Low noise generation of optical and plasmonic fields based on regularization of radiation patterns of Huygens' sources

Abstract

1690년 빛의 반사와 굴절을 설명하기 위해 제안했던 호이겐스 원리는 광학 회절 이론의 중심이 되어 왔다. 특히 이차 파의 개념은 지금까지도 회절, 분산 현상을 설명하는데 유용하다. 최근에 이르러 메타물질 분야가 지난 20년간의 응용 물리학에서 가장 활성화되었다. 메타원자는 3차원의 메타물질, 2차원의 메타표면, 1차원의 메타슬릿 구성 단위다. 메타원자가 파장 이하 크기의 설계된 인공 구조물이므로 이는 호이겐스 광원으로 취급할 수 있다. 메타원자의 형상과 배열을 통해 연구자들은 색다른 광학 성질을 가지는 메타물질들을 개발해냈다. 그러나 메타 원자들의 방사 패턴에 관한 깊은 고찰은 거의 이루어지지 않았다. 본 논문에서는, 광학장 및 플라즈몬 장의 저잡음 형성을 위해 새로운 종류의 메타표면과 메타슬릿을 제안하고 시험하여 메타 원자들의 방사 패턴 설계의 중요성을 다룬다.<br/> 첫째로, 호이겐스 원리에 기반한 광학 회절 이론들을 역사적으로 개괄하여, 호이겐스 광원을 정의하고 메타원자들이 지정된 방사 패턴을 가지는 호이겐스 광원으로 어떻게 사용되는지 살핀다. 정규화된 방사 패턴을 가지는 호이겐스 광원을 규칙적으로 배열해 왜곡 없는 평면파를 생성하는 방법을 보인 후, 이상적인 호이겐스 광원 배열이 극도로 잡음 세기가 낮은 임의 장 형성을 위해 사용되는 수학적 공식화 방식을 제시한다. <br/> 다음으로 정규화된 메타원자의 복소 진폭 변조 가능성을 조사한다. 임의의 광파 및 플라즈몬 파가 복소 진폭 분포로 설명되기 때문에 이 연구는 정규화된 호이겐스 광원에 기반한 메타표면과 메타슬릿 개발에 결정적으로 중요하다.<br/> 이어지는 두 장(章)에서는 2장에서 제안된 방법을 개량하여 광파 및 플라즈몬 파 생성 방식을 시연하는데 할애한다. 복소 진폭과 편광을 정할 수 있는 정규화된 방사 패턴을 가지는 메타원자를 구현할 수 있다고 가정할 때, 이를 주기적으로 배열하여 구축한 메타표면과 메타슬릿을 통해 임의의 광파 및 플라즈몬 파를 생성할 수 있음을 보인다.<br/> 4장에서는 정규화된 메타슬릿의 구체적인 예로 금속 클래드 도파로 배열체가 제안된다. 플라즈몬 집속과 플라즈몬 에어리 빔이 제시된 구조를 통해 생성된다. 생성된 파면을 신호-대-잡음 비 관점에서 해석하기 위해 필드 시뮬레이션을 포함한 수치해석 결과들이 제시된다. 실험적 구현 방식도 제안된다.<br/> 이어지는 장에서는, 광학장 합성을 위해 2장과 4장에서 제시되었던 장 합성 방식을 일반화하는 방법을 제안한다. 복소 변조된 평면 상의 전기 쌍극자 모멘트를 부여할 수 있는 메타원자가 존재한다고 가정할 때, 이 가상의 메타원자로 이루어진 메타표면이 잡음 세기가 극도로 낮은 일반화된 장 합성 방식을 구현할 수 있음을 보인다. 또한 제안된 메타표면의 근사 방식으로 준(準)정규화 방법을 제시한다. 준정규화된 메타표면을 포함한 다양한 메타표면을 이용해 에어리 원반, 베셀-가우스 빔, 홀로그램을 생성하여 신호-대-잡음 비 관점에서 비교분석한다. 제안된 메타표면들의 홀로그램 생성을 실험 결과로 확인하였다.<br/> 본 논문의 결과는 메타원자의 방사 패턴을 고려하여 빛과 표면 플라즈몬의 생성 및 조작을 완전히 제어할 수 있는 진전된 메타장치를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다. 또한 제안된 정규화 방법을 적용하면 공간 광 변조기의 광각 동작에서 매우 낮은 잡음 세기를 실현 가능하며, 이를 위해 초소형 능동 변조 메커니즘에 관한 앞으로의 연구가 필요하다.