Interaction of Optical Waves with 3D Spatially Symmetric Materials

Abstract

본 논문에서는 빛과 3차원 공간대칭 물질의 상호작용에 대해서 연구하였다. 공간대칭물질의 한 예로서 폴리스틸렌 나노구를 이용해 콜로이드 광자결정을 제작했다. 전자주사현미경 측정을 통해 제작된 광자결정 구조가 면심 입방 구조를 가지는 것을 확인했고, 투과와 반사 스펙트럼을 이론적으로 계산해서 실험조건과 일치하는 값들을 얻었다. 그리고 염색된 폴리스틸렌 나노구로 제작된 광자결정의 밴드갭에 염료의 흡수가 미치는 영향도 조사했다. 이론적인 분석을 통해서, 특징적인 밴드갭 모양이 브래그 반사와 강한 흡수로 인한 반사라는 두 가지 다른 근원이 합쳐진 것임을 보였다. 또한 자기조립법으로 제작된 광자결정 위의 액정 정렬에 대해서도 연구했다. 이러한 광자결정을 이용해서 뒤틀린 네마틱 액정 장치와 파브리-페로 공진기를 구현해 보았다. 카이랄 바이오 폴리머 필름에서, 분자 카이랄리티의 고전적인 모델을 적용함에 의해, 카이랄 이차 감수율에 대한 연결된 진자와 나선 성질의 기여가 확인 되었다. 실험적으로 카이랄 키토산 고분자의 표면 분포가 제2고조파 측정으로부터 얻어졌다. 표면 이차 비선형성의 가장 큰 카이랄 성분은 키토산의 나선 성질 기여를 가지는 전기-자기 결합상호작용으로부터 나왔다. 그리고 카이랄 벤트-코어 액정 계에서, 벤트-코어 분자와 막대 모양 분자의 혼합물의 B4 상에 대한 제2고조파의 분석이 이루어 졌다. 이 액정 혼합물에 대한 모델로써, 벤트-코어 액정의 구부러진 방향을 따라서 나선 축이 있는 구조라는 것이 입증되었다. 측정된 2고조파의 이론적인 분석을 통해, 벤트-코어 액정계의 거시적인 카이랄리티가 막대 모양 분자를 도입함에 의해 제어될 수 있음을 보였다.;We studied the interaction of optical waves with three-dimensional (3D) spatially symmetric materials such as those that are spatially periodic and others that are chiral symmetric. As an example of spatially periodic materials, we fabricated 3D colloidal photonic crystals from polystyrene nanospheres. A scanning electron microscopy image of a fabricated sample shows a well-defined, face-centered cubic crystal structure. The optical transmission and reflection spectra of the fabricated sample were theoretically simulated by using a scalar wave approximation to obtain the diameter of the spheres and the number of layers, needed to agree with the experimental structure parameters. Next, the role of a strong dye absorption in determining the photonic band gap shape of a dyed 3D photonic crystal, fabricated from dyed polystyrene nanospheres, was etermined. When the dye absorption peaks fall on the spectral position of the photonic band gap, the latter takes on a distorted shape, narrow at the top and wide at the bottom. Theoretical analysis shows that the characteristic band gap shape results from two superimposed contributions of distinct origin, i.e. a Bragg reflection and a high reflection associated with strong dye absorption. Also, we investigated the liquid crystal alignment on photonic crystal films fabricated by a self-assembly method. In doing so, we successfully demonstrated the fabrication of two liquid crystal devices by using photonic crystal films to construct twisted-nematic devices and a liquid crystalline Fabry-Perot cavity in the spectral range of a Bragg reflection band of photonic crystals. By adopting classical models of molecular chirality in a chiral bio-polymeric film, the contributions of the coupled-oscillator and helix natures to the chiral surface second-order susceptibilities were identified through the introduction of a molecular orientational distribution. Experimentally, surface orientational distribution functions at interfaces of a chiral chitosan polymer film were determined from a second harmonic generation measurement. The largest chiral component of surface nonlinear optical susceptibility was from an electric-magnetic coupling with a dominant ontribution from the helix nature of the chitosan. Next, in a chiral bent-core liquid crystal system, we successfully analyzed the second harmonic generation of the B4 phase of a mixture of achiral bent-core molecules and achiral rod-like molecules. As a definite model of the B4 phase in the mixture, the existence of a twist-grain-boundary structure with its helical axis along the bent direction was proven. From the theoretical analysis of second harmonic generation data, it was further shown that the macroscopic chirality of the bent-core molecular system could be controlled by introducing an achiral rod-like molecule.