KR102292826B1 - 선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자 - Google Patents

선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자 Download PDF

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Abstract

선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자에 있어서, 상기 트리포시 메타렌즈 소자는, 제1 SiO2 기판의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 제1 나노기둥을 포함하되, 상기 제1 나노기둥의 일측 단면은 상기 제1 기판의 x축에 평행하게 정렬되는 PMM 유닛셀; 제2 SiO2 기판의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 제2 나노기둥을 포함하되, 상기 제2 나노기둥의 일측 단면은 상기 제2 기판의 x축의 45°방향에 평행하게 정렬되는 PCM 유닛셀; 을 포함하며, 상기 트리포시 메타렌즈는 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀을 혼합하여 기능적 인터리빙 배열을 하되, 상기 PMM 유닛셀은 두 개의 직교 편광에 대해 독립적인 위상 시프트를 수행하도록 하고, PCM 유닛셀은 선형 편광 변환 및 위상 시프트를 동시에 수행하도록 배열을 하는 것을 특징으로 한다.

Description

선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자{Trifoci metalens element using twofold polarization-selective metasurfaces for linearly polarized visible light}
본 발명은 선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자에 관한 기술이다.
메타표면(metasurfaces) 소자는 평면 구조적 구성에 비추어 볼 때, 초소형 집적 광학 시스템을 구축하는데 불리한 종래의 굴절/회절 광학 요소를 보완하거나 대체하기 위해 이용될 수 있기 때문에 최근 엄청난 관심을 끌고 있다.
광학 메타표면은 특히 금속 또는 유전체 재료로 구성된 서브 파장 나노 구조로 만들어지며 서브 파장 스케일에서 위상, 진폭 및 편광과 같은 광 특성을 국부적으로 제어할 수 있는 것으로 알려진 소위 메타원자로 구성된다.
예를 들어, 평평한 메타표면 렌즈(메타렌즈)는 초박형 두께, 향상된 성능 및 비용 효율적인 CMOS 호환 제조 공정과 같은 기존의 광학 렌즈보다 눈에 띄는 기능을 제공할 수 있기 때문에 폭넓게 연구되고 있다.
메타표면은 광 파면을 형성하는 것 외에도 효율적인 편광 변환을 달성하기 위한 파장판과 같은 기존의 광학 구성 요소보다 광대역에 걸쳐 큰 장점을 가지고 있다.
이러한 뛰어난 광 변조 특성을 가진 플랫폼은 장치 소형화를 실현할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 방식으로 달성할 수 없는 다목적/다기능 평면 광학 구성 요소를 구현할 수 있는 길을 열어준다. 최근에 멀티 태스킹을 수행할 수 있는 단일 장치의 유형인 다기능 메타표면 소자의 생성에 많은 연구 노력이 기울여져 왔다. 공개된 문헌([S. Tang, T.Cai, H.-X. Xu, Q. He, S. Sun, L. Zhou, Appl. Sci. 2018, 8, 555.], [S. Chen, Z. Li, Y. Zhang, H. Cheng, J. Tian, Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1800104.], [B. H. Chen, P. C. Wu, V.-C. Su, Y.-C. Lai, C. H. Chu, I C. Lee, J.-W. Chen, Y. H. Chen, Y.-C. Lan, C.-H. Kuan, D. P. Tsai, Nano Lett. 2017, 17, 6345.], [P. C. Wu, W.-Y. Tsai, W. T. Chen, Y.-W. Huang, T.-Y. Chen, J.-W. Chen, C. Y. Liao, C. H. Chu, G. Sun, T. P. Tsai, Nano Lett. 2017, 17, 445.])은 다기능 메타장치의 예를 개시한다. 이러한 혁신적인 메타장치는 다양한 방식으로 편광 활용 및 파면 형성에 사용되어 왔으며 초소형 집적 광학 시스템의 구축에 매우 유리할 수 있다.
대부분의 다기능 메타표면 소자를 개발하는 데 필요한 필수 단계 중 하나는 원하는 특정 기능과 관련된 단일 장치 2D 위상 프로파일(대부분의 경우)을 인코딩하는 것이다. 지난 몇 년 동안 세분화(segmentation), 인터리빙(interleaving) 및 고조파(harmonic) 응답을 포함한 여러 멀티플렉싱 전략이 널리 채택되었다.
고조파 응답기반 다기능 메타표면은 전형적으로 선형 또는 비선형 영역에서 다양한 광파 조작을 가능하게 하기 위해 원하는 위상 프로파일을 부여하는 방식으로서 편광, 파장 및 입사각에 의존한다.
예를 들어, 두 개의 직교 편광된 입사광의 동시 분할 및 포커싱은 단일 반사 메타미러(metamirror)를 통해 수행되었다. 공개된 문헌(S. Boroviks, R. A. Deshpande, N. A. Mortensen, S. I. Bozhevolnyi, ACS Photonics 2018, 5, 1648.)은 메타미러에 대해 개시한다.
이러한 유형의 메타표면을 구성하는 각각의 메타원자는 두 개의 직교 편광에 따라 서로 독립적인 두 개의 위상 시프트(phase shift)를 지원할 필요가 있기 때문에, 설계 방식은 제한된 설계 유연성을 겪는 경향이 있다. 최근 공개된 문헌([W. Pan, T. Cai, S. Tang, L. Zhou, J. Dong, Opt. Express 2018, 26, 17447.], [L. Zhang, R. Y. Wu, G. D. Bai, H. T. Wu, Q. Ma, X. Q. Chen, T. J. Cui, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802205.])에서 마이크로파 영역에서 작동하는 전 공간 편광 제어 다기능 메타표면이 보고되었다.
메타표면 상에 전방(forward) 또는 후방(backward)으로 비춰지는 입사광의 편광을 처리함으로써, 투과 또는 반사 공간에서 세 가지 별개의 기능이 획득될 수 있다. 이러한 메타표면에 대해, 투과 및 반사된 광에 대한 위상 응답의 독립적인 제어를 달성하기 위해 5층의 이방성 메타원자가 유닛셀에 이용될 수 있다.
여러 기능을 통합하는 과정을 단순화하기 위해, 이전의 두 공간 멀티플렉싱 접근법 (세분화 및 인터리빙)과 고조파 응답의 조합에 많은 노력을 기울여왔다.
예를 들어 대표적인 예로는 논문([E. Arbabi, A. Arbabi, S. Mahsa Kamali, Y. Horie, A. Faraon, Sci. Rep. 2016, 6, 32803.], [E. Arbabi, A. Arbabi, S. M. Kamali, Y. Horie, A. Faraon, Optica 2016, 3, 628.], [D. Lin, A. L. Holsteen, E. Maguid, G. Wetzstein, P. G. Kik, E. Hasman, M. L. Brongersma, Nano Lett. 2016, 16, 7671.])에서 소개된 다중 파장 무채색 메타렌즈 및 논문([B. Wang, F. Dong, Q.-T. Li, D. Yang, C. Sun, J. Chen, Z. Song, L. Xu, W. Chu, Y.-F. Xiao, Q. Gong, Y. Li, Nano Lett. 2016, 16, 5235.], [ W. Zhao, B. Liu, H. Jiang, J. Song, Y. Pei, Y. Jiang, Opt. Lett. 2016, 41, 147.])에서 소개된 풀 컬러 메타 홀로그램이 포함될 수 있다. 최근에, 원형 편광에 대한 세 개의 초점을 발생시키기 위해 공간적으로 변화하는 배향을 갖는 동일한 플라즈몬 나노로드로 구성된 투과형 메타렌즈가 제안된 바 있다. 메타렌즈 영역은 세 개의 영역으로 분할되며, 각 영역은 지정된 초점면에서 입사 왼쪽 또는 오른쪽 원형 편광된 빛을 집중시키는 것으로 간주되는 하나의 서브 메타렌즈로 구성된다.
이러한 접근법은 또한 논문([K. Yang, M. Pu, X. Li, X. Ma, J. Luo, H. Gao, X. Luo, Nanoscale 2016, 8, 12267.], [M. Q. Mehmood, S. Mei, S. Hussain, K. Huang, S. Y. Siew, L. Zhang, T. Zhang, X. Ling, H. Liu, J. Teng, A. Danner, S. Zhang, C.-W. Qiu, Adv. Mater. 2016, 28, 2533.])에서 소개된 바와 같이 멀티플렉스 광소용돌이(optical vortices)를 위한 파장 및 헬리시티-제어된(Helicity-controlled) 메타장치를 개발하기 위해 사용되어 왔다.
