KR102446874B1 - 메타표면 기반 엑시콘 디바이스, 이를 포함하는 광학 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

메타표면 기반 엑시콘 디바이스, 이를 포함하는 광학 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메타표면 기반 엑시콘 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 메타표면을 형성하는 유전체층을 포함하고, 상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 하나의 상기 단위 셀에 하나의 나노 구조체가 배치되고, 상기 기판 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체를 투과하여 위상이 제어됨으로써, 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.

Description

메타표면 기반 엑시콘 디바이스, 이를 포함하는 광학 장치 및 이의 제조 방법 {AXICON DEVICE BASED ON METASURFACE, OPTICAL DEVICE HAVING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 메타표면 기반 엑시콘 디바이스, 이를 포함하는 광학 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
빛의 상태를 정의하기 위해서는 위상 등의 정보들이 필요하다. 베셀 (Bessel)빔은 전자기파의 진행방향을 z축으로 둔 원통좌표계 형태로 표현했을 때 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020102975572-pat00001
여기서 0차의 베셀 빔 (n=0)은 빛의 진행방향인 z값과 그의 수직 방향인 r값에 대해서 서로 독립이기 때문에, z값이 변해도 r값이 고정되어 있으면 전기장의 값은 변하지 않는다. 이는 빛의 진행에 따라 회절이 발생하지 않는 비회절성이라는 특징을 가지는 것을 의미하며 빛이 전달되는 동안 회절에 의한 손실이 발생하지 않는다.
이러한 베셀 빔을 인위적으로 생성하기 위해서는 유리로 이루어진 원뿔모양의 형상을 가지는 엑시콘(Axicon) 렌즈를 사용하여 심도 (DOF, Depth of Focus) 내에서 0차 베셀 빔에 가까운 특성을 가지게 하는 방법이 주로 사용된다.
엑시콘 렌즈에서 빔의 반지름, 렌즈의 굴절률, 알파 각 (Alpha angle)에 의해 심도가 결정되며 이후 일정 거리에 놓은 스크린에 특정한 두께를 가지는 링 형상이 생성된다.
즉, 레이저가 엑시콘 렌즈를 통과했을 때, 이에 의해 만들어지는 베셀 빔은 링 형상의 초점을 가지게 되며 이는 다양한 분야에 응용될 수 있다. 대표적으로 각막 조직 제거를 통한 굴절률 조절로 시력을 교정하는 시술에 쓰거나, 셀과 극미립자의 조정을 위한 척력 및 인력 생성, 광학 집게 (Optical Trapping) 등의 응용분야가 있다.
또한, 높은 차수 (Higher order) 베셀 빔을 생성하기 위해서 나선형의 엑시콘 (Helical Axicon)과 같은 특별한 렌즈를 사용하거나, 라게르-가우시안 (Laguerre-Gaussian) 빔과 같은 특별한 형태의 입사광을 사용해야 한다.
하지만 전자의 방법에 쓰이는 나선형의 엑시콘을 제작하기 위해서는 유리를 나선의 원뿔 형태로 만들어야 하는데, 이 공정은 현실적으로 매우 어렵고 제작 비용이 많이 들어간다.
