Optical Characterization of 1-D Periodically Structured Material

Abstract

본 논문에서는 1차원 광자결정의 선형 및 비선형 광학 특성을 연구하였다. 주기적으로 변조된 굴절률을 갖는 광자결정은 빛의 제어 및 광학 기기로의 응용에 있어서 중요한 광학적 구조이며,광학물질의 비선형 특성 연구는 기능성 광학기기로 응용 가능한 새로운 광학물질의 개발과 관련하여 중요성을 갖는다. 콜레스테릭 액정은 원편광 의존성을 갖는 1차원 자기조립된 광자결정이다. 본 연구에서는 콜레스테릭 액정으로 구현된 1차원 광자결정의 분산 관계식에 관한 선형특성을 고찰하였다.이를 응용하여 주기가 상이한 두 개의 콜레스테릭 액정 사이에 비등방성 물질을 넣은 광학적 이질접합 비등방적 구조를 구성하여 광학 다이오드 특성을 구현하였다.비선형 특성 연구로써 콜레스테릭 액정으로 제작된 1차원 광자결정과 브래그 반사경에서의 3차 컬 비선형 광학 효과를 보고하였다.콜레스테릭 액정의 광자 띠간격 구조에서 띠끝의 광학적 변화가 펨토초 비선형 투과 측정을 통하여 관찰되었고,분산 관계식을 분석하여 콜레스테릭 액정을 구성하는 네마틱의 컬 비선형 계수들이 10~20배 증폭되는 현상을 발견하였다.SiO₂ /TiO_₂의 다섯 겹층으로 구성된 브래그 반사경에서 펌프-프로브 방법을 이용하여 피코초의 비선형 반응을 관찰하였고,이를 통하여 비선형 효과를 이용하여 띠간격을 조정할 수 있음을 보였다.또한 광자 띠간격 구조의 분산 관계식을 분석하여 Z-스캔 프로파일을 결정하는 유효 광학적 컬 비선형성을 유도하였다.띠간격 주변의 경우,비공명 반응에서 기인하는 비선형 광학적 위상 변화는 브래그 반사를 통해 비선형 광학적 세기의 변화로 전환된다.콜레스테릭 액정으로 제작된 띠간격 구조에서 Z-스캔 측정을 통하여,띠끝 주변에서 비공명 컬 비선형성이 열린 구경 Z-스캔 프로파일에 기여하는 것을 확인하였다.;We have investigated the linear and the nonlinear optical characterization of one-dimensional photonic crystals. Photonic crystal, possessing a periodic modulated index profile, has been an important optical structure due to its attractive property in manipulating light and application as optical devices. Nonlinear optical characterization of the optical materials has importance in developing new optical material having the potential of functional optical device. Cholesteric liquid crystal, a self-assembled one-dimenstional photonic crystal, shows the circular polarization-dependent photonic bandgap structure, which is understood through the dispersion relation. We report on an application of this structure; a novel hetero-photonic bandgap structure consisting of an anisotropic layer sandwiched by two cholesteric liquid crystal layers with different helical pitches, displaying the optical diode performance. As a nonlinear optical approach, third order Kerr nonlinear optical effect of one-dimensional photonic bandgap structure of a cholesteric liquid crystal and a Bragg reflector is studied. In a cholesteric liquid crystalline photonic bandgap structure, nonlinear optical changes of bandgap edges are observed through a femtosecond nonlinear transmission measurement. From the analysis of dispersion relation, Kerr nonlinear coefficients of nematics, forming the cholesteric liquid crystal, are found to be enhanced by 1~2 orders of magnitude. In a Bragg reflector composed of SiO₂/TiO₂five-bilayers, the bandgap tunability with picosecond response is demonstrated using pump-probe method. Also the effective optical Kerr non-linearity determining Z-scan profile is derived through the analysis of dispersion relation in a photonic bandgap structure. Near and inside the stopband, the nonlinear optical phase change, originating from an off-resonant response, is converted to a nonlinear optical intensity change through the Bragg reflection. The Z-scan measurement on a cholesteric liquid crystal photonic bandgap structure confirmed that the offresonant Kerr nonlinearity is responsible for the characteristic open-aperture Z-scan profiles near the stopband edges.