각 기능에 대한 효율은 단일 메타표면에서 다중화되는 기능의 수에 반비례하는 것으로 추정된다.
입력 또는 출력 원형 편광의 조정에만 의존하는 기존의 편광-다중화 세 기능 (trifunctional) 메타표면의 대부분에 대해, 기능적 누화(crosstalk)로 인해 성능이 더욱 악화될 수 있으며, 하나의 기능은 다른 기능에 대해 배경 노이즈(background noise)로 간주될 수 있다.
또한 논문(X. Chen, M. Chen, M. Q. Mehmood, D. Wen, F. Yue, C.-W. Qiu, S. Zhang, Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 1201.)에서 개시된 바 있는 세 기능 중 두 개가 동일한 원형 편광 상태를 공유하므로 이러한 메타표면에 대한 배경 노이즈는 쉽게 제거되지 않을 수 있다.
(1) S. Tang, T. Cai, H.-X. Xu, Q. He, S. Sun, L. Zhou, Appl. Sci. 2018, 8, 555. (2) S. Chen, Z. Li, Y. Zhang, H. Cheng, J. Tian, Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1800104. (3) B. H. Chen, P. C. Wu, V.-C. Su, Y.-C. Lai, C. H. Chu, I C. Lee, J.-W. Chen, Y. H. Chen, Y.-C. Lan, C.-H. Kuan, D. P. Tsai, Nano Lett. 2017, 17, 6345. (4) P. C. Wu, W.-Y. Tsai, W. T. Chen, Y.-W. Huang, T.-Y. Chen, J.-W. Chen, C. Y. Liao, C. H. Chu, G. Sun, T. P. Tsai, Nano Lett. 2017, 17, 445. (5) S. Boroviks, R. A. Deshpande, N. A. Mortensen, S. I. Bozhevolnyi, ACS Photonics 2018, 5, 1648. (6) Z.-L. Deng, J. Deng, X. Zhuang, S. Wang, K. Li, Y. Wang, Y. Chi, X. Ye, J. Xu, G. P. Wang, R. Zhao, X. Wang, Y. Cao, X. Cheng, G. Li, X. Li, Nano Lett. 2018, 18, 2885. (7) R. Zhao, B. Sain, Q. Wei, C. Tang, X. Li, T. Weiss, L. Huang, Y. Wang, T. Zentgraf, Light: Sci. Appl. 2018, 7, 95. (8) Y. Bao, Y. Yu, H. Xu, Q. Lin, Y. Wang, J. Li, Z.-K. Zhou, X.-H. Wang, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805306. (9) F. Dong, H. Feng, L. Xu, B. Wang, Z. Song, X. Zhang, L. Yan, X. Li, Y. Tian, W. Wang, L. Sun, Y. Li, W. Chu, ACS Photonics 2019, 6, 230. (10) E. Arbabi, A. Arbabi, S. Mahsa Kamali, Y. Horie, A. Faraon, Sci. Rep. 2016, 6, 32803. (11) E. Arbabi, A. Arbabi, S. M. Kamali, Y. Horie, A. Faraon, Optica 2016, 3, 628. (12) D. Lin, A. L. Holsteen, E. Maguid, G. Wetzstein, P. G. Kik, E. Hasman, M. L. Brongersma, Nano Lett. 2016, 16, 7671. (13) B. Wang, F. Dong, Q.-T. Li, D. Yang, C. Sun, J. Chen, Z. Song, L. Xu, W. Chu, Y.-F. Xiao, Q. Gong, Y. Li, Nano Lett. 2016, 16, 5235. (14) W. Zhao, B. Liu, H. Jiang, J. Song, Y. Pei, Y. Jiang, Opt. Lett. 2016, 41, 147. (15) K. Yang, M. Pu, X. Li, X. Ma, J. Luo, H. Gao, X. Luo, Nanoscale 2016, 8, 12267. (16) M. Q. Mehmood, S. Mei, S. Hussain, K. Huang, S. Y. Siew, L. Zhang, T. Zhang, X. Ling, H. Liu, J. Teng, A. Danner, S. Zhang, C.-W. Qiu, Adv. Mater. 2016, 28, 2533. (17) X. Chen, M. Chen, M. Q. Mehmood, D. Wen, F. Yue, C.-W. Qiu, S. Zhang, Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 1201. (18) S. Gao, C.-S. Park, S.-S. Lee, D.-Y. Choi, Nanoscale 2019, 11, 4083.
본 발명은 편광유지 메타표면(PMM)과 편광변환 메타표면(PCM)을 이용하여 선택적으로 서로 다른 초점면에서 세 개의 초점을 나타낼 수 있는 선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 별개의 위상적 전하를 포함하는 세 개의 소용돌이 빔(vortex beams)을 멀티플렉싱하기 위해 별개의 멀티플렉싱 전략에 기초한 선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자에 있어서, 상기 트리포시 메타렌즈 소자는 제1 기판의 중앙부에 고 굴절률과 낮은 흡광계수를 가진 재료로 형성된 사각형상의 제1 나노기둥을 포함하되, 상기 제1 나노기둥의 일측 단면은 상기 제1 기판의 x축에 평행하게 정렬되는 PMM 유닛셀; 제2 기판의 중앙부에 고 굴절률과 낮은 흡광계수를 가진 재료로 형성된 사각형상의 제2 나노기둥을 포함하되, 상기 제2 나노기둥의 일측 단면은 상기 제2 기판의 x축의 45°방향에 평행하게 정렬되는 PCM 유닛셀; 을 포함하며, 상기 트리포시 메타렌즈는 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀을 혼합하여 기능적 인터리빙 배열을 하되, 상기 PMM 유닛셀은 두 개의 직교 편광에 대해 독립적인 위상 시프트를 수행하도록 하고, PCM 유닛셀은 선형 편광 변환 및 위상 시프트를 동시에 수행하도록 배열을 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 기판 및 제2기판은 SiO2로 형성되고, 상기 제1 나노기둥 및 제2 나노기둥은 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 이산화티타늄(TiO2)으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀은 동일한 높이 및 일정한 주기(Λ)를 가지고 기능적 인터리빙 배열을 하되, 상기 일정한 주기는 240nm이고 상기 높이는 320nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트리포시 메타렌즈 소자에서 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀을 원형 영역으로 배치하여 광 소용돌이 빔을 발생시키는 것을 특징으로 하되, 상기 PMM 유닛셀은 반경 r1을 갖는 원형 영역에 배열되고, PCM 유닛셀은 r1의 반경에서 r2까지 연장되는 원형 링 영역에 분포되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀의 배열은 다음 Jones 매트릭스 식(J)으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112020020945523-pat00001
- 여기서
Figure 112020020945523-pat00002
는 x축과 y축에 따른 전기장과 관련된 위상 시프트를 나타내며, θ는 상기 나노기둥의 단면이 상기 기판의 x축에 대한 진상축(fast-axis)의 정렬 각도 방향을 나타내는 것임.
또한, 상기 PMM 유닛셀은 다음 Jones 매트리스 식(JPMM)으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112020020945523-pat00003
- 여기서
Figure 112020020945523-pat00004
는 x축과 y축에 따른 전기장과 관련된 위상 시프트를 나타내며, 해당 매트릭스는 진상축(fast-axis)을 사각형상의 나노기둥의 단면이 x축과 평행하게 정렬하는 것(θ = 0°)에 의해 나타내는 것임.
또한, 상기 PCM 유닛셀은 다음 Jones 매트리스 식(JPCM)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
Figure 112020020945523-pat00005
- 여기서 사각형상의 나노기둥의 단면 x축이 진상축과 θ=45°의 배향각을 가지며, x축 및 y축을 따른 편광 사이에 π위상차가 주어지면, 편광은 직교 대응물로 변환될 수 있다고 가정되며, 변환된 편광에 대해 임의의 위상 시프트
Figure 112020020945523-pat00006
를 동시에 부여함으로써 나타내는 것임.