또한 후자의 방법에 쓰이는 라게르-가우시안 빔을 생성하는 장치를 별도로 구성해야 할 뿐만 아니라 두개 이상의 피크를 구분하기 위해 빔의 반지름이 일정 이상 커져야 한다. 따라서 기존의 방법으로는 높은 차수의 베셀 빔을 만들기 위해 많은 비용이 들고, 현실적으로 구현이 어렵다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 나노미터 단위의 두께를 가지는 디바이스로 0차의 베셀 빔 뿐만 아니라 2차 이상의 높은 차수의 베셀 빔을 생성할 수 있는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스을 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 메타표면 기반 엑시콘 디바이스및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 메타표면을 형성하는 유전체층을 포함하고, 상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 하나의 상기 단위 셀에 하나의 나노 구조체가 배치되고, 상기 기판 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체를 투과하여 위상이 제어됨으로써, 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 유전체층은 적어도 일부가 서로 다른 직경을 갖는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 상기 나노 구조체는 원기둥 형상으로 형성되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 나노 구조체는 직경을 달리하는 n개 종류의 나노 구조체를 포함하고, 상기 n개 종류의 나노 구조체를 투과한 빛의 위상은 전 위상 범위(0-2π)를 나타낼 수 있는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 나노 구조체는, 제1 직경을 갖는 제1 나노 구조체; 제2 직경을 갖는 제2 나노 구조체; 제3 직경을 갖는 제3 나노 구조체; 제4 직경을 갖는 제4 나노 구조체; 제5 직경을 갖는 제5 나노 구조체; 제6 직경을 갖는 제6 나노 구조체; 제7 직경을 갖는 제7 나노 구조체; 제8 직경을 갖는 제8 나노 구조체; 및 제9 직경을 갖는 제9 나노 구조체를 포함하는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 직경 내지 제9 직경은 서로 다른 크기로 제공되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 직경 내지 상기 제9 직경은 100nm 내지 250nm의 범위를 갖는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 회절이 발생하지 않는 상기 일정 거리는 입사되는 빛의 파장의 2000배 내지 3000배로 제공되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 기판 측에 입사되는 빔은 선형 편광 빛 또는 원형 편광 빛이고, 상기 기판과 상기 나노 구조체를 투과한 빔은 위상이 제어됨으로써, 0차 베셀 빔과 높은 차수 베셀 빔 중 적어도 하나가 형성될 수 있는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 위상은 식
Figure 112020102975572-pat00002
을 따르는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
여기서,
Figure 112020102975572-pat00003
이고,
Figure 112020102975572-pat00004
이다.
또한, 상기 원기둥 형상의 나노 구조체의 직경은 100nm 내지 250nm이고, 높이는 400nm인 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
또한, 상기 단위 셀은 정사각형 형상으로 제공되고, 상기 단위 셀의 한변의 길이는 250nm 내지 350nm인 메타표면 기반 엑시콘 디바이스가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 유전체층을 적층하는 단계; 상기 유전체층에 패턴을 형성하여 적어도 일부가 서로 다른 직경을 갖는 복수 개의 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 기판 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체를 투과하여 위상이 제어됨으로써 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되도록 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 기 설정된 파장의 빛을 조사하는 광원; 상기 광원에서 조사되는 빛을 확장하기 위한 빔 익스팬더; 상기 빔 익스팬더에서 입사되는 빛을 편광시키기 위한 편광기; 상기 편광기의 전방에 배치된 상술한 메타표면 기반 엑시콘 디바이스; 및 상기 메타표면 기반 엑시콘 디바이스를 투과한 베셀 빔을 촬영하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 편광기와 상기 메타표면 기반 엑시콘 디바이스 사이에는 편광기에서 나오는 빛을 메타표면 기반 엑시콘 디바이스에 집속시키기 위한 집속 렌즈와 대물렌즈가 배치되는 광학 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스을 및 이의 제조방법은 나노미터 단위의 두께를 가지는 디바이스로 0차의 베셀 빔 뿐만 아니라 2차 이상의 높은 차수의 베셀 빔을 생성할 수 있다.
또한, 대량 생산으로 생산 단가가 저렴한 메타표면 기반 엑시콘 디바이스를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)의 일부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 상측에서 바라본 SEM 이미지이다(일부 확대 표시).
도 3은 도 2의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 빛이 투과 후 베셀 빔이 형성되는 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10) 및 이를 투과한 빛을 측면에서 바라본 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 기판(100)의 소재로서 본 실시예의 수소화 비정질 실리콘을 사용한 경우와, 비교예의 표준 비정질 실리콘(a-Si)을 사용한 경우의 굴절율(Refractive Index)과 흡수 계수(Extinction Coefficient)를 나타낸다.
도 6은 복수 개의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 7은 NA=0.1 이고 m=0,2,4 일 때 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛의 편광 무의존성(polarization insensitivity)을 보여주는 도면이다.
도 8은 NA=0.9이고 m=0,2,4 일 때 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛의 편광 무의존성(polarization insensitivity)을 보여주는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)의 일부를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 상측에서 바라본 SEM 이미지이며(일부 확대 표시), 도 3은 도 2의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 빛이 투과 후 베셀 빔이 형성되는 것을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10) 및 이를 투과한 빛을 측면에서 바라본 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 기판(100), 기판(100) 상에 메타표면을 형성하는 유전체층(200)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 입사된 빛이 기판(100)과 유전체층(200)을 투과하여 위상이 제어됨으로써, 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔(Bessel beam)을 형성할 수 있다.
