Study on characteristics of meta-resonance in terahertz metamaterials

Abstract

In this study, the characteristics of meta-resonances in terahertz (THz) metamaterials are investigated. For THz metamaterial fabrication, micron-sized resonators are patterned on a p-type silicon wafer by use of a standard photo-lithography process. Spectra of meta-resonance were obtained from a THz time-domain spectroscopy (TDS). In analyzing the meta-resonance characteristics, a Lorentzian resonance model and a numerical finite-difference-time-domain (FDTD) simulation are adopted. First, a metamaterial superlattice structure was designed with a double-split ring resonator as meta-particle unit. The excitation of a high-Q trapped mode was observed in the superlattice structure, which is understood in terms of coherent coupling among the nearest-neighboring double-split ring resonators. In order to further identify the characteristics of trapped mode, a cryogenic temperature THz TDS measurement was carried out, and the temperature dependence of Q factor of both trapped mode and open mode was studied. Second, anisotropic metamaterials were designed by adopting uniaxial resonator and double split-ring resonator as meta-particles. Dielectrically anisotropic molecules such as nematic liquid crystal and carbon nanotube are employed to investigate the anisotropic variations in meta-resonances. THz TDS showed that the inherent dielectric anisotropy of molecules are enhanced when incorporated with metamaterials. Third, Berry's phase, or geometric phase, was studied in a liquid crystal cell in order to find how the negative refractive index metamaterial behaves in providing the total phase, namely, sum of dynamic and geometric phases. In Mach-Zehnder interferometry incorporating liquid crystal cell, a movement of interference pattern was observed, coming from a change in geometric phase in the presence of an external electric field. The capability to control geometric phase in a liquid crystal cell opens a new way of designing a novel interferometric device employing metamaterial as a functional medium.;본 논문에서는 테라헤르츠 메타물질에서의 메타공진 성질에 대한 연구를 하였고, 메타물질의 앞으로의 응용에 대해 제안하였다. 금속으로 이루어진 테라헤르츠 메타물질이 p-type 실리콘 기판위에 제작되었다. 메타공진은 시간영역의 테라헤르츠 분광법(terahertz time-domain spectroscopy)을 이용하여 측정하였고, 로렌츠(Lorentz) 공진 모델과 finite difference time domain (FDTD) 시뮬레이션을 통하여 메타공진의 특성을 분석하였다. 첫번째로 대칭적인 메타물질 초격자 구조가 양쪽으로 쪼개어진 링 공진기(DSRR: double-split ring resonator)를 DSRR의 틈(split)의 회전각도를 번갈아가면서 배열함으로써 제작되었다. 대칭적인 초격자구조의 투과 스펙트럼이 측정되었고, 빛의 편광각도가 90˚일때 높은 품질계수를 가지는 닫힌 모드가 여기되는것을 관찰하였다. 닫힌 모드의 특성은 FDTD 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 또한 온도를 극저온으로 낮춤으로써 닫힌모드와 열린모드의 품질계수 변화를 관찰하였다. 두번째로 테라헤르츠 이방성 메타물질 시료가 제작되었다. 이방성 시료를 제작하기위해서 사용된 메타물질은 uniaxial 구조, isotropic 구조, 그리고 두개의 쪼개어진 고리 공진기(double split- ring resonator)이다. 이방성 물질로는 네마틱 액정과 탄소나노튜브를 이용하였다. 액정을 이용하여 만들어진 이방성 시료에서는 빛의 편광방향과 액정의 정렬 방향에 따른 메타공진의 변화가 관찰되었다. 탄소나노튜브를 이용한 시료에서도 빛의 편광방향과 탄소나노튜브의 정렬방향에 따른 메타공진의 변화가 관찰되었다. 또한 FDTD 시뮬레이션을 통해서 이방성 유전체가 메타물질 주위에 있는 경우 메타공진의 특성변화를 연구하였다. 마지막으로 메타물질에 응용하기 위해서 빛의 기하학적 위상을 연구하었다. 빛의 위상 변화를 관찰하기 위하여 마흐-젠더 간섭계를 구성하였고, 간섭계의 한쪽 팔에 액정 시료를 두어 빛의 위상에 변화를 줄 수 있도록 하였다. 액정 시료에 전기장을 가하여 액정 시료의 굴절율 변화에 따른 간섭무늬의 움직임이 관찰되었다. 실험결과는 수치적인 시뮬레이션과 비교하여 분석되었다.