ηλεκτρονίων στον κόσμο των φωτονίων. Κατά την μετάδοση της πληροφορίας υπάρχουν όμως φαινόμενα εξασθένησης και παραμόρφωσης του σήματος. Την λύση σε αυτά τα προβλήματα καλείται να δώσει η χρήση σολιτονίων. Στην παρούσα ερευνητική εργασία δημιουργήσαμε έναν αλγόριθμο στην Fortran για να μελετήσουμε την επίδραση διάφορων τύπων διαταραχών στην διάδοση οπτικών σολιτονίων. Συγκεκριμένα πήραμε ένα θεμελιώδες σολιτόνιο αλλά και ανώτερης τάξης και μελετήσαμε την σκέδαση Raman, την αυτό-διαμόρφωση απότομων άκρων (self-steepening) και την διασπορά τρίτης τάξης ξεχωριστά ή και με συνδυασμό αυτών. Επιπλέον χρησιμοποιήσαμε ένα θεμελιώδες σολιτόνιο και για διάφορες τιμές της μιας παραμέτρου το συγκρίναμε με θεωρία. Συμπεράναμε πως η θεωρία διαταραχών προβλέπει σωστά αποτελέσματα με την εξομοίωση για μικρές τιμές των παραμέτρων. / Our era is considered to be the ‘’Era of Information’’ and of its distribution. The optimum solution for the wired communication is considered nowadays to be the fiber optic which forces the telecommunication technology to go over from electrons to photons. During the transmission of information, phenomena as the attenuation and the deformation of the signal, take place. A description of these phenomena is given through the use of Solitons. During this master thesis we built up an algorithm in program language Fortran in order to study the effect of various types of perturbations in optical Solitons. We considered a fundamental and higher-order Solitons and we studied separately the Raman scattering, self-steepening and higher-order dispersion and all together. Also we considered a fundamental Soliton and for various values of one of the three parameters we compared it with the theory expectations. We found out that for small values of the three parameters the perturbation theory provides results which are in alignment with the experiment.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η δυνατότητα ανάπτυξης νέων αισθητήρων με χρήση μιας καινοτόμας οπτικής ίνας, γνωστή ως Ίνα Φωτονικών Κρυστάλλων (ΙΦΚ) - (Photonic crystal fiber) σε συνδυασμό με νέα και λειτουργικά υλικά. Η ΙΦΚ αποτελείται από μια περιοδική συνήθως εξαγωνική δομή οπών που δρα ως τον μανδύα της ίνας και τις περισσότερες φορές κατασκευάζεται από γυαλί (SiO2) ή πολυμερές (PMMA, TOPAS, κτλ). Η αλλαγή στην διάμετρο των οπών και της απόστασης μεταξύ τους δίνει πολύ μεγάλη ευελιξία για διαχείριση των οπτικών ιδιοτήτων της. Εδώ παρουσιάζεται πώς η διήθηση νέων υλικών στις οπές της ΙΦΚ είναι μια αποδοτική μέθοδος για ενεργοποίηση της ΙΦΚ σε εξωτερικές παρεμβολές χωρίς να απαιτείται η κατασκευή μιας νέας ίνας από την αρχή. / This PhD thesis presents the possibility of development of new sensors using a novel optical fiber, called as photonic crystal fiber (PCF) in combination with new functional materials. PCF is consisted by a periodical, usually hexagonal structure of holes which acts as the cladding of the fiber and most of the times this fiber is made of glass (SiO2) or polymer (PMMA, TOPAS, etc.). The hole diameter and the pitch size of these fibers provides great flexibility for manipulation of their optical properties. Here, it is presented how the infiltration of new materials inside the holes of PCF constitutes an efficient method to sensitize the fiber to external perturbations without the need of a new fiber.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των εξελίξεων και των μελλοντικών προοπτικών με βάση ερευνητικά δεδομένα στη χρήση των δικτύων υψηλής τάσης για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς. / Purpose of this paper is the analysis of the development and the future perspectives based on research information and papers on the use of high voltage network for telecommunication reasons.