구체적으로는, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 입사된 빔이 기판(100)과 유전체층(200)을 투과하여 위상이 제어됨으로써, 0차 베셀 빔(zero order)과 높은 차수(high order) 베셀 빔을 형성할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
또한, 본 실시예의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 수십 나노미터 내지 수백 나노미터 두께로 형성될 수 있는 초소형 기기로 이해될 수 있다. 즉, 본 실시예의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 종래의 베셀 빔을 형성하는 엑시콘(Axicon) 렌즈와 비교하여 크기를 현저히 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 입사되는 빛의 편광 상태에 무관하게 항상 설계된 베셀 빔을 생성할 수 있다.
구체적으로 본 실시예에서는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)의 나노 구조체(211)가 배치된 형태를 설계하기 위해 광 도파로 모델(Indexed-Waveguide Theory)을 정의하여, 기판(100) 측으로부터 입사되는 빔이 유전체층(200)을 투과한 후의 위상이 제어되도록 하였다.
또한, 이러한 광 도파로 모델(Indexed-Waveguide Theory)을 적용하여, 기판(100)과 유전체층(200)을 투과한 빔이 전 위상 범위(0-2π)를 커버할 수 있도록, 직경(D)이 서로 다른 복수 개의 나노 구조체(211)를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 따르면, 기판(100)에 입사하는 빛의 편광과 무관하게 동일한 베셀 빔을 생성할 수 있다.
또한, 기판(100) 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체(211)를 투과하여 위상이 제어됨으로써, 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성될 수 있다.
여기서, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛이 회절이 발생하지 않는 일정 거리는 입사되는 빛의 파장의 2000배 내지 3000배로 제공될 수 있다. 본 실시예에서 빛은 z축 방향으로 진행하는 것을 예를 들어 설명한다.
기판(100)은 평면 형태로 상대적으로 넓은 면적을 갖는 플레이트 형상일 수 있으며, 복수 개의 나노 구조체(211)가 기판(100) 상에 형성될 수 있다.
여기서, 단위 셀(111)은 하나의 나노 구조체(211)를 지지하고 있는 기 설정된 범위의 기판(100)의 일부로 정의될 수 있다. 각각의 단위 셀(111)은 상측에서 바로보았을 때 한 변의 길이가 U인 정사각형 형상으로 제공될 수 있다. 이때, 단위 셀(111)의 한 변의 길이는 주기(U)로 표현될 수 있다. 또한, 단위 셀(111)은 평면 방향으로 연속적으로 형성될 수 있다. 이때, 단위 셀(111)의 한 변의 길이(U)은 200nm 내지 400nm으로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 250nm 내지 350nm으로 제공될 수 있으며, 보다 바람직하게는 300nm으로 제공될 수 있다.
단위 셀(111)이 300nm으로 제공되는 경우(후술하는 인접하는 나노 구조체(211) 사이의 간격), 최대 투과 효율(transmission efficiency)을 나타낼 수 있다.
이러한, 나노 구조체(211) 사이의 간격은 공진기 간 커플링을 최소화하고(minimize the inter resonator coupling), 산란된 빛이 건설적으로 간섭(scattred light to interfere constructively)하여 최적화되어 최대 투과 진폭(maximum possible transmission amplitude)을 생성한다.
또한, 기판(100)의 전체적인 형상은 평면 형태로서, 빔이 투과하는 방향(Z축 방향)에서 봤을때, 직사각형, 정사각형의 형상을 가질 수 있으나, 그 형상이 제한되는 것은 아니다.
또한, 기판(100)의 두께는 100nm 내지 500nm일 수 있으며, 바람직하게는 350nm 내지 450nm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 400nm일 수 있다.
또한, 기판(100)의 소재는 이산화규소(SiO2)로 제공될 수 있다.
기판(100)의 상측에는 메타표면을 형성하는 유전체층(200)이 제공될 수 있다.