또한, 상기 트리포시 메타렌즈 소자는 상기 선형 편광의 입력 및 출력 상태를 선택하는 것에 의하여 상기 PMM 유닛셀 및 PCM 유닛셀이 교대로 활성화 또는 비활성화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트리포시 메타렌즈 소자는 각 세트가 64개의 PMM유닛셀과 8개의 PCM유닛셀의 비율로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 8개의 PCM 유닛셀 중, 4개의 유닛셀은 나머지 4개의 유닛셀과 90°의 위상차를 가지고 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트리포시 메타렌즈 소자는 세 개의 초점(fi)에 대해 다음 식에 의한 위상 프로파일이 형성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112020020945523-pat00007
- 여기서 (x, y)는 상기 메타렌즈 중심에 대한 PMM유닛셀 및 PCM유닛셀과 관련하여 각 유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, fi는 i = 1, 2 및 3에 대한 i 번째 초점 길이임.
또한, 상기 트리포시 메타렌즈 소자에서 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀을 원형 영역으로 배치하여 광 소용돌이 빔을 발생시키는 것을 특징으로 하되, 상기 PMM유닛셀은 반경 r1을 갖는 원형 영역에 배열되고, PCM유닛셀은 r1의 반경에서 r2까지 연장되는 원형 링 영역에 분포되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원형 영역은
Figure 112020020945523-pat00008
의 비율로 배열되는 것을 특징으로 하며, 상기 광 소용돌이 빔의 위상 프로파일은 다음 식에 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112020020945523-pat00009
- 여기서 (x0, y0) 및 f는 초점 위치 및 초점 길이를 나타내며, l은 초점화 광 소용돌이(focused optical vortex) 빔의 위상적 전하(topological charge)를 나타내는 것임.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, PMM과 PCM을 기능적으로 인터리빙함으로써, 단일 메타표면을 통해 세 개의 독립적인 위상 프로파일을 인코딩할 수 있는 트리포시 메타렌즈 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈는 세 개의 서로 다른 초점면에서 향상된 광 포커싱을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈는 길이 방향에 따라 서로 다른 초점면에서 세 개의 초점이 성공적으로 구현될 수 있으며, 종래의 메타장치에 비하여 서로 다른 초점 사이에서 감소된 누화(crosstalk) 현상을 가진다.
도 1a 및 도 1b는 은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 메타렌즈에서 입사 및 투과된 빛의 선형 편광에 따라 서로 다른 초점면에서 세 개의 초점을 생성하는 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 예에서 SiO2 기판 위에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 나노기둥으로 구성된 PMM 메타표면 소자의 구조, 효율 및 위상 시프트를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 예에서 SiO2 기판 위에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 나노기둥으로 구성된 PCM 메타표면 소자의 구조, 효율 및 위상 시프트를 도시한 것이다.
도 4는 네 개의 PCM에 대해 산출된 공동편광(co-polarization)의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 구조와 함께 산출된 위상 프로파일 및 편광에 따른 필드 분포를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 일부에 대한 시뮬레이션 자기장 프로파일(xy 평면 및 xz 평면)을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML) 소자에서, x- 및 y- 편광 입사광에 대한 TFML의 투과, 반사, 흡수 및 포커싱 효율을 시뮬레이션한 결과를 표로 요약하여 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)에 대해 xy 평면에서 빛의 강도 프로파일을 검사하기 위한 측정시스템을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 따라 제조된 트리포시 메타렌즈(TFML) 소자샘플의 다른 배율 및 시야각에서 주사 전자 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 따라 제조된 트리포시 메타렌즈(TFML) 소자샘플의 (i)-(iii) x- 및 (iv)-(vi) y- 편광 입사광에 대한 측정된 투과장 강도 프로파일 (xz 평면)을 도시한 것이다.
도 11은 도 8의 측정시스템으로부터 다양한 초점면에서 측정된 xy 평면 광 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈에서, x- 및 y- 편광 입사광에 대해 z = f1 = 70㎛, f2 = 90㎛ 및 f3 = 110㎛에서 측정된 xy 평면 광 강도 프로파일을 나타낸 것이다.
도 13은 각 메타렌즈 조건에 대해 빛의 초점을 나타내는 시뮬레이션된 (xz 평면) 전기장 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 14a는 본 발명의 또 다른 제2 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈에 기반한 축상(on-axis)의 초점화 광 소용돌이(FOV) 빔 발생기에 대한 패턴을 도시한 것이다.
도 14b는 축외(off-axis)의 초점화 광 소용돌이(FOV) 빔 발생 패턴을 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
이하 본 발명의 구현에 따른 선형 편광에 대한 제어가 용이한 트리포시 메타렌즈 소자에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 명세서에서는 세 개의 초점을 나타내는 트리포시 메타렌즈 기술과 상기 트리포시 메타렌즈 기술을 이용한 광 소용돌이 빔 구현 기술로 구분하여 설명한다.
본 발명의 제1 실시 예에서는 입사 및 투과된 빛의 선형 편광 제어를 통해 총 세 가지 기능을 제공하는 새로운 유형의 메타표면 소자로써, 이중 편광 선택적 (twofold polarization-selective) 완전 유전체 (all-dielectric) 메타표면을 이용한 세 기능 메타렌즈 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈 소자에서, 메타표면을 구성하는 고효율 위상 시프터 역할을 하는 단위 메타원자(elemental meta-atoms)는 직사각형 나노 기둥 형태의 높은 굴절률 및 낮은 흡광계수를 가진 재료로 구성되며 편광유지 메타원자(polarization-maintaining meta-atom, 이하 본 명세서에서는 'PMM' 이라 함) 및 편광변환 메타원자(PCM polarization-converting meta-atom, 이하 본 명세서에서는 'PCM' 이라 함)의 두 가지 유형을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 직사각형 나노 기둥을 구성하는 높은 굴절률 및 낮은 흡광계수를 가진 재료는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 이산화티타늄 (TiO2) 등이 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 편광유지 메타원자(PMM)는 두 개의 직교 편광에 대해 독립적인 위상 시프트를 부여할 수 있는 반면, 편광변환 메타원자(PCM)는 선형 편광 변환 및 위상 시프트를 동시에 야기하도록 관여된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, PMM과 PCM을 적절히 인터리빙함으로써, 단일 메타표면 소자는 세 개의 독립적인 위상 프로파일로 인코딩될 수 있으며, 이는 입사 및 투과된 빛의 상이한 편광 상태 조합을 관찰함으로써 밝혀질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 종방향을 따라 서로 다른 초점면에서 세 개의 초점을 나타내는 트리포시 메타렌즈(TFML)가 수치적으로 연구되고 실험적으로 제조된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 메타렌즈 소자는 다른 기능을 제공하는 다수의 다기능 메타장치를 생성하기 위해 쉽게 활용될 수 있으므로 고밀도 정보 암호화, 이미지 전환/인코딩 및 홀로그램 디스플레이에서 두드러진 응용 프로그램 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 동일한 크기 및 공간적으로 다른 방향을 갖는 플라즈모닉 나노로드/나노구멍(nanoapertures)의 공간 다중화에 의존하는 이전의 다기능 메타표면(metasurfaces)과 달리, 다수의 별개의 직사각형 수소화된 비정질 실리콘 나노기둥이 이중 편광 선택적 세 기능 메타표면 소자를 생성하기 위해 활용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈 소자는 측면 너비와 방향 각도를 2π위상 제어로 조절할 수 있는 유전체 나노기둥을 적절하게 인터리빙(interleaving)함으로써, 해당 메타표면은 입사 및 투과된 빛의 선형 편광을 동시에 조절 가능하도록 하여 세 기능 구현을 강화하는 탁월한 특징을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가시광대역의 트리포시 메타렌즈는 종방향을 따라 서로 다른 초점면에서 세 개의 초점이 성공적으로 달성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈는 서로 다른 초점 사이에서 실질적으로 기능적 누화(crosstalk) 현상이 종래에 비하여 감소된다. 이는 실험적으로 검증된다.
본 발명의 또 다른 제2 실시 예에서는 별개의 위상적 전하를 포함하는 세 개의 소용돌이 빔(vortex beams)을 멀티플렉싱하기 위해 별개의 멀티플렉싱 전략에 기초한 메타렌즈 소자가 제공된다.
본 발명에 의해 제안된 트리포시 메타렌즈의 접근 방식은 복잡하지 않고 간단하다. 그러므로 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈는 광 소용돌이(optical vortices)의 다중화 및 위조 방지, 고밀도 정보 암호화, 홀로그래피 및 디스플레이 등에서의 다양한 응용과 같은 다양한 광파 조작을 위한 다양한 다기능 메타장치에 적용될 수 있다.