Αυτή η εργασία ασχολείται με το σχεδιασμό των μητροπολιτικών ευρυζωνικών δικτύων οπτικών ινών και ειδικότερα αυτών που δημιουργούνται στην Ελλάδα. Γίνεται η ανάλυση των τεχνολογιών και τεχνικών υλοποίησης τους. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών (GIS) που αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο στη σχεδίαση, μελέτη και επέκταση των δικτύων. Επιλύεται το πρόβλημα υπολογισμού αποστάσεων από σημείο σε σημεί ο μιας οπτικής ίνας στο GIS που θα διευκολύνει τη μελέτη και το σχεδιασμό του δικτύου. Με τη χρήση του GIS συστήματος arcgis γίνεται η ψηφιακή χαρτογράφηση του μητροπολιτικού δικτύου οπτικών ινών της Πάτρας όπως αυτό πρόκειται να υλοποιηθεί στα επόμενα χρονιά. Παρουσιάζεται μια μελέτη που θα κάνει αυτόματη τη διαδικασία σχεδίασης των υποδομών του δικτύου και τη συνεχή επέκταση του με το μικρότερο δυνατό κόστος με τη βοήθεια των γεωγραφικών συστημάτων πληροφορίας. Στη συνέχεια υλοποιείται ξανά η ψηφιακή χαρτογράφηση του μητροπολιτικού δικτύου οπτικών ινών της Πάτρας αυτή τη φορά με το μοντέλο αυτόματης σχεδίασης δικτύου που παρουσιάστηκε και γίνεται η σύγκριση του με το πραγματικό δίκτυο που υλοποιείται στην Πάτρα. / -

Η έντονη τάση για συνεχή επικοινωνία και μετάδοση πληροφορίας, οδηγεί στην ανάγκη για αύξηση των τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Γι’ αυτό η προσπάθεια εύρεσης λύσης και νέων δρόμων για την εξυπηρέτηση των τηλεπικοινωνιακών αναγκών αποτελεί βασικό στόχο και σκοπό. Η οπτική ίνα είναι ο πιο αξιόπιστος τρόπος για την μετάδοση δεδομένων. Τα πλεονεκτήματα της οπτικής ίνας, καθώς και το γεγονός ότι υπερτερεί του χάλκινου αγωγού, οδηγεί στην εξ’ ολοκλήρου αντικατάσταση του δεύτερου από την ίνα. Οι οπτικές ίνες καλύπτουν τις ανάγκες για αύξηση των ταχυτήτων μετάδοσης και παρουσιάζουν μεγάλο εύρος ζώνης. Το 1854 διατυπώθηκε η αρχή της ολικής ανάκλασης από τον John Taydall, , με βάση την οποία λειτουργεί η οπτική ίνα και το 1950, πήρε την πρώτη της μορφή με την ανάπτυξη της γυάλινης ίνας με ένα είδος επιχρίσματος (glass – coated fiber). Τότε χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ο όρος «fiber optics» (οπτική ίνα). Έπειτα, το 1990 εξαπλώθηκε η χρήση της σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Τα πλεονεκτήματα των οπτικών ινών και δικτύων πυροδότησαν ισχυρά κίνητρα, ώστε οι Εταιρείες Ηλεκτρικής Ενέργειας να επιθυμούν να εισέλθουν στην τηλεπικοινωνιακή αγορά και να διεκδικήσουν μερίδιο από αυτήν. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η αναφορά στις εξελίξεις της τεχνολογίας των οπτικών ινών που μπορούν να προσφέρουν λύση με την εφαρμογή τους σε γραμμές υψηλής τάσης συνδυάζοντας απαιτήσεις ασφάλειας, κόστους και ποιότητας που είναι απαραίτητες για τις τηλεπικοινωνιακές ή ενεργειακές υπηρεσίες. Η διπλωματική εργασία απευθύνεται σε άτομα τα όποια αναζητούν μια συνολική εικόνα των τεχνικών λύσεων στην τεχνολογία των οπτικών, οι οποίες ενσωματώνονται σε γραμμές υψηλής τάσης. Στόχος της είναι να εξοικειώσει τον αναγνώστη με τις έννοιες της οπτικής ίνας, να του δώσει το απαραίτητο υπόβαθρο για την κατανόησή τους και μέσα από την ανάλυση των τεχνικών λύσεων, που περιγράφονται στην εργασία αυτή, να του παρουσιάσει τα χαρακτηριστικά των οπτικών καλωδίων καθώς και τους νέους ορίζοντες που ανοίγονται από την εφαρμογή των οπτικών καλωδίων σε γραμμές ισχύος. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνονται οι ορισμοί και βασικές έννοιες των οπτικών ινών. Παρουσιάζονται οι τύποι των οπτικών ινών διακρίνοντάς τις σε μονότροπες, πολύτροπες ίνες βηματικού δέκτη, πολύτροπες ίνες βαθμιαίου δέκτη, ανάλογα με την κατανομή του δείκτη διάθλασης. Αναφέρονται τα χαρακτηριστικά και οι επιδόσεις κάθε τύπου οπτικών ινών. Επίσης γίνεται μια εκτενής αναφορά στην κατασκευή και στα υλικά των ινών. Οι διαδικασίες κατασκευής είναι η διεργασία OVPO- Πλευρική εναπόθεση, διεργασία OVPO- Αξονική εναπόθεση (VAD), διεργασία MCVD ή IVPO, διεργασία PCVD και η διεργασία απευθείας τήξης. Περιγράφεται η αρχή λειτουργίας της οπτικής ίνας και αναφέρονται τα μηχανικά χαρακτηριστικά της, εφόσον τα οπτικά καλώδια υποβάλλονται σε μικροκάμψεις, τάσεις εφελκυσμού και παραμορφώσεις. Τέλος αναφέρονται αναλυτικώς, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των οπτικών ινών. Το τρίτο κεφάλαιο αποτελεί την πρώτη ενότητα όσον αφορά στην ανάλυση του οπτικού καλωδίου. Παρουσιάζονται τα μέρη από τα οποία αποτελείται, τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα μέρη αυτά καθώς και οι ιδιότητες των υλικών, όπως μηχανικές και θερμικές ιδιότητες καθώς και επιδράσεις με αλλά υλικά. Επίσης παρουσιάζονται οπτικά και μηχανικά χαρακτηριστικά που έχουν άμεση σχέση με τα υλικά των καλωδίων. Τέλος, δίνονται και διάφορες τεχνικές λύσεις αναφορικά με τα μέρη του καλωδίου και τα χαρακτηριστικά του. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται αναλυτικά οι τεχνολογίες οπτικών ινών σε γραμμές υψηλής τάσης. Κατηγοριοποιούνται σε οπτικά καλώδια για εναέριες γραμμές υψηλής τάσης, οπτικές ίνες συγχωνευμένες σε υποβρύχια καλώδια και υπόγεια καλώδια. Αναλύονται ξεχωριστά τα οπτικά καλώδια για εναέριες γραμμές, δηλαδή ο οπτικός αγωγός γείωσης (OPGW), τα προσαρτημένα καλώδια (OPAC) και τα αυτοφερόμενα καλώδια (ADSS). Περιγράφεται κάθε οπτικό καλώδιο ξεχωριστά και αναφέρονται οι διάφοροι τύποι κατασκευών κάθε καλωδίου, τα ηλεκτρικά και μηχανικά τους χαρακτηριστικά καθώς , η εγκατάστασή τους και οι απαραίτητες ενέργειες για την προστασία τους. Δίνεται ο παρελκόμενος εξοπλισμός των εναέριων οπτικών καλωδίων, και τα είδη των εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται. Στις δυο τελευταίες ενότητες του κεφαλαίου αναφέρονται έρευνες της CIGRE και γίνεται μια προσπάθεια τεχνικής και οικονομικής σύγκρισης των οπτικών καλωδίων. Στο κεφάλαιο πέντε διακρίνονται 28 παράμετροι, σε παραμέτρους εγκατάστασης και περιβαλλοντικές παραμέτρους, ώστε να είναι επιτυχής η εγκατάσταση οπτικών καλωδίων. Για κάθε παράμετρο δίνονται τυπικές τιμές που αναφέρονται σε κάθε πιθανή εφαρμογή των οπτικών καλωδίων καθώς και πρακτικά παραδείγματα για κάθε περίπτωση. Επίσης με βάση αυτές τις παραμέτρους περιγράφονται τροποποιήσεις που γίνονται για την προστασία τους. Στο κεφάλαιο έξι γίνεται αναφορά στην σημερινή κατάσταση στην Ελλάδα όσον αφορά στην εφαρμογή των οπτικών καλωδίων στις γραμμές ισχύος καθώς και οι μελλοντικές κατευθύνσεις. Δίνονται τα πλεονεκτήματα της ΔΕΗ μέσω των οποίων υπερτερεί έναντι των άλλων εταιρειών, για την είσοδό της στην τηλεπικοινωνιακή αγορά. Αναλύεται η θέση της ΔΕΗ στην αγορά αυτή και η ανάπτυξη του δικτύου της Τellas. Τέλος, η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με το Παράρτημα Α, στο οποίο αναφέρονται μερικοί τύποι υπόγειων και εναέριων οπτικών καλωδίων από σελίδες εταιρειών που διαθέτουν αυτά τα προϊόντα στην αγορά. / The continuous tendency for communication and transmission of information leads to the increase of services in telecommunications. Therefore, the effort of finding an effective solution for these services is more than necessary. The technology of fiber optics is the most reliable way of transmitting data. The fact that, optical fibers have many advantages and are better than the conductor by coper, has led to the replacement of wires by coper with optical fibers. Nowadays, fiber optics fulfill the demand of increase of transmission rate and bandwith. In 1854, John Taydall was the first to formulate the law of total reflection and in 1950 was developed a glass – coated fiber and for the first time the term “fiber optics” was used. Inevitably later, the spread of fiber optics in networks was a fact. Fiber optics are so effective that, many electrical companies want to enter in the market of telecommunications. The purpose of this work initially, is to describe and define fiber optics. Then the technologies of fiber optics, that serve telecommunications are to be mentioned and especially the technology of applying optical fibers in AC lines. Furthermore, we will mention the situation of these technologies in Greece and we will discuss its future. The definitions and different types of fiber optics are given in the second chapter. The fiber optics are divided into singlemode, multimode stepindex and multimode gradedindex fibers. Furthermore, the characteristics of the manufacturing of an optical cable are presented. In this chapter, are mentioned the OVPO process, the VAD process, the MCVD or IVPO process, the OCVD process and the process of instant fusion. Later, the description of how an optical fiber works is given and its mechanical features are mentioned. Finally, the advantages and disadvantages of fiber optics are presented. The analysis of optical cable comes first in chapter three. The layers of an optical fiber are presented and also the materials and their mechanical, thermic and chemical attributes. Finally, some technical solutions are given related to the