본 실시예에서 서술하는 메타표면은 나노 구조체(211)가 일정 형상을 갖고, 메타물질로서 기능하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 메타물질은 자연계에는 존재하지 않는 전기적 요소와 자기적 요소가 모두 포함된 새로운 인공소재로 이해될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 기판(100)과 유전체층(200)은 전체적으로 메타물질로서 기능할 수 있다.
유전체층(200)은 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)으로 제공될 수 있다. 이와 같이, 수소화 비정실 실리콘을 사용하여 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 제작하는 경우, 다결정 실리콘에 비해 가시광선 전 영역에서의 손실이 더 적기 때문에, 고효율의 메타렌즈를 구현할 수 있었다.
또한, 유전체층(200)은 적어도 일부가 서로 다른 크기를 갖는 복수 개의 나노 구조체(211)로 구성될 수 있다. 여기서, 각각의 나노 구조체(211)는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이 나노 구조체(211)가 원기둥 형상으로 형성하는 경우, 원기둥 형상의 대칭성으로 인해, 입사하는 빛의 편광에 무관하게 작동할 수 있다. 즉, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 어떠한 편광된 빛을 비추더라도 기 설정된 형태의 베셀 빔을 형성할 수 있다.
여기서, 복수 개의 나노 구조체(211)의 높이(H)는 동일하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(211)의 높이(H)는 350nm 내지 450nm으로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 400nm으로 제공될 수 있다.
또한, 나노 구조체(211)의 종횡비(aspect ratio)는 3.5 내지 4.5 일 수 있으며, 바람직하게는 4.0일 수 있다.
또한, 각각의 나노 구조체(211)는 인접한 나노 구조체(211)와 기 설정된 간격으로 이격될 수 있다. 여기서, 나노 구조체(211)들 사이의 간격의 각 나노 구조체(211)의 중심 사이의 거리로 이해될 수 있다.
또한, 원기둥 형상의 나노 구조체(211)의 직경(D)을 변경하여, 전 위상 범위(0-2π)를 커버할 수 있는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 형성할 수 있다. 여기서, 나노 구조체(211)의 높이(H)는 동일하게 제공될 수 있다.
구체적으로, 나노 구조체(211)는 서로 다른 직경(D)을 갖는 n개 종류의 나노 구조체(211)가 제공될 수 있고, 직경(D)을 달리하는 n개 종류의 나노 구조체(211)를 투과한 빛의 위상은 전 위상 범위(0-2π)를 커버할 수 있다. 여기서, n은 자연수이다.
도 4를 참조하면, n이 9인(9개 종류의 나노 구조체(211)) 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 선형 편광 빛이 입사하고, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛의 위상이 전 위상 범위(0-2π)를 나타낸다.
구체적으로, 나노 구조체(211)는 제1 직경을 갖는 제1 나노 구조체(21101), 제2 직경을 갖는 제2 나노 구조체(21102), 제3 직경을 갖는 제3 나노 구조체(21103), 제4 직경을 갖는 제4 나노 구조체(21104), 제5 직경을 갖는 제5 나노 구조체(21105), 제6 직경을 갖는 제6 나노 구조체(21106), 제7 직경을 갖는 제7 나노 구조체(21107), 제8 직경을 갖는 제8 나노 구조체(21108), 제9 직경을 갖는 제9 나노 구조체(21109)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 직경 내지 제9 직경은 서로 다른 크기로 제공될 수 있으며, 제1 직경에서 제9 직경 순으로 직경이 점차 증가할 수 있다. 또한, 제1 직경 내지 제9 직경은 100nm 내지 250nm의 범위를 가질 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것으로서, n이 16인 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 포함할 수 있으며, 이 경우 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛은 22.5도의 단위로 전 위상 범위(0-2π)를 커버할 수 있다.
이러한, 전 위상 범위(0-2π)를 나타낼 수 있는 나노 구조체(211)를 이용하여, 입사되는 빛의 파면(wavefront of the incident light)을 제어하여 위상 지시 현상(phase dictated phenomenon)을 실현할 수 있다.