[제1 실시 예: 세 개의 초점을 나타내는 트리포시 메타렌즈]
도 1a 및 1b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 메타렌즈에서 입사 및 투과된 빛의 선형 편광에 따라 서로 다른 초점면에서 세 개의 초점을 생성하는 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈(trifoci metalens 이하 본 명세서에서는 'TFML'으로 지칭한다.)를 나타낸 것으로, 입사광과 투과광 모두의 선형 편광을 조정함으로써 종방향을 따라 세 개의 서로 다른 초점면에서 입사광을 포커싱 하게 된다.
x축(도 1a의 case1 참조) 및 y축(도 1a의 case3 참조)에 평행한 편광을 갖는 입사광의 경우, 동일한 편광 성분에 대해 투과광 출력은 각각 z = f1 및 z = f3에 포커싱 된다(공동편광 구조: co-polarization scheme).
입사광의 편광 상태를 조정함으로써 이중 초점을 제공하는 종래의 금속과는 달리, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈는 직교 편광 성분을 볼 때 z = f2의 새로운 초점면에서 추가적인 초점을 제공할 수 있다(교차편광에 대한 도 1a의 case 2를 참조). 이는 메타표면이 편광 변환과 위상 제어를 동시에 얻을 수 있는 기회를 제공한다는 점을 고려하면 이 것은 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈는 PMM과 PCM을 기반으로 두 개의 서브 메타렌즈를 결합하여 구현된다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타렌즈가 편광유지 메타원자(polarization-maintaining meta-atoms, PMM) 그룹과 편광변환 메타원자(polarization-converting meta-atoms, PCM) 그룹의 인터리빙 구조를 도시한 것이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈가 편광유지 메타원자(PMM) 그룹과 편광변환 메타원자(PCM) 그룹을 신중하게 인터리빙하여 구성되는 것을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 예에서 SiO2 기판 위에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 나노기둥으로 구성된 PMM 메타표면 소자의 구조, 효율 및 위상 시프트를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 예에서 SiO2 기판 위에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 나노기둥으로 구성된 PCM 메타표면 소자의 구조, 효율 및 위상 시프트를 도시한 것이다.
도 1b 및 도 2, 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈 소자는 제1 기판(10)의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 제1 나노기둥(20)을 포함하되, 상기 제1 나노기둥(20)의 일측 단면은 상기 제1 기판(10)의 x축에 평행하게 정렬되는 PMM 유닛셀(ⅰ); 및 제2 기판(11)의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 제2 나노기둥(21)을 포함하되, 상기 제2 나노기둥(21)의 일측 단면은 제2 기판(11)의 x축의 45°방향에 평행하게 정렬되는 PCM 유닛셀(ⅱ); 을 포함하며, 상기 트리포시 메타렌즈는 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀을 기능적으로 인터리빙하여 배열되는 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 상기 PMM 유닛셀은 입력된 두 개의 직교 편광에 대해 독립적인 위상 시프트를 수행하도록 하고, PCM 유닛셀은 선형 편광 변환 및 위상 시프트를 동시에 수행하도록 기능적 인터리빙 배열을 한다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMM 유닛셀은 SiO2 기판의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 나노기둥을 포함하며, 상기 사각기둥의 일측 단면은 상기 기판의 x축에 평행하게 정렬된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCM 유닛셀은 SiO2 기판의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 나노기둥을 포함하며, 상기 사각기둥의 일측 단면은 x축의 45° 방향의 각도로 틀어져서 정렬된다.
도 1b를 참조하면, 편광유지 메타원자(PMM) 그룹은 공동편광(co-polarization) 구조에서 두 개의 제1, 3초점 (f1 및 f3)의 생성을 담당하는 반면, 편광변환 메타원자(PCM) 그룹은 교차편광(cross-polarization) 구조 하에서 제2초점(f2)을 생성하는 역할을 한다.
PMM 그룹과 PCM 그룹의 역할은 다음 Jones 매트릭스를 통해 잘 설명될 수 있다. 임의 복굴절 재료의 경우 Jones 매트릭스는 수학식 1로 주어진다.
Figure 112020020945523-pat00010
여기서
Figure 112020020945523-pat00011
는 x축과 y축에 따른 전기장과 관련된 위상 시프트를 나타내며, θ는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성된 사각형상의 나노기둥의 단면이 유닛셀의 SiO2 기판의 x축에 대한 진상축(fast-axis)의 정렬 각도 방향을 나타낸다.
편광 상태를 유지하고 편광에 민감한 위상 제어를 허용하는 PMM의 경우, Jones 매트릭스는 진상축(fast-axis)을 사각형상의 나노기둥의 단면이 x축과 평행하게 정렬하는 것(θ= 0°)에 의해 다음 [수학식 2]로 나타낸다.
Figure 112020020945523-pat00012
PCM의 경우, 사각형상의 나노기둥의 단면 x축이 진상축과 θ=45°의 배향각을 가지며, x축 및 y축을 따른 편광 사이에 π위상차가 주어지면, 편광은 직교 대응물로 변환될 수 있다고 가정되며, (변환된 편광에 대해) 임의의 위상 시프트
Figure 112020020945523-pat00013
를 동시에 부여할 수 있다.
따라서 결과 PCM의 경우, Jones 매트릭스는 다음 [수학식3]으로 명기된다.
Figure 112020020945523-pat00014
PMM 및 PCM은 x 및 y 방향을 따라 동일한 변위 d =
Figure 112020020945523-pat00015
로 인터리빙 된다. 여기서
Figure 112020020945523-pat00016
는 유닛셀의 격자 주기이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 선형 편광의 입력 및 출력 상태를 적절하게 선택함으로써, PMM 유닛셀(서브 메타렌즈) 및 PCM 유닛셀(서브 메타렌즈)이 교대로 활성화 또는 비활성화 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제안된 이중 편광 선택 (twofold polarization-selective) 전략은 메타표면 소자의 디자인에서 추가적인 자유도를 제공할 뿐만 아니라 다른 기능들 사이에서 종래보다 더 낮은 누화(crosstalk) 현상을 가지는 것을 특징으로 한다.
「D. Wen, F. Yue, M. Ardron, X. Chen, Sci. Rep. 2016, 6, 27628.」 및 「K. Yang, M. Pu, X. Li, X. Ma, J. Luo, H. Gao, X. Luo, Nanoscale 2016, 8, 12267.」에서 소개된 이전의 메타표면 소자의 경우, 초점과 관련된 위상 프로파일은 동일한 초박형 플라즈몬 나노로드 또는 나노구멍(nanoaperture)을 기반으로 기하학적 위상을 활용하여 생성되었다. 이러한 메타표면 소자는 교차편광 방식에서 원형 편광의 위상을 조작하는 것으로만 알려져 있으며, 제한된 편광변환 효율을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 PMM 및 PCM을 포함한 두 가지 유형의 원소 위상 시프터는 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 만들어진 사각형상의 나노기둥들을 통해 구성되어 λ= 690nm의 설계 파장 대역에서 높은 굴절률과 낮은 흡광계수(n
Figure 112020020945523-pat00017
4.077 + 0.005i)를 제공할 수 있다.
도 2의 (ⅱ)는 690nm의 파장에서 PMM에 대한 나노기둥 단면 사각형의 폭(w1, w2)의 함수로서 시뮬레이션된 투과 효율을 나타내고, (ⅲ)은 위상 시프트를 나타낸다.
도 3에서 (ⅱ)는 690nm의 파장에서 PMM에 대한 나노기둥 단면 사각형의 폭(w3, w4)의 함수로서 시뮬레이션된 투과 효율을 나타내고 (ⅲ)은 위상 시프트를 나타낸다.
도 2, 3을 참조하면, 동일한 높이 h = 320nm(
Figure 112020020945523-pat00018
0.46λ)를 갖도록 선택된 PMM 및 PCM은 동일한 피치Λ= 240 nm를 갖는 사각형 격자 유닛셀에 통합된다.
PMM 및 PCM은 기능적으로 절단된 도파관으로 간주될 수 있으며, 나노기둥의 어느 하나의 축에 평행한 입력 편광에 따라 두 개의 상이한 유효굴절률을 나타낸다.