layers and features of the cable. The technologies of applying optical fibers in AC lines are being described in the fourth chapter. The optical cables for overhead lines are divided and analyzed separately. That is to say, Optical Ground Wire (OPGW), Optical Attached Cable (OPAC), and All – Dielectric Self – Supporting optical cable (ADSS). Also, undersea and underground cables are mentioned. In this part, the mechanical and electrical features of each cable are described and also their installation and protection. Moreover, the equipment of the overhead optical cable and its elements. Finally, the optical cables are compared, in order to facilitate the choice between them. In chapter five, an effort is being showed to present a schedule for the successful installation of optical cables. This plan includes the division of parameters in installation and environmental parameters. This chapter also includes examples and practical applications for each parameter. In the end modifications of an optical cable are presented in order to secure its protection. The state in Greece, nowadays is being described in sixth chapter. The last chapter presents the application of optical cables in AC lines in this country and the role that plays the national electricity company in the market of telecommunications. Also the future prospects are being analyzed. In the last part of this work many different types of optical cables are presented, that exist in the market of telecommunications.

Το θέμα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διπλωματική είναι οι αισθητήρες οπτικών ινών με φράγματα Bragg προσδιορίζοντας τον δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος υγρού κατά τη βύθιση του οπτικού αισθητήρα μέσα σε αυτό. Στο πρώτο κεφάλαιο θα γίνει αρχικά μια ανάλυση των οπτικών ινών αφού θα αναφερθούν ο τρόπος λειτουργίας τους, οι τύποι οπτικών ινών που υπάρχουν, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζουν αλλά και ο λόγος που οδηγήθηκε η τεχνολογία στην κατασκευή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα γενικά χαρακτηριστικά, δηλαδή ο τρόπος κατασκευής καθώς επίσης και ο τρόπος λειτουργίας των φραγμάτων Bragg. Αναφέρονται τα διάφορα είδη φραγμάτων Bragg που υπάρχουν και οι μηχανισμοί φωτοευαισθησίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνεται έμφαση στη χρήση των φραγμάτων Bragg σαν αισθητήρες ταυτοποίησης της φύσης των υγρών στα οποία εισάγονται οι αισθητήρες αλλά και σαν αισθητήρες μέτρησης στάθμης υγρών. Τα φράγματα Bragg χρησιμοποιούνται ευρέως και σαν αισθητήρες πίεσης, θερμοκρασίας, ροής, μετατόπισης στάθμης υγρών, χημικής ταυτοποίησης, PH, ηλεκτρικών πεδίων, μαγνητικών πεδίων καθώς και άλλων φυσικών μεγεθών. Ακόμα γίνεται μια περιγραφή της διαδικασίας χημικής απογύμνωσης (etching), καθώς επίσης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τρόπους λειτουργίας της πηγής φωτός που χρησιμοποιήθηκε, η οποία είναι ένας ενισχυτής Erbium Doped Fiber Amplifier –EDFA. Το τέταρτο κεφάλαιο πραγματεύεται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που έγιναν με τη χρήση του προγράμματος COMSOL Multiphysics 4.2. Οι προσομοιώσεις έγιναν για διαφορετικές τιμές δεικτών διάθλασης μιας ποικιλίας υγρών. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναλύεται το πειραματικό μέρος της ειδικής ερευνητικής εργασίας. Παρουσιάζονται η πειραματική διάταξη και τα πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν στο εργαστήριο Laser, καθώς επίσης και τα σχετικά σχόλια σύγκρισης με τα αποτελέσματα των αντίστοιχων προσομοιώσεων που έγιναν. / -

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και παρουσίαση μοντέλων οπτικών δικτύων. Έχοντας μελετήσει αρχικά τις ανάγκες που επιβάλλει η ζήτηση όλο και περισσότερου bandwidth, μέσα από παραδείγματα της καθημερινότητας των χρηστών καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η τεχνολογία που μπορεί να ανταποκριθεί σε αυτές τις ανάγκες είναι αυτή των fttx. Στην συνέχεια αναφέρονται βασικές αρχές λειτουργίας και χειρισμού των οπτικών ινών. Μετέπειτα αναλύονται εκτενέστερα περιπτώσεις με διαφορετικές τοπολογίες, πρωτόκολλα και αρχιτεκτονικές των δικτύων των οπτικών ινών, σχολιάζοντας παράλληλα, την ευχρηστία και οικονομικότητα εφαρμογής σε κάθε περίπτωση. Παρακάτω παρουσιάζεται συνοπτικά το περιεχόμενο του κάθε κεφαλαίου: Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή για το σκοπό της εργασίας μέσω μιας ιστορικής αναδρομής όσον αφορά την ανάπτυξη τεχνολογιών διαδικτύου και το πώς η λύση στην ανάγκη γρηγορότερων ταχυτήτων είναι τα οπτικά δίκτυα. Το 2ο Κεφάλαιο ασχολείται κυρίως με την ανάγκη για ευρυζωνικότητα. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της, όπως επίσης και διάφορες τεχνολογίες της. Ακόμα παρουσιάζονται βέλτιστες στρατηγικές για την εξάπλωση της ευρυζωνικότητας και παραδείγματα χωρών που ακολούθησαν αυτές τις στρατηγικές. Το 3ο Κεφάλαιο έχει σκοπό την περιγραφή βασικών εννοιών για τις τεχνολογίες οπτικών ινών όπως για παράδειγμα, η δομή τους, ο τρόπος μετάδοσης σήματος, παράγοντες περιορισμού ζεύξεως ισολογισμός ισχύος και τεχνικές πολυπλεξίας. Στο 4ο Κεφάλαιο μελετάμε τις περιπτώσεις των διάφορων τεχνολογιών fttx, εμβαθύνοντας περισσότερο στην FTTH. Συγκεκριμένα αναλύονται εκτενώς η Home Run, AON και PON αρχιτεκτονικές και ο συνδυασμός κάποιες φόρες των 2. Ακόμα αναφέρεται μια σύντομη ανάλυση κόστους δικτύων FTTH. Το 5ο Κεφάλαιο παρουσιάζει επενδυτικές στρατηγικές εξάπλωσης των FTTH μέσα από παραδείγματα ευρωπαϊκών πόλεων. Έπειτα παραθέτονται στατιστικά διείσδυσης των δικτύων οπτικών ινών, στην Ευρώπη και ουσιαστικά επιβαιβεώνει την χρησιμότητα και αναγκαιότητά τους. Στο 6ο Κεφάλαιο γίνεται μια γενική αναφορά στα οικονομετρικά μοντέλα και στα μοντέλα διάχυσης. Στο 7ο Κεφάλαιο γίνεται εφαρμογή μοντέλου διάχυσης για τον υπολογισμό της ετήσιας αλλαγής αριθμού συνδρομητών στις Ηνωμένες Πολιτείες / The purpose of this project is the study and presentation of optical networks. Having studied initially the requirements imposed by the demand of more and more bandwidth, through examples of everyday life we come to a conclusion that the technology that can meet these needs is that of fttx. Then we refer to principles of operation and control of optical fibers. Subsequent we analyze further cases with different topologies, protocols and architectures. There is a presentation of investment strategies spread of FTTH through European cities examples and statistical penetration of fiber optic networks in Europe, which virtually confirms their usefulness and necessity. Finally a diffusion model is used for the calculation of annual change number of subscribers in the United States, having first made a general reference to econometric and diffusion models.

This thesis is focused on the aerosols and clouds optical properties and the effects that these parameters have on the solar radiation transfer in the atmosphere. The first chapter provides a brief description of the basic concepts of radiative transfer. The radiative transfer theory is described, along with various approximations, used to address specific atmospheric transfer problems. The atmospheric constituents, which are of interest of this thesis, aerosols and clouds, are described, in terms of their types and radiative properties and the main aspects of the scattering and absorption that they induce on the solar radiation, are provided. The second chapter provides a description of the networks, models and satellite instruments, whose data were used in this thesis, along with a description of the radiative transfer model, used for the simulations. Chapter three focuses on the aerosol optical properties in the ultraviolet and visible wavelength ranges, in the Mediterranean. Three datasets, from ground-based stations, global aerosol models and satellite instruments, are used to simulate the corresponding irradiances in the UV and VIS, in eight stations in the Mediterranean basin. Data from AERONET, AeroCom and MODIS are used and the differences on the modeled irradiances, which arise from the different aerosol optical properties provided by each dataset, are examined. The irradiance simulations are performed with the libRadtran radiative transfer model. The MODIS aerosol optical depth climatology shows better agreement with AERONET data. The highest difference in the monthly average values is equal to 0.09 at 550nm, while the differences between the AERONET and the AeroCom climatologies reach 0.25 and 0.15 in the UV and VIS wavelengths respectively. As a result, the AERONET modeled VIS and UV irradiances are closer to MODIS, with the absolute differences in average values reaching 6%, while absolute differences with AeroCom irradiances can reach up to 12%. The differences are higher in areas affected by desert dust aerosols. In chapter four, the aerosol direct effect on the UV solar irradiance, is