또한, 나노 구조체(211)의 최소 직경(D)은 종횡비(aspect ratio)에 의해 ㅣ행되는 요구 사항을 충족해야 하며,
최대 직경(D)은 Nyquist 기준(U<
Figure 112020102975572-pat00005
2NA)을 만족하는 단위 셀(111)의 한 변의 길이(U)보다 작아야 한다.
또한, 기판(100) 측에 입사되는 빔은 선형 편광 빛 또는 원형 편광 빛이고, 기판(100)과 나노 구조체(211)를 투과한 빔은 위상이 제어됨으로써, 0차 베셀 빔과 높은 차수 베셀 빔 중 적어도 하나가 형성될 수 있다.
여기서, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛이 0차 베셀 빔을 생성하기 위한 위상 방정식과, 높은 차수 베셀 빔을 생성하기 위한 위상 방정식을 동시에 만족시키도록 설계될 수 있다. 여기서, 높은 차수는 2차 이상으로 이해될 수 있다.
나노 구조체(211)의 직경(D)을 위치의 함수(
Figure 112020102975572-pat00006
)로 변경하여, 원하는 위상 변조가 달성될 수 있다. 구체적으로, xy 평면 상에 위치하는 나노 구조체(211)의 위상은 광 도파로 모델로 정의되는 다음과 같은 식(1)을 따를 수 있다.
식(1):
Figure 112020102975572-pat00007
여기서,
Figure 112020102975572-pat00008
이고,
Figure 112020102975572-pat00009
이다.
Figure 112020102975572-pat00010
는 0차 베셀 빔을 만족하는 위상 방정식으로 이해될 수 있고,
Figure 112020102975572-pat00011
는 높은 차수 베셀 빔을 만족하는 위상 방정식으로 이해될 수 있다.
여기서,
Figure 112020102975572-pat00012
는 개구수(Numerical aperture),
Figure 112020102975572-pat00013
은 메타표면 기반 엑시콘 디바이스에서 각 나노 구조체의 좌표, m은 이미지 평면에서 나선의 수를 나타내는 토폴로지 전하(topological charge),
Figure 112020102975572-pat00014
는 파장(wavelength)을 나타낸다.
상술한 식(1)은 각 좌표에서 특정 위상 분포를 나타낸다. 원하는 위상 프로파일을 얻기 위해, 서로 다른 직경(D)을 갖는 나노 구조체가 결정될 수 있다.
또한, 높은 차수 베셀 빔을 만족하는 위상 방정식에 의하면 소용돌이 형태의 빔을 나타낼 수 있다. 즉, 0차 베셀 빔을 만들어내는 엑시콘에 회전 속성을 추가하여 나선형의 엑시콘과 같은 기능을 수행할 수 있다.
본 실시예에서 사용된 수소화 비정질 실리콘은 기존의 비정질 실리콘, 다결정 실리콘에 비해 가시광선 전 영역에서의 손실이 더 적기 때문에, 고효율의 메타렌즈로서 기능할 수 있다. 본 실시예의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)을 디자인하기 위해 나노 광 도파로 모델을 도입하여 실린더 형태의 나노 광 도파로의 수학적 모델을 엄밀히 정의하였다. 또한 해당 모델을 적용하면 시뮬레이션에 드는 시간을 상당히 절약할 수 있어 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)의 디자인 과정이 빠르게 이루어질 수 있다. 본 실시예의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 입사되는 빛의 편광과 무관하게 항상 동일한 베셀 빔을 생성할 수 있으며. 이를 실험적으로 검증하기 위해 차수가 각각 2, 4 인 베셀 빔을 만들어내는 메타표면 상에 선편광, 원편광된 빛을 비추었을 때 모두 동일한 베셀 빔이 만들어질 수 있따.
또한 수십년간 쓰이고 있는 표준적인 공정기술인 플라즈마 화학증착, 전자빔 리소그래피, 건식 식각 공정 등을 사용하여 제작이 가능하므로 기존의 제작 시스템을 기반으로 한 대량생산이 가능하여 상용화가 용이하다고 판단된다.