전술한 바와 같이, PMM의 폭(w1, w2)은 각각 x축 및 y축에 평행하게 정렬되는 반면, PCM은 x축에 대해 45°회전하여 두 유효굴절률의 차이로 인해 두 편광 사이의 π위상 차가 발생하는 상황에서 입사 편광이 직교 대응물로 변환될 수 있다. 여기서 유한차이 시간영역방법 기반 도구를 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 구조의 최적 치수를 결정할 수 있다.
x축에 평행한 편광을 갖는 수직 입사 평면파에 대해, PMM의 경우, 폭(w1, w2)의 함수로서 공동편광(co-polarization)에 대한 투과 효율TExx 및 대응하는 위상 시프트
Figure 112020020945523-pat00019
Exx는 도 2의 (ⅱ), (ⅲ)에 각각 도시되어있다
그리고 도 3을 참조하면, 교차편광 (cross-polarization) 방식으로 동작하는 PCM의 경우, 폭(w3, w4)에 대한 투과 효율TEyx 및 관련 위상 시프트
Figure 112020020945523-pat00020
Eyx는 각각 도 3의 (ⅱ), (ⅲ)에 제시된 바와 같이 산출되어진다.
도 2의 (ⅱ), (ⅲ) 및 도 3의 (ⅱ), (ⅲ)에 묘사된 시뮬레이션 결과는 PMM과 PCM이 높은 투과 효율로 전체 2π위상 제어를 가능하게 하며, 이 두 가지 모두 충분한 파면 조작을 강화하는 데 필수적인 역할을 한다는 것을 의미한다.
PMM의 직사각형 형태에 비추어, y- 편광 입사광에 대한 투과효율TEyy 및 위상 시프트
Figure 112020020945523-pat00021
Eyy는 w1 = w2에 대응하는 대각선에 대한 거울 대칭에 기초하여 TExx 및
Figure 112020020945523-pat00022
Exx에 대한 결과로부터 이론적으로 추출될 수 있다(「H. Zhang, X. Zhang, Q. Xu, C. Tian, Q. Wang, Y. Xu, Y. Li, J. Gu, Z. Tian, C. Ouyang, X. Zhang, C. Hu, J. Han, W. Zhang, Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1700773.」, 「S. Gao, C.-S. Park, D.-Y. Choi, S.-S. Lee, Adv. Opt. Mater. 2019, 7, 1801337.」참조).
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈 소자(TFML)는, 64개의 PMM과 8개의 PCM의 세트의 비율로 구성된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈 소자(TFML)는 높은 투과 효율과 전체 2π위상 제어를 제공하고, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 신중하게 선택되어 공동 및 교차편광 방식에서 파면 조작이 만족스럽게 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈 소자에서 나노기둥 선택에 대한 기본 방침은 다음과 같다.
첫째, 8단계 위상 변조는 2π단계 조정 범위 전체를 π/4의 위상 간격으로 8단계로 균일하게 분리하고, PCM 선택에 대한 전략에 적용한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 8단계 위상 변조는 임의의 파면 제어를 가능하게 하기에 충분하다.
주어진 PMM에 대해, x- 와 y- 편광에 대한 위상 시프트가 서로 관련되어 있음을 주목하면서, x- 편광에 대해 8개의 위상 레벨을 검색하여 산출하고, y- 편광에 대해 64 나노기둥이 나오도록 검색을 수행한다.
궁극적으로 선택된 PMM 및 PCM 나노기둥은 도 2의 (ⅲ), 도 3의 (ⅲ)에 도시된 바와 같이 크로스마크(crossmarks: X)로 표시된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 PCM과 PMM 간에 발생될 수 있는 누화(crosstalk)가 살펴봐야 할 문제라는 점을 고려하여 PCM의 공동편광 스펙트럼(co-polarization spectra)을 계산하기 위해 추가적인 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, π/4 간격으로 전체 2π위상 제어를 가능하게 하는 8개의 PCM에 대해, 후자의 4개의 PCM은 전자의 4개의 PCM을 90°회전시킴으로써 얻을 수 있다.
도 4는 네 개의 PCM에 대해 산출된 공동편광(co-polarization)의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 처음 네 개의 PCM의 공동편광 투과율(co-polarized transmissions)은 설계 파장(λ1 = 690nm) 근처의 좁은 대역폭 (
Figure 112020020945523-pat00023
20nm)에서 평균 2% 미만인 것으로 관찰되었다.
이 결과로부터, x- 또는 y- 편광을 갖는 입사광에 대해, PCM으로부터 발생된 공동편광된 투과 광 성분이 PMM과 비교하여 무시할 수 있을 정도임을 나타낸다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCM들은 PMM에 의해 유도광 포커싱에 거의 영향을 미치지 않으며, 심각한 기능적 누화(crosstalk) 현상도 발생되지 않는다.
낮은 공동편광 투과율을 제공하는 설계된 PCM의 대역폭은 상당히 좁다. 제안된 이중 편광 다중화 (twofold polarization-multiplexing) 방법은 다중 파장 다기능 메타표면 소자를 설계하기 위한 목적에는 적합하지 않을 수 있다.
예를 들어, 파장 λ2 = 800nm에서, λ1 용으로 설계된 PCM의 공동편광 전송은 간과될 수 없으며, λ1 용으로 설계된 PCM이 λ2 용으로 설계된 PMM과 관련된 기능성을 저하시킬 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 경우, 위상 프로파일이 뚜렷한 초점은 다음 수학식 4로 표현된다.
Figure 112020020945523-pat00024
여기서 (x, y)는 메타렌즈 중심에 대한 PMM 유닛셀 및 PCM 유닛셀과 관련하여 각 유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, fi는 i = 1, 2 및 3에 대한 i 번째 초점 길이를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, f1 = 60㎛, f2 = 80㎛ 및 f3 = 100㎛이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 구조와 함께 산출된 위상 프로파일 및 편광에 따른 필드 분포를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 왼쪽에는 f1 = 60㎛, f2= 80㎛ 및 f3= 100㎛ 위치에서 빛의 초점을 맞추기 위하여 산출된 위상 프로파일이 나타나 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 바람직한 트리포시 메타렌즈(TFML)의 레이아웃은 도 4의 중앙에 도시된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 방법은 수치 시뮬레이션을 통해 신뢰성 측면에서 검증될 수 있다.
설명의 편의상 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 중앙 부분만 고려된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML) 소자는 원통형 TFML 구조가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 설계된 파장 690nm에서 평면파가 입사될 때, 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML) 직후의 필드 분포(xz 평면)는 광 포커싱 현상을 탐구하기 위해 검사된다.
도 5를 참조하면, 도 5의 상단부에 도시 된 바와 같이, x- 편광을 갖는 입력광에 대해, 투과된 공동편광 빔(입력 x편광에 대해 투과된 x편광 copolarized light beam의 예)은 z1 = f1 = 60㎛에서 제1 초점을 형성하기 위해 점차 수렴된다.
또한, 도 5의 중단부에 도시된 바와 같이 투과된 광이 y- 편광 성분에 대해 검사될 때(입력 x편광에 대해 투과된 y편광의 예)는, z1에서의 초점은 명백하게 보이지는 않게 된다. 반면에 제2초점은 z2 = f2 = 80㎛에 대응하는 새로운 위치에 나타난다.
또한, 도 5의 하단부에 도시된 바와 같이 입사광이 y- 편광을 가정하도록 전환될 때(입력 y편광에 대해 투과된 y편광의 예), 제2 초점(f2)은 사라지고 제3 초점이 z3 = f3 = 100㎛에서 발생한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 일부에 대한 시뮬레이션 자기장 프로파일(xy 평면 및 xz 평면)을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 일부와 관련된 자기장 분포(xy 평면 및 xz 평면)가 시뮬레이션 된다. 도 6을 참조하면, 광학장은 주로 나노기둥에 국한되어 있으며, 국부 위상시프트는 해당 나노기둥 자체에 의해 주로 부여되고, 인접 나노기둥에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 암시한다.
전술한 내용으로부터 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 관측된 광 포커싱 현상으로부터 국부 위상시프트는 해당 나노기둥 자체에 의해 주로 부여되고, 인접 나노기둥에 의해 영향을 받지 않으며, 인접 나노기둥 사이의 결합은 매우 약하다는 것을 알 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, z2에서 포커싱 된 빔의 편광 상태가 입사광의 편광 상태와 직교하도록 지정될 수 있기 때문에, 배경 노이즈로 간주되는 f1 및 f3의 초점에 기여하는 발산 또는 수렴 필드는 완전히 무시될 수 있다. 따라서 각 기능 간에 매우 낮은 누화(crosstalk) 현상을 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 작동 효율은 다음과 같이 분석된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)는 x- 또는 y- 편광 입사광에 대해 두 개의 서브 메타렌즈의 공간 다중화이므로, 각각의 서브 메타렌즈의 포커싱 효율은 이론적으로 50% 이하로 분석될 수 있다.