examined, at a typical West European site. Measurements from a Brewer instrument, operating at the site, are used, along with model simulations, provided from libRadtran, to estimate the aerosol forcing efficiency in the 300-360 nm spectral region and in the UV-B region of 300-315nm. Instrument measurements and model calculations are subsequently used to derive the aerosol single scattering albedo at low UV-A and at UV-B wavelengths. In the 300-360 nm spectral region, the highest values were revealed at 30o (-6.9 ± 0.9 W/m2), while at 60o the RFE was almost 2.5 times lower (-2.7 ±0.1 W/m2). In the UV-B region (300-315nm), the RFE value at 60o and 30o was estimated to be equal to -0.069 ±0.005 W/m2 and -0.35 ±0.04 W/m2, respectively. The estimated monthly averages of the Brewer single scattering albedo at 320 nm are in very close agreement (within ±0.01) with measurements at 440nm from a collocated CIMEL sunphotometer. Chapter five focuses on the aerosol effect on the Direct Normal Irradiance, in the area of Europe. Data from the MODIS satellite instrument, AERONET network and model simulations with SBDART, are used to calculate the daily amount of Direct Normal Irradiance received in the European continent, with a spatial resolution of 1°x1°, for a 13-year period. The clear-sky aerosol radiative forcing is calculated and possible variations in the received Direct Normal Irradiance, during the 13-year studied period, are examined. The clear-sky aerosol radiative forcing on Direct Normal Irradiance is high in areas influenced by desert dust and intense anthropogenic activities, such as the Mediterranean basin and the Po Valley in Italy. In May, the attenuation from aerosols, over these areas, can reach values up to 35% and 35-45%, which corresponds to 4 and 4.5-6 kWh/m2 per day, respectively. The Direct Normal Irradiance received, seems to have increased during the recent period, due to the decreasing trend of aerosol load, over many parts of Europe. The largest increases are around 6 to 12%, which correspond to an amount of 0.5 to 1.25 more kWh/m2 received per day. Finally, chapter six focuses on the retrieval of solar irradiance on the ground, based on satellite-derived cloud data. The SEVIRI instrument, onboard the MSG satellites, is used to provide data regarding the cloud modification factor. These data are used, along with model simulations, performed with libRadtran, to derive the global solar irradiance incident on a horizontal surface, a surface with a tilted orientation and the direct normal irradiance. The study focuses on the area of Greece and the work is part of the Hellenic Network for Solar Energy, developed to support solar energy applications. The daily amount of solar energy, as well as the monthly and annual sums, are estimated, during an 11-year period and a monthly climatology is derived. Results are compared with measurements from various ground stations in Greece. Comparison shows a general good agreement between satellite and stations data, with the highest differences occurring in cases of broken cloud conditions or very thick clouds. Solar energy collected from surfaces under tilted orientations can provide 15-25 % higher amounts than horizontal surfaces. In Greece, the highest collected monthly solar energy values are found during summer months, in Southern Peloponnese, Crete and the Cyclades islands, and exceed 250 kWh/m2. / Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών και τις επιδράσεις που αυτές έχουν στη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει μια σύντομη περιγραφή των βασικών αρχών που διέπουν τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η θεωρία της διάδοσης της ακτινοβολίας περιγράφεται, μαζί με διάφορες προσεγγίσεις, που χρησιμοποιούνται για τη λύση συγκεκριμένων προβλημάτων στις ατμοσφαιρικές επιστήμες. Τα συστατικά της ατμόσφαιρας, που είναι άμεσου ενδιαφέροντος σε αυτήν τη διατριβή, τα αιωρούμενα σωματίδια και τα νέφη, περιγράφονται, με βάση τους τύπους τους και τις οπτικές τους ιδιότητες, ενώ περιγράφονται ακόμα οι βασικές αρχές της σκέδασης και της απορρόφησης, μέσω των οποίων επηρρεάζουν τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Το δεύτερο κεφάλαιο παρέχει μια περιγραφή των επίγειων δικτύων, μοντέλων και δορυφορικών οργάνων, των οποίων τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν, για τη διεκπαιρέωση αυτής της διατριβής, μαζί με την