상술한, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 평면 디바이스로 간주될 수 있기 때문에 빛의 갇힘 현상이 현저히 줄어들어 기존의 마이크로 렌즈의 적용이 힘들었던 분야의 적용될 수 있다. 따라서 나노 구조체(211)를 지지하기 위한 기판(100)을 고려해도 수십 마이크로 미터 수준의 유리 평판으로 구현이 가능하며 이는 초박막/초경량/초소형 형태를 가져 향후 바이오이미징, 초해상도 이미징 및 초소형 입자 트래핑 등과 같은 기술에 접목될 수 있다.
도 5는 도 1의 기판(100)의 소재로서 본 실시예의 수소화 비정질 실리콘을 사용한 경우와, 비교예의 표준 비정질 실리콘(a-Si)을 사용한 경우의 굴절율(Refractive Index)과 흡수 계수(Extinction Coefficient)를 나타낸다.
도 5의 검정색 실선은 본 실시예의 수소화 비정질 실리콘을 사용한 경우의 흡수 계수(Extinction Coefficient)를 나타내고, 초록색 점선은 본 실시예의 수소화 비정질 실리콘을 사용한 경우의 굴절율(Refractive Index)을 나타낸다.
또한, 도 5의 빨간색 실선은 비교예로 표준 비정질 실리콘(a-Si)을 사용한 경우의 흡수 계수(Extinction Coefficient)를 나타내고, 파란색 점선은 비교예로 표준 비정질 실리콘(a-Si)을 사용한 경우의 굴절율(Refractive Index)을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 가시광선 영역의 파장(예를 들어, 633mm)이 입사한 경우, 본 실시예의 표준 비정질 실리콘(a-Si)을 사용한 경우 높은 굴절율(Refractive Index) 3.2475과 감소된 흡수 계수(Extinction Coefficient) 0.0471을 나타냄을 알 수 있다.
도 6은 복수 개의 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)의 SEM 이미지를 나타낸다.
구체적으로, 도 6의 (a)는 NA=0.1, m=0인 SEM 이미지를 나타내고, (b)는 NA=0.1, m=2인 SEM 이미지를 나타내고, (c)는 NA=0.1, m=4인 SEM 이미지를 나타낸다.
또한, 도 6의 (d)는 NA=0.9, m=0인 SEM 이미지를 나타내고, (e)는 NA=0.9, m=2인 SEM 이미지를 나타내고, (f)는 NA=0.9, m=4인 SEM 이미지를 나타낸다.
도 7은 NA=0.1 이고 m=0,2,4 일 때 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛의 편광 무의존성(polarization insensitivity)을 보여주는 도면이다.
도 8은 NA=0.9이고 m=0,2,4 일 때 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛의 편광 무의존성(polarization insensitivity)을 보여주는 도면이다.
구체적으로 도 7에 도시된 (a), (c), (e)와 도 8에 도시된 (g), (i), (k)는 선형 편광 빛이 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 입사한 후의 결과를 나타내고, 도 7에 도시된 (b), (d), (f)와 도 8에 도시된 (h), (j), (l)는 원형 편광 빛이 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)입사된 후의 결과를 나타낸다. 즉, 선형 편광 빛과 원형 편광 빛이 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 후 동일한 거동을 나타내는바, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 편광 무의존성을 의미한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛이 단일 지점(single point)에서 급격하게 수렴하지 않고, 일정 거리에 거쳐 연속적인 강도의 선(continuous line of the intensity)을 유지할 수 있다. 이것은, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛에 의해 베셀 빔이 형성되는 것을 나타낸다.
메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 빛(빔)의 강도는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)로 부터 진행방향을 따라 증가하다가, 초점 평면에서 최대값에 도달 후, 진행 방향으로 진행하며 점차 감소한다.
또한, 도 7 및 도 8을 참조하면, 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 입사 평면파(plane wave)는 다른 위상 전하에 대해 비-회절 트위스트 빔(non-diffracting twisted beam for different topological charges)로 변환되는 것을 알 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 회절빔 강도의 간격(interval of diffracted light intensity)은 1um이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 포함하는 광학 장치(1)의 사시도이다.
도 9를 참조하면, 광학 장치(1)는 광원(2), 빔 익스팬더(3), 아이리스, 편광기(polarizer, 5), QWP(quarter waveplate, 6), 집속 렌즈(focusing lens, 7), 대물렌즈(Objective lens, 8), 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10), 카메라(9) 순으로 배치될 수 있다. 즉, 광원(2)에서 나오는 빛은 상술한 디바이스를 거쳐 카메라(9)에서 베셀 빔이 캡쳐될 수 있다.