여기서, 포커싱 효율(focusing efficiency)은 초점의 반치 전폭(the full-width at half-maximum, FWHM) 6배에 해당하는 폭을 갖는 각 초점면에서 직사각형 개구(aperture)를 통과하는 입사광의 비율로 정의된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML) 소자에서, x- 및 y- 편광 입사광에 대한 TFML의 투과, 반사, 흡수 및 포커싱 효율을 시뮬레이션한 결과를 표로 요약하여 나타낸 것이다.
각각의 PMM 및 PCM의 전송 효율은 높게 유지될 수 있지만, x- 편광을 갖는 입사광에 대해, TFML 이후의 공동 및 교차편광 성분에 대한 시뮬레이션된 총 투과율은 각각 28.8 % 및 21.6 %로 산출된다.
전체 투과율의 감소는 a-Si:H에 의한 흡수와 다른 메타원자가 뚜렷한 반사 계수를 나타낸다는 사실에 기인할 수 있다(E. Schonbrun, K. Seo, K. B. Crozier, Nano Lett. 2011, 11, 4299. 참조).
본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션 결과에 의하면, 입사광의 10.6%가 흡수되고 빛의 39%가 직접 반사되는 것으로 밝혀졌다. 결과적으로, 초점면 f1 = 60㎛(공동편광) 및 f2 = 80㎛(교차편광)에서의 초점 효율은 각각 19.8% 및 14.5%로 산출된다.
유사하게, y- 편광 입사광에 대한 작동 효율을 조사한바, f2 = 80㎛(교차편광) 및 f3 = 100㎛(공동편광)의 초점면에서 초점 효율이 각각 20.9% 및 25.9%로 분석되었다.
제안된 TFML의 투과 및 포커싱 효율(focusing efficiency)은 동일한 메타원자를 포함하고 원 편광을 조작하기 위한 기하학적 위상에 기초한 이전의 메타 표면 소자(E. Schonbrun, K. Seo, K. B. Crozier, Nano Lett. 2011, 11, 4299. 참조)와 비교하여 실질적으로 향상되었음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)에 대해 xy 평면에서 빛의 강도 프로파일을 검사하기 위한 측정시스템을 도시한 것이다.
도 8에서 샘플(sample)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 따라 제작된 트리포시 메타렌즈(TFML)로써, 전자빔 리소그래피 및 알루미늄 리프트 오프 공정을 수행한 후, a-Si:H 플라즈마 에칭을 통해 제조된다. 이는 종래의 반도체 소자 제조공정을 이용하여 제조될 수 있다(S. Gao, C.-S. Park, D.-Y. Choi, S.-S. Lee, Adv. Opt. Mater. 2019, 7, 1801337. 참조).
도 8의 측정시스템은 초 연속 레이저("SuperK compact", NKT Photonics)에 의해 방출된 콜리메이션된 빔을 통해 기판 측에서 조사되었다.
방출된 비편광 광대역 광은 샘플에 도달하기 전에 필터링("FB690-10", Thorlabs) 및 선형 편광("GTH10M-A", Thorlab)된다. xy 평면의 광도 분포는 50× 및 0.4 대물 렌즈, 튜브 렌즈 및 CCD 카메라를 포함하는 맞춤형 현미경 이미징 시스템으로 검사하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 측정시스템은 투과된 빛의 상이한 편광 성분을 볼 수 있도록 편광 분석기로서 기능하는 선형 편광기가 대물 렌즈와 튜브 렌즈 사이에 추가로 배치된다.
인터리빙된 PCM 및 PMM 어레이를 나타내는, 제조된 장치의 주사 전자 현미경 이미지는 도 9에서 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 따라 제조된 트리포시 메타렌즈(TFML) 소자샘플의 다른 배율 및 시야각에서 주사 전자 현미경 이미지를 도시한 것이다.
현미경 이미징 시스템은 먼저 대물 렌즈의 초점이 z = 0㎛로 정의된 메타렌즈와 일치하도록 조정된 다음, 양의 z 축을 따라 2㎛ 간격으로 이동하여 메타렌즈 샘플과 다른 거리에서 강도 이미지를 기록한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 따라 제조된 트리포시 메타렌즈(TFML) 소자샘플의 (i)-(iii) x- 및 (iv)-(vi) y- 편광 입사광에 대한 측정된 투과장 강도 프로파일 (xz 평면)을 도시한 것이다.
도 10에서 (i) 및 (iv)는 (편광) 분석기가 실험 설정에 포함되지 않은 경우의 결과와 관련이 있다.
x- 편광을 갖는 입사광의 경우, 광선 궤적을 나타내는 xz 평면에서의 투과장 강도 프로파일이 도 10 (i) 내지 도 10 (ⅲ)에 제시되어있다.
분석기가 없는 경우, 광선은 도 10의 (i)에 표시된 것처럼 여러 위치에 초점이 맞춰져 있는지 확인하는데, 여기서 광 파워는 각각 설계된 f1 및 f2에 대응하는 z = 70 및 90㎛의 초점에서 주로 관측된다.
분석기가 있는 경우, 분석기가 각각 x- 및 y- 편광으로 설정된 경우 f1 및 f2의 초점을 개별적으로 스위칭 on(switched on)하도록 제어할 수 있다.
y- 편광 입사광에 대한 측정 결과는 또한, 도 9의 (iv) 내지 (vi)에 제공되며, 여기서 z = 90㎛(f2) 및 110㎛(f3)의 위치에 해당하는 두 개의 초점이 관찰된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 측정시스템은 분석기의 편광 상태를 올바르게 설정하여 두 초점을 개별적으로 켜거나 끌 수 있다. 실험적으로 기록된 광 강도 프로파일은 다음 도 11에서 확인할 수 있다.
도 11은 도 8의 측정시스템으로부터 다양한 초점면에서 측정된 xy 평면 광 강도 프로파일을 도시한 것이다.
도 11은 분석기가 있거나, 또는 분석기가 없는 다양한 초점면에서 측정된 xy 평면에서의 광 강도 프로파일을 도시한 것으로서, 메타렌즈의 위치는 흰색 점선으로 표시되어 있다.
도 8 내지 11을 참조하면, 입력 및 출력 편광의 제어를 통해 세 가지 다른 초점을 달성하기 위해 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)의 기능은 명확히 확증될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈(TFML)는 두 개의 서브 메타렌즈와 관련된 어레이가 인터리빙되고 동일한 유효 개구(aperture)를 공유하게 되며, f1, f2 및 f3의 경우 각각 0.39, 0.32 및 0.26으로 추정되는 세 개의 서로 다른 개구수(NAs)를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈(TFML)의 개구수(NAs)는 셋업에 사용된 대물 렌즈의 개구(NAs)보다 작으므로 산란된 빛을 전체적으로 모을 수 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, z = f1, f2 및 f3의 초점 평면에서 초점은
Figure 112020020945523-pat00025
λ /2NA에 해당하는 회절 제한 스폿 크기를 발생시키기 위해 모니터링되며, 반치전폭(FWHM)은 각각 1.53, 1.60 및 1.96㎛으로 산출된다.
z축을 따라 반치전폭(FWHM) 강도로 정의되는 초점 심도(DOF)는 12.0, 12.0 및 18.0㎛로 나타난다. 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 장치의 포커싱 효율을 확인하기 위해, 개발된 TFML의 각 초점면에 적절한 직경의 핀홀이 정확하게 위치하도록 하였다.
또한, 샘플과 핀홀 사이에 분석기를 배치하여 투과된 빛의 다른 편광 성분을 걸러내어 편광된 빛의 광 파워가 광 검출기를 통해 측정될 수 있도록 하였다.
f3 및 f1에서의 포커싱된 지점은 각각 x- 및 y- 편광 입사광에 대해 보이지 않는다.
실제 측정과 관련하여, 테스트 셋업에 대한 제약과 제조된 a-Si:H 나노기둥과 관련된 결함(둥근 모양, 표면 거칠기 및 크기 편차)으로 인해, 도 9의 (i) 및 (ii)에서 관측되는 것처럼 누화(crosstalk)는 필연적으로 발생될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 주어진 초점면에서, 투과된 빛의 편광에 대한 추가적인 제어는 다른 두 초점에 관한 발산/수렴 광 필드(light field)로부터 발생하는 백그라운드 노이즈를 실질적으로 감소시킬 수 있다.