περιγραφή του μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας, που χρησιμοποιήθηκε για τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Το τρίτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, στο υπεριώδες και ορατό κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, στην Μεσόγειο. Τρεις ξεχωριστές βάσεις δεδομένων, από επίγειους σταθμούς, μοντέλα και δορυφορικά όργανα, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ακτινοβολίας στο υπεριώδες και ορατό, σε οχτώ σταθμούς στην περιοχή της Μεσογείου. Χρησιμοποιούνται δεδομένα από το AERONET, το AeroCom και το MODIS και μελετούνται οι διαφορές στις υπολογιζόμενες, από το μοντέλο, ακτινοβολίες, οι οποίες προκύπτουν από τις διαφορές στις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, που παρέχονται από κάθε βάση δεδομένων. Οι ακτινοβολίες υπολογίζονται με το μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας libRadtran. Τα δεδομένα του MODIS βρίσκονται σε καλύτερη συμφωνία με αυτά του AERONET, με τη μέγιστη διαφορά στο οπτικό βάθος, στα 550 nm, να είναι ίση με 0.09, ενώ οι αντίστοιχες διαφορές με το AeroCom υπολογίζονται στα 0.25 και 0.15, για το υπεριώδες και ορατό αντίστοιχα. Ως αποτέλεσμα, οι απόλυτες διαφορές στις υπολογιζόμενες ακτινοβολίες, μεταξύ AERONET και MODIS υπολογίζονται γύρω στο 6%, ενώ αυτές που αφορούν την κλιματολογία AeroCom φτάνουν το 12%. Οι μεγαλύτερες διαφορές αφορούν περιοχές που επηρεάζονται από σωματίδια ερημικής σκόνης. Στο τέταρτο κεφάλαιο, η άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων, στην υπεριώδη ακτινοβολία, μελετάται, για μια τυπική περιοχή της Δυτικής Ευρώπης. Μετρήσεις από ένα όργανο Brewer, που λειτουργεί στην περιοχή και θεωρητικοί υπολογισμοί με το μοντέλο libRadtran, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ικανότητας κλιματικού εξαναγκασμού των αιωρούμενων σωματιδίων, στο φάσμα 300-360 nm και στο UV-B φάσμα των 300-315nm. Μετρήσεις από το όργανο και θεωρητικοί υπολογισμοί, χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τον υπολογισμό της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων, σε χαμηλά UV-A και σε UV-B μήκη κύματος. Στο φάσμα 300-360 nm, οι μεγαλύτερες τιμές της ικανότητας κλιματικού εξαναγκασμού, παρατηρούνται στις 30o (-6.9 ± 0.9 W/m2), ενώ στις 60o οι τιμές είναι σχεδόν 2.5 φορές χαμηλότερες (-2.7 ±0.1 W/m2). Στο UV-B κομμάτι του φάσματος (300-315nm), οι αντίστοιχες τιμές στις 60o και 30o υπολογίζονται ίσες με -0.069 ±0.005 W/m2 και -0.35 ±0.04 W/m2. Συγκρίνοντας τις τιμές που προκύπτουν για την ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης στα 320 nm, με αυτές από το γειτονικό CIMEL στα 440 nm, προκύπτει πολύ καλή συμφωνία (±0.01). Το πέμπτο κεφάλαιο, επικεντρώνεται στην επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία, σε επίπεδο κάθετο στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας, στην περιοχή της Ευρώπης. Δεδομένα από το MODIS, το AERONET και θεωρητικοί υπολογισμοί με το μοντέλο SBDART, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ημερήσιας ποσότητας άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, στην Ευρώπη, με χωρική ανάλυση 1°x1° για μια χρονική περίοδο 13 ετών. Ο κλιματικός εξαναγκασμός, υπό ανέφελο ουρανό, των αιωρούμενων σωματιδίων και πιθανές μεταβολές στην ληφθείσα άμεση ακτινοβολία κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, μελετούνται. Οι επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων είναι σημαντικές σε περιοχές που επηρεάζονται από σωματίδια ερημικής σκόνης και περιοχές με έντονη ανθρωπογενή δραστηριότητα, όπως η Μεσόγειος και η κοιλάδα του Πάδου στην Ιταλία. Σε αυτές τις περιοχές η μείωση της ακτινοβολίας, λόγω αιωρούμενων σωματιδίων, φτάνει, το Μάιο, το 35% και 35-45%, που αντιστοιχεί σε 4 και 4.5-6 kWh/m2 την ημέρα. Η ληφθείσα άμεση ακτινοβολία έχει αυξηθεί κατά τα τελευταία χρόνια, λόγω ελάττωσης της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων σε πολλά μέρη της Ευρώπης. Οι μεγαλύτερες αυξήσεις κυμαίνονται μεταξύ 6 και 12%, ποσοστό που αντιστοιχεί σε 0.5 με 1.25 kWh/m2 την ημέρα. Στο έκτο κεφάλαιο, αυτής της διατριβής, μελετάται ο υπολογισμός της ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος, χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα για την επίδραση των νεφών. Το όργανο SEVIRI, στους δορυφόρους MSG, χρησιμοποιείται για την παροχή δεδομένων σχετικά με το συντελεστή επίδρασης των νεφών. Τα δεδομένα αυτά, μαζί με θεωρητικούς υπολογισμούς με το μοντέλο libRadtran, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, σε οριζόντια επιφάνεια και σε επιφάνεια υπό κλίση, καθώς και τον υπολογισμό της άμεσης συνιστώσας σε επιφάνεια κάθετη στη διεύθυνση της ακτινοβολίας. Η μελέτη πραγματοποιείται για της περιοχή της Ελλάδας και αποτελεί κομμάτι του Ελληνικού Δικτύου Ηλιακής Ενέργειας, που έχει αναπτυχθεί για την υποστήριξη εφαρμογών και συστημάτων ηλιακής ενέργειας. Υπολογίζονται οι ημερήσιες ποσότητες ακτινοβολίας, οι μηνιαίες και οι ετήσιες τιμές, για μια περίοδο 11 ετών, καθώς και η μηνιαία κλιματολογία που προκύπτει για αυτήν την περίοδο. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων με μετρήσεις από επίγειους σταθμούς, δίνει πολύ καλή συμφωνία, ενώ οι μεγαλύτερες διαφορές παρατηρούνται σε περιπτώσεις πολύ πυκνών νεφών. Η ηλιακή ακτινοβολία που συλλέγεται σε κεκλιμένη επιφάνεια, παρέχει 15-25 % μεγαλύτερα ποσά, σε σχέση με αυτήν που παρέχουν οριζόντιες επιφάνειες συλλογής. Στην Ελλάδα, τα μεγαλύτερα μηνιαία ποσά ηλιακής ενέργειας, παρατηρούνται κατά τους θερινούς μήνες, στη Νότια Πελοπόννησο, την Κρήτη και τις Κυκλάδες και ξεπερνούν τις 250 kWh/m2.

Στο επίκεντρο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, βρίσκεται η μελέτη μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων, σύνθετων δομών κβαντικών τελειών οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO). Αρχικά θα κάνουμε μια γρήγορη επισκόπηση των ιδιοτήτων των νανοδομημένων συστημάτων, περίπτωση των οποίων αποτελούν οι ημιαγώγιμες κβαντικές τελείες, καθώς και οι σύνθετες νανοδομές του ZnO, ενώ θα επισημάνουμε και τον στόχο που καλείται να εκπληρώσει η εργασία μας. Προκειμένου να υπολογίσουμε την ηλεκτρονική δομή του συστήματος που εξετάζουμε, χρησιμοποιούμε την μέθοδο PMM (Potential Morphing Method), τις βασικές αρχές της οποίας παραθέτουμε στο δεύτερο κεφάλαιο. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζουμε το θεωρητικό μας μοντέλο, βασισμένο στην μέθοδο των πλατών πιθανότητας για τον αναλυτικό υπολογισμό της γραμμικής (1) και της μη γραμμικής οπτικής επιδεκτικότητας (3), οι οποίες και αποτυπώνουν τις οπτικές ιδιότητες του συστήματος μας. Τέλος περιγράφουμε την δομή του σύνθετου συστήματος κβαντικών τελειών πυρήνα/κελύφους (core/shell quantum dots), παραθέτουμε τα αποτελέσματα του υπολογισμού της ηλεκτρονικής δομής και παρουσιάζουμε την συμπεριφορά της γραμμικής, της μη γραμμικής καθώς και της ολικής επιδεκτικότητας του συστήματος που εξετάζουμε, μέσω διαγραμμάτων και του απαραίτητου σχολιασμού των αποτελεσμάτων μας. / At the center of our interest in this thesis lies the study of nonlinear optical properties of complex Zinc Oxide (ZnO) quantum dots structures. At first we will have a short review of the nanostructured systems properties in general and then we will discuss the properties of semiconductor quantum dots as well as the complex ZnO nano-structures. We will also notify the goal of this thesis. In order to calculate the electronic structure of our investigating system we will use the PMM (Potential Morphing Method) method, the basic principles of which we quote on the second chapter. In the next chapter we present our theoretical model, based in the probability amplitudes method, for the analytical calculation of both the linear (1) and nonlinear susceptibility (3) which illustrate the optical properties of our system. At the end we describe our complex core/shell quantum dots system, we quote the results of the electronic structure calculation and we present the behaviour of linear, nonlinear as well as the total susceptibility of our system through graphs and the necessary discussion of our results.

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η σύμφωνη αλληλεπίδραση ημιαγώγιμων νανοδομών με ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Κατά την αλληλεπίδραση αυτή μπορούν να προκύψουν ενδιαφέροντα φαινόμενα, με αρκετές τεχνολογικές εφαρμογές τόσο στο άμεσο όσο και στο προσεχές μέλλον. Οι σημαντικότερες από αυτές παρατηρούνται στη κβαντική τεχνολογία, στους κβαντικούς υπολογιστές και στις οπτικές επικοινωνίες δεδομένων. / In the present thesis is studied coherent interaction of semiconductor nanostructures with electromagnetic fields. Out of this interaction can result several interesting phenomena and this could be potentially useful in several areas of modern optical and quantum technology, such as quantum computers and optical communications.