광원(2)은 가시광 영역의 파장을 갖는 헬륨-네온 레이저 빔(helium-neon laser beam)을 조사할 수 있다.
빔 익스팬더(3)는 광원(2)에서 조사되는 빔을 확장할 수 있다.
아이리스는 빔 익스팬더(3)에서 입사되는 빔의 경로를 제어할 수 있다.
편광기(polarizer, 5)와 QWP(quarter waveplate, 6)은 입사되는 빔을 편광시킬 수 있다. 예를 들어, 편광기(polarizer, 5)와 QWP(quarter waveplate, 6)을 투과한 빛은 선형 편광 빛과 원형 편광 빛으로 변환될 수 있다. 여기서, QWP(quarter waveplate, 6)은 선택적으로 제공될 수 있다.
집속 렌즈(focusing lens, 7) 편광된 빛을 대물렌즈(Objective lens, 8)의 back focal plane에 집속시킬 수 있다.
대물렌즈(Objective lens, 8)는 빔을 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)에 집속시킬 수 있다.
카메라(9)는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)를 투과한 베셀 빔을 캡쳐할 수 있다.
여기서, 카메라(9)는 CCD카메라일 수 있으며, 카메라(9)를 이용하여 1um마다 회절된 빛을 캡쳐하고, 진행 축을 따라 프레임을 쌓아 강도 분포(intensity distrivution)을 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)는 다음과 같은 제조방법으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 기판(100)을 형성하는 단계; 기판(100) 상에 유전체층(200)을 적층하는 단계; 유전체층(200)에 패턴을 형성하여 적어도 일부가 서로 다른 직경(D)을 갖는 복수 개의 나노 구조체(211)를 형성하는 단계를 포함하고, 기판(100) 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체(211)를 투과하여 위상이 제어됨으로써 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되도록, 상기 나노 구조체(211)가 형성되는 단계를 포함하는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스의 제조방법이 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 기판(100)을 형성하고, 수소화 비정질 실리콘을 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD)에 의해 기판(100)에 증착하는 단계가 실행된다.
그 후, 스핀 코팅 및 180 °C에서 5 분 동안 핫 플레이트 베이킹을 수행하면, 100nm 두께를 갖는 포지티브 톤 레지스트가 생성될 수 있다.
그 후, 유전체층(200)에 패턴을 형성하여 적어도 일부가 서로 다른 직경(D)을 갖는 복수 개의 나노 구조체(211) 형상이 형성되도록, 유전체층(200)에 전자 빔 리소그래피(EBL)에 의해 선량 1280 내지 1600μC/cm2이 조사될 수 있다.
노출(exposure) 후, 전도성 폴리머 층을 탈 이온수(DI water)에 2분 동안 담궈서 제거하고, 메틸 이소부틸 케톤/이소프로필 알코올 (methyl isobutyl ketone/isopropyl alcohol, IPA) 1:3 용액에서 0
Figure 112020102975572-pat00015
에서 12 분 동안 노출시키고, IPA로 60 초 동안 세정한다.
그후, 전자빔 증착에 의해 크롬(Cr) 30nm을 증착 한 다음, 50
Figure 112020102975572-pat00016
아세톤에서 약 15분 동안 리프트 오프(lift-off) 공정을 수행한다.
