Control of Optical Phenomena by Metamaterial Resonances Design

Abstract

Optical phenomena such as transmission, reflection, and refraction are described in terms of refractive index of optical medium. Metamaterial is a class of optical medium where the effective refractive index can be manipulated by resonances design in subwavelength sized meta-atom. Optical response of meta-atom is determined by the size and shape of meta-structure and it is possible to control optical phenomena by designing resonances of meta-atom. We adopt double-split ring resonator, rod resonator, and V-shaped antenna aperture as meta-atom to study how optical phenomena can be controlled by meta-resonance design. Metamaterial resonances design provides several important examples of optical phenomena control, which include energy-transfer between superradiant modes through Fano resonance, polarization-dependent resonant metastructure as frequency selective surface, a phase-gradient metasurface to provide a tangential momentum, and optical spin Hall effect via an enhanced spin-orbit coupling. Basic concepts such as Fano resonance, Babinet principle, Berry curvature, and form-invariance of physics law are explored in explaining optical phenomena observed in metamaterials composed of the above-mentioned meta-atoms. In particular, it is shown that a Fano resonance takes place even when both super- and sub-radiant modes are externally driven. Negative metamaterial composed of meta-atom apertures exhibits a complementary meta-resonances, advantageous in constructing liquid crystal metamaterial cell for electro-optic modulation. Analysis of optical spin Hall effect in terms of momentum-space Lorentz equation of motion allows an expression of transverse beam-shift in terms of phase-gradient metamaterial. Transformation optics scheme is employed to broaden the understanding of anomalous refraction in V-shaped antenna aperture metamaterial. As an application of metamaterial to photonic device, a liquid crystal cell incorporating metamaterial is fabricated to demonstrate electro-optic control of reflection and refraction. The capability of metamaterial resonances design renders nano-sized metamaterial a rich near-IR optical material. That is, nano-sized metamaterials provide a platform for new photonic device architectures for spatial light modulation, wave division multiplexer or demultiplexer, high sensitivity detection, and precise nano-metrology in a broadband near-IR spectral range.;반사, 투과, 굴절과 같은 다양한 광학현상은 광학매질의 굴절률에 의해 지배된다. 광학매질을 구성하는 분자들이 외부 전자기파에 반응하는 특성을 기술하는 분극률이 매질의 굴절률을 결정하고, 렌즈나 프리즘과 같은 광학계를 지나는 빛의 위상은 광학계를 구성하는 분자와의 상호작용에 의해 바뀌고, 그 결과 빛의 파면이 바뀌어 진행방향이 변한다. 최근에는 나노기술의 발달로 파장보다 작은 크기의 인공구조를 쉽게 제작할 수 있고, 외부 빛에 대한 인공구조의 공명반응을 조작함으로써 자연에서 쉽게 관찰되지 않는 광학현상을 보이는 인공물질 즉 메타물질에 대한 연구가 활발하게 되었다. 본 연구에서는, 인공적으로 설계된 공명반응을 갖는 메타물질을 이용하여 관찰되는 다양한 광학 현상들을 제시하였다. 첫째로, 이중 파노(Fano)공명을 연구하기 위해 4준위 삼각대 모양 원자계를 시늉한 테라헤르츠 영역 메타물질을 설계 제작하였다. 낮은 품위계수 (Q-factor)를 갖는 두 개의 메타진동자가 높은 품위계수 갖는 한 개의 진동자와 근접전기장으로 결합될 때 낮은 품위계수를 갖는 두 개의 독립된 진동자들 사이에서 일어나는 흡수 에너지의 이동을 관찰하였다. 이 연구는 이중 파노공명을 갖는 메타물질을 센서 응용연구에 활용할 수 있는 가능성을 보여주며 양자 간섭효과를 이해하는데 필요한 물리학적 직관을 준다. 둘째로, 바비네(Babinet)원리를 만족하며 편광에 의존하는 반사 공명을 갖는 근적외선 영역 메타물질을 설계 제작하였다. 반사공명 메타물질을 이용하여 제작한 액정 셀 구조는 외부에서 가한 전압에 따라 다른 반사율 특성을 보였다. 100ms의 반응시간을 갖고 40%의 반사율 조절이 가능함을 보였으며, 이것은 근적외선 영역에서 전기적 스위칭이 가능한 광파이버 및 메타물질 연구 등에 응용될 수 있다. 셋째로, 공명 반응에서 위상반응이 다른 8개의 메타진동자들을 주기적으로 배열함으로써 투과하는 빛의 위상에 급격한 변화를 주어 빛의 진행 방향을 의도적으로 조절할 수 있는 메타물질을 설계 제작하였다. 매질의 경계면 방향으로 규칙적인 위상 변화를 주도록 메타진동자들의 배열을 설계함으로써 입사면을 벗어난 굴절이 관찰될 뿐만 아니라, 이것은 빛의 스핀-궤도 상호작용을 증폭시키는 역할을 하여 광 스핀홀(Hall) 효과 측정이 용이하도록 했다. 양자 약한 측정을 이용하여 광 스핀홀효과 조절을 구현하였다. 이것은 나노크기의 측정법에 활용가능하다. 끝으로 맥스웰 방정식의 형태불변(form-invariance) 성질에 바탕한 변환광학을 이용하여 메타물질의 설계방법을 연구하였다. 매질의 경계면 방향으로 위상변화를 주는 메타물질을 설계할 때 고려되어야 하는 좌표변환을 얻었으며, 이를 통해 메타 진동자들이 만족해야 하는 유전율 및 투자율을 공간에 대한 함수로 얻을 수 있었고 전산모사를 통해 이를 확인하였다. 이 연구는 얻고자 하는 광학현상을 메타물질을 이용하여 구현하고자 할 때 메타물질을 이루는 요소 진동자들의 공간배열에 대한 설계에 큰 도움을 준다.