이에 대하여는 다음 도 12에 제시된 결과를 통해 명확해질 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈에서, x- 및 y- 편광 입사광에 대해 z = f1 = 70㎛, f2 = 90㎛ 및 f3 = 110㎛에서 측정된 xy 평면 광 강도 프로파일을 나타낸 것이다.
도 12의 (a)에서 (i) 내지 (iv)까지는 (편광) 분석기가 실험 설정에 포함되지 않은 경우 z = f1, f2 및 f3의 초점면에서 측정된 광 강도 프로파일을 나타낸다.
도 12의 (b)는 분석기가 설정된 조건에 셋팅이 되었을 때 측정된 광 강도 프로파일을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 명백히, 대칭적 모양에도 불구하고 초점의 메인로브(main lobes)에는 무시할 수 없는 사이드로브(side lobes)가 동반되어 있으며(f2에서 더 두드러짐), 다른 접근 방식에 따라 이전 TFML에도 존재하는 원치 않는 현상이 나타난다(이전 TFML은 「X. Chen, M. Chen, M. Q. Mehmood, D. Wen, F. Yue, C.-W. Qiu, S. Zhang, Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 1201.」 참조).
이전 메타렌즈의 경우, 사이드로브는 메인로브와 동일한 원형 편광 상태를 나타내므로 완전히 또는 쉽게 제거할 수 없었다.
반면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈(TFML)에서 관측된 사이드로브는 메인로브를 심각하게 방해하지 않기 때문에, 쉽게 억제될 수 있다. 원칙적으로, f2에서의 초점은 반-파장판(half-waveplate) 타입의 PCM에 기초한 서브 메타렌즈로부터 유래하며, 따라서 x- 또는 y- 편광의 입사에 대해 해당 편광은 직교 대응물로 변환된다. 그러나 z = f2에서 초점면의 사이드로브는 편광 상태가 변경되지 않은 상태에서 f1 및 f3의 초점을 생성하기 위한 발산 및 수렴 광 필드(light field)에 영향을 미치는 것으로 분석된다.
도 12의 (b)에서 (i) 내지 (ⅷ)에 도시된 바와 같이, 투과된 광의 편광 성분의 추가 선택을 통해, 사이드로브는 메인로브에 악영향을 주지 않으면서 성공적으로 억제된다. 이에 따라 본 발명에 의해 제안된 TFML은 노이즈가 없는 초점을 보장할 수 있다.
다른 관점에서, 본 발명에 의해 제안된 TFML을 확립하기 위해 인터리빙된 두 개의 서브 메타렌즈는 두 개의 서로 다른 풀 메타렌즈(full metalens)의 샘플링으로 인한 것으로 분석된다.
본 발명자들은 풀 메타렌즈와 인터리빙되지 않고 샘플링된 메타렌즈를 이용하여, 각각 포커싱 기능을 조사하고 그 성능을 제안된 인터리빙된 TFML과 도 12에서 비교하여 보았다.
도 13은 각 조건에 대해 빛의 초점을 나타내는 시뮬레이션된 (xz 평면) 필드 강도프로파일을 도시한 것이다.
도 13에서 (a)는 풀 메타렌즈(full metalenses) (b)는 인터리빙되지 않고 샘플링된 메타렌즈, (c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈(TFML)의 조건을 나타낸다.
풀 메타렌즈(full metalenses) 및 서브 메타렌즈의 인터리빙되지 않고 샘플링된 버전의 포커싱 빔 프로파일은 도 13에 표시된 대로 수치적으로 분석될 수 있다.
도 13을 참조하면, 감소된 필드 강도 레벨을 제외하고, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 인터리빙된 트리포시 메타렌즈(TFML)와 관련된 초점의 반치전폭(FWHM) 강도로 정의되는 초점 심도(DOF)는 다른 두 경우와 비교하여 거의 동일한 것으로 분석되었다.
결과에 비추어, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 인터리빙된 트리포시 메타렌즈(TFML)는 입자 포획 및 3D 편광 이미징 등과 같은 다양한 응용에서 잠재적으로 이용될 수 있다.
[제2 실시예: 트리포시 메타렌즈를 이용한 광 소용돌이(optical vortex) 빔 기술]
본 발명의 또 다른 제2 실시 예에 따르면, 세 개의 기능을 선택적으로 활성화하기 위해 입사 및 투과된 편광을 조정하는 아이디어는 다양한 다기능 메타장치를 개발하기 위해 추가로 적용될 수 있다.
예를 들어, 최근 수십 년 동안 궤도각 운동량(orbital angular momentum)을 전달하고 방위각 위상(azimuthal phase)항
Figure 112020020945523-pat00026
을 갖는 나선형 파면(helical wavefront)을 나타내는 광 소용돌이(optical vortex, 이하 'OV'라 함.) 빔에 관한 활발히 연구되고 있다. 여기서 Φ는 방위각을 나타내고 l은 소용돌이 강도 프로파일의 링 반경을 결정하는 위상적 전하(topological charge)를 나타낸다(Y. Zhang, W. Liu, J. Gao, X. Yang, Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701228. 참조).
일반적으로, 다수의 부피가 큰 광학 구성 요소는 특정 위상적 전하를 나타내는 OV 빔을 생성하기 위해 관여되며, 다른 위상적 전하를 갖는 OV 빔을 생성하기 위한 일부 구성 요소를 끊임없이 변경해야 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 방법을 기반으로, 본 발명자들은 서로 다른 위상적 전하를 운반하는 세 개의 축상(on-axis) 및 축외(off-axis) 초점화 광 소용돌이(focused optical vortex, 이하 'FOV'라 함.) 빔을 제공할 수 있는 단일 메타표면 소자를 구현하였다.
FOV 빔에 대한 위상 프로파일은 다음 [수학식5] 로 설명될 수 있다.
Figure 112020020945523-pat00027
여기서 (x0, y0) 및 f는 초점 위치 및 초점 길이를 나타내며, l은 FOV 빔의 위상적 전하를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 아이디어가 다른 공간 다중화(multiplexing) 방식에 활용될 수 있음을 검증하기 위해, 인터리빙된 PMM 및 PCM 어레이를 통합하는 전술한 메타렌즈 장치와 달리, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 PMM 및 PCM을 적절하게 배열함으로써 상이한 유형의 소용돌이 빔의 장치가 설계될 수 있다.
도 14a는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈에 기반한 축상(on-axis)의 초점화 광 소용돌이(FOV) 빔 발생기에 대한 패턴을 도시한 것이다.
도 14a를 참조하면, 대응하는 초점 위치 f = 5, 10 및 15㎛과 함께 l = 3, 2 및 1의 위상적 전하를 갖는 축상의 초점화 광 소용돌이(FOV)가 나타난다. 왼쪽에는 산출된 위상 프로파일이 표시되고 해당 초점면에서 시뮬레이션된 필드 강도 분포(xy 평면)는 오른쪽에 표시된다.
도 14b는 축외(off-axis)의 초점화 광 소용돌이(FOV) 빔 발생 패턴을 도시한 것이다.
도 14b에서는 f = 5㎛의 동일한 초점 위치에서 l = 1, 2 및 3의 위상적 전하를 전달하는 축외의 초점화 광 소용돌이(FOV)가 나타난다. 도 14b에서 초점화 광 소용돌이(FOV)를 생성하기 위한 위상 프로파일은 하단에 표시된 대로 산출되며 동일한 초점면에서 시뮬레이션된 (xy 평면) 전계 강도 분포는 중간에 제공된다.
도 14a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈에 기반한 PMM은 반경 r1을 갖는 원형 영역에 배열되는 반면, PCM은 r1의 반경에서 r2까지 연장되는 원형 링 영역에 분포된다. 여기서 바람직한 영역은
Figure 112020020945523-pat00028
이며, 두 영역에 광 파워(light power)가 동일하게 할당된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션에서 메타표면 소자는 r2 = 7.2㎛ 및 r1 = 5.0㎛의 비교적 작은 반경으로 설계되었다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리포시 메타렌즈에 기반한 광 소용돌이 빔 발생기의 메타렌즈 소자는 입사 면파를 l = 3, 2, 및 1의 위상적 전하를 전달하는 세 개의 서로 다른 축상(on-axis)의 초점화 광 소용돌이(FOV) 빔으로 변환되도록 설계되며, case1, case2, case3의 광 전파에 따라 z = 5, 10 및 15㎛에서 초점면을 나타낸다. 각각의 경우에 대해 이론적으로 계산된 위상 프로파일은 도 14a의 좌측에 도시된다.