이와 같은 과정을 통해 상술한 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10)가 형성될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 기반 엑시콘 디바이스(10), 이를 포함하는 광학 장치(1) 및 메타표면 기반 엑시콘 디바이스의 제조방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1: 광학 장치 10: 메타표면 기반 엑시콘 디바이스
100: 기판 111: 단위 셀
2: 광원 200: 유전체층
211: 나노 구조체

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 메타표면을 형성하는 유전체층을 포함하고,
    상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
    하나의 상기 단위 셀에 하나의 나노 구조체가 배치되고,
    상기 기판 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체를 투과하여 위상이 제어됨으로써, 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되고,
    상기 기판 측에 입사되는 빔은 선형 편광 빛 또는 원형 편광 빛이고,
    상기 기판과 상기 나노 구조체를 투과한 빔은 위상이 제어됨으로써, 0차 베셀 빔과 높은 차수 베셀 빔 중 적어도 하나가 형성될 수 있는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 적어도 일부가 서로 다른 직경을 갖는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
    상기 나노 구조체는 원기둥 형상으로 형성되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 직경을 달리하는 n개 종류의 나노 구조체를 포함하고,
    상기 n개 종류의 나노 구조체를 투과한 빛의 위상은 전 위상 범위(0-2π)를 나타낼 수 있는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는,
    제1 직경을 갖는 제1 나노 구조체;
    제2 직경을 갖는 제2 나노 구조체;
    제3 직경을 갖는 제3 나노 구조체;
    제4 직경을 갖는 제4 나노 구조체;
    제5 직경을 갖는 제5 나노 구조체;
    제6 직경을 갖는 제6 나노 구조체;
    제7 직경을 갖는 제7 나노 구조체;
    제8 직경을 갖는 제8 나노 구조체; 및
    제9 직경을 갖는 제9 나노 구조체를 포함하는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 직경 내지 제9 직경은 서로 다른 크기로 제공되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 직경 내지 상기 제9 직경은 100nm 내지 250nm의 범위를 갖는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 메타표면을 형성하는 유전체층을 포함하고,
    상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
    하나의 상기 단위 셀에 하나의 나노 구조체가 배치되고,
    상기 기판 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체를 투과하여 위상이 제어됨으로써, 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되고,
    회절이 발생하지 않는 상기 일정 거리는 입사되는 빛의 파장의 2000배 내지 3000배로 제공되는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  8. 삭제
  9. 기판;
    상기 기판 상에 메타표면을 형성하는 유전체층을 포함하고,
    상기 기판은 연속된 복수 개의 단위 셀을 포함하고, 상기 유전체층은 복수 개의 나노 구조체를 포함하고,
    하나의 상기 단위 셀에 하나의 나노 구조체가 배치되고,
    상기 기판 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체를 투과하여 위상이 제어됨으로써, 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되고,
    상기 위상은 식
    Figure 112022047738614-pat00029
    을 따르는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
    여기서,
    Figure 112022047738614-pat00030
    이고,
    Figure 112022047738614-pat00031
    이다.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 원기둥 형상의 나노 구조체의 직경은 100nm 내지 250nm이고, 높이는 400nm인 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 정사각형 형상으로 제공되고,
    상기 단위 셀의 한변의 길이는 250nm 내지 350nm인 메타표면 기반 엑시콘 디바이스.
  12. 기판을 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 유전체층을 적층하는 단계;
    상기 유전체층에 패턴을 형성하여 적어도 일부가 서로 다른 직경을 갖는 복수 개의 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 기판 측으로부터 입사되는 빛은 상기 나노 구조체를 투과하여 위상이 제어됨으로써 진행 방향에 따라 일정 거리 이상 회절이 발생하지 않는 베셀 빔이 형성되도록 상기 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하고,
    상기 기판 측에 입사되는 빔은 선형 편광 빛 또는 원형 편광 빛이고,
    상기 기판과 상기 나노 구조체를 투과한 빔은 위상이 제어됨으로써, 0차 베셀 빔과 높은 차수 베셀 빔 중 적어도 하나가 형성될 수 있는 메타표면 기반 엑시콘 디바이스의 제조방법.
  13. 기 설정된 파장의 빛을 조사하는 광원;
    상기 광원에서 조사되는 빛을 확장하기 위한 빔 익스팬더;
    상기 빔 익스팬더에서 입사되는 빛을 편광시키기 위한 편광기;
    상기 편광기의 전방에 배치된 제1 항에 기재된 메타표면 기반 엑시콘 디바이스; 및
    상기 메타표면 기반 엑시콘 디바이스를 투과한 베셀 빔을 촬영하기 위한 카메라를 포함하는 광학 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 편광기와 상기 메타표면 기반 엑시콘 디바이스 사이에는 편광기에서 나오는 빛을 메타표면 기반 엑시콘 디바이스에 집속시키기 위한 집속 렌즈와 대물렌즈가 배치되는 광학 장치.




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