설계된 초점 위치에 대한 xy 평면에서의 광학 강도 분포는 도 14a의 우측에 도시된 바와 같이 지정된 입사 및 투과 편광 상태에서 시뮬레이션 되는데, 여기서 모든 경우에 대해 도넛형 강도 프로파일이 관찰된다.
또한, 시뮬레이션된 위상 프로파일은 상이한 초점 평면에 대응하는 FOV 빔이 예상한 바와 같이 서로 다른 위상적 전하를 나타낸다는 것을 보여준다.
더욱이, 공간 다중화 방법은 동일한 초점면에 위치한 세 개의 측면으로 분리되는 FOV빔을 제공하는 다른 메타렌즈 소자를 설계하기 위해 유사하게 이용되었다.
소용돌이 빔(vortex beams)은 각각 l = 1, 2 및 3의 위상적 전하에 대하여, 위치 (x0, y0, f) = (-3㎛, 0㎛, 5㎛), (0㎛, 0㎛, 5㎛) 및 (3㎛, 0㎛, 5㎛)에 초점이 만들어진다.
입사 및 투과된 편광의 다양한 상황하에서 계산된 위상 프로파일 및 시뮬레이션된 필드 강도 프로파일이 도 14b에 도시되어 있다.
도넛 모양의 강도 분포는 모든 경우에 대해 동일한 방식으로 동일 초점면의 서로 다른 위치에서 관찰되는 반면, 해당 위상적 전하는 시뮬레이션된 위상 프로파일과 함께 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 트리포시 메타렌즈 소자는 동일한 공정 절차에 따라 제조될 수 있으며, 최종적으로 통신 및 트래핑을 위한 초소형 광학 시스템의 개발을 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 입사 및 투과된 광의 선형 편광 상태의 동시 제어를 이용하는 이중 편광 선택적 완전 유전체(all-dielectric) 트리포시 메타렌즈 소자가 제안되어 세 가지 기능을 강화하는 것으로 입증되었다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가시광대역에서 높은 투과 효율을 특징으로 하는 다수의 서로 다른 직사각형 모양의 a-Si:H 나노기둥을 메타렌즈 소자를 구성하는 단위 메타원자로서 작용하도록 채택되었다.
단일 메타표면에서 세 개의 서로 다른 위상 프로파일의 인코딩은 크기 및 배향각으로 조절되는 메타원자를 공간적으로 인터리빙함으로써 효과적으로 촉진된다.
본 발명의 일 실시 예에서 제안된 방법은 실질적으로 트리포시 메타렌즈(TFML)를 통해 입증되었으며, 세 개의 서로 다른 초점면에서 향상된 광 포커싱으로 이어졌다.
또한, 새로운 공간 다중화 방식에 의해, 다양한 위상적 전하를 구현하는 여러 FOV 빔의 다중화를 실현하기 위한 다기능 메타표면 소자가 고안될 수 있다.
입사 및 투과 편광 상태의 동시 제어를 통해 제안된 접근 방식은 정보 암호화, 위조 방지, 데이터 보안 등의 다양한 응용 프로그램을 위한 길을 열게 될 것으로 예상된다.
10, 11: 기판
20, 21: 나노기둥

Claims (13)

  1. 선형 편광에 대한 편광 선택적 메타표면을 이용한 트리포시 메타렌즈 소자에 있어서,
    상기 트리포시 메타렌즈 소자는,
    제1 기판의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 이산화티타늄(TiO2)으로 형성된 사각형상의 제1 나노기둥을 포함하되, 상기 제1 나노기둥의 일측 단면은 상기 제1 기판의 x축에 평행하게 정렬되는 PMM 유닛셀; 및
    제2 기판의 중앙부에 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 또는 이산화티타늄(TiO2)으로 형성된 사각형상의 제2 나노기둥을 포함하되, 상기 제2 나노기둥의 일측 단면은 상기 제2 기판의 x축의 45°방향에 평행하게 정렬되는 PCM 유닛셀; 을 포함하며,
    상기 트리포시 메타렌즈 소자는 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀을 혼합하여 배열을 하되,
    상기 PMM 유닛셀은 입력된 X, Y 직교 편광에 대해 종방향(z방향)을 따라 초점거리가 서로 다른 제1초점 및 제3초점을 가지는 위상 시프트를 수행하도록 배열을 하고, 상기 PCM 유닛셀은 선형 편광 변환 및 상기 제1초점, 제3초점과 초점거리가 다른 제2의 초점을 가지는 위상 시프트를 수행하도록 배열을 하는 것: 을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀은 동일한 높이 및 일정한 주기(Λ)를 가지도록 배열을 하되,
    상기 일정한 주기는 240nm이고 상기 높이는 320nm인 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀의 배열은 다음 Jones 매트릭스 식(J)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
    Figure 112021063288598-pat00029

    - 여기서
    Figure 112021063288598-pat00030
    는 x축과 y축에 따른 전기장과 관련된 위상 시프트를 나타내며, θ는 각 기판의 중앙부에 형성된 나노기둥의 단면이 상기 기판의 x축에 대한 진상축(fast-axis)의 정렬 각도 방향을 나타내는 것임.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 PMM 유닛셀은 다음 Jones 매트리스 식(JPMM)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
    Figure 112020020945523-pat00031

    - 여기서
    Figure 112020020945523-pat00032
    는 x축과 y축에 따른 전기장과 관련된 위상 시프트를 나타내며, 해당 매트릭스는 진상축(fast-axis)을 사각형상의 나노기둥의 단면이 x축과 평행하게 정렬하는 것(θ = 0°)에 의해 나타내는 것임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PCM 유닛셀은 다음 Jones 매트리스 식(JPCM)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
    Figure 112020020945523-pat00033

    - 여기서 사각형상의 나노기둥의 단면 x축이 진상축과 θ=45°의 배향각을 가지며, x축 및 y축을 따른 편광 사이에 π위상차가 주어지면, 편광은 직교 대응물로 변환될 수 있다고 가정되며, 변환된 편광에 대해 임의의 위상 시프트
    Figure 112020020945523-pat00034
    를 동시에 부여함으로써 나타내는 것임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 트리포시 메타렌즈 소자는 상기 선형 편광의 입력 및 출력 상태를 선택하는 것에 의하여 상기 PMM 유닛셀 및 PCM 유닛셀이 교대로 활성화 또는 비활성화되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 트리포시 메타렌즈 소자는 각 세트가 64개의 PMM유닛셀과 8개의 PCM유닛셀의 비율로 구성되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 8개의 PCM 유닛셀 중, 4개의 유닛셀은 나머지 4개의 유닛셀과 90°의 위상차를 가지고 배열되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 트리포시 메타렌즈 소자는 세 개의 초점(fi)에 대해 다음 식에 의한 위상 프로파일이 형성되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
    Figure 112021063288598-pat00035

    - 여기서 (x, y)는 상기 트리포시 메타렌즈 소자의 중심에 대한 PMM유닛셀 및 PCM유닛셀과 관련하여 각 유닛셀의 중심에 해당하는 좌표를 나타내고, fi는 i = 1, 2 및 3에 대한 i 번째 초점 길이임.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 트리포시 메타렌즈 소자에서 상기 PMM 유닛셀과 PCM 유닛셀을 원형 영역으로 배치하여 나선형 파면(helical wavefront)을 가지는 광 소용돌이(optical vortex) 빔을 발생시키는 것을 특징으로 하되,
    상기 PMM 유닛셀은 반경 r1을 갖는 원형 영역에 배열되고, 상기 PCM 유닛셀은 r1의 반경에서 r2까지 연장되는 원형 링 영역에 분포되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 원형 영역은
    Figure 112020020945523-pat00036
    의 비율로 배열되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광 소용돌이(optical vortex) 빔의 위상 프로파일은 다음 식에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 트리포시 메타렌즈 소자.
    Figure 112021063288598-pat00037

    - 여기서 (x0, y0) 및 f는 초점 위치 및 초점 길이를 나타내며, l은 초점화 광 소용돌이(focused optical vortex) 빔의 위상적 전하(topological charge)를 나타내는 것임.
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