KR20120071899A - 표면 파 및 표면 플라즈몬 파 간섭용 프리즘 및 이를 이용한 표면 파 형성 방법 - Google Patents

표면 파 및 표면 플라즈몬 파 간섭용 프리즘 및 이를 이용한 표면 파 형성 방법 Download PDF

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Abstract

원통형의 구조에 원통의 아랫면을 중심원으로 공유하는 원뿔이 원통 방향으로 만입되어 있는 구조의 프리즘에서 원뿔의 경사면으로 빛을 입사시킨다. 이에 따라 프리즘의 아랫면과 공기층의 아랫면을 따라 표면 파가 형성된다. 또한 프리즘의 아랫면의 아래에 금속층을 더 형성하고 빛을 입사시켜, 금속층과 공기층의 경계면을 따라 표면 플라즈몬 파를 형성한다.

Description

표면 파 및 표면 플라즈몬 파 간섭용 프리즘 및 이를 이용한 표면 파 형성 방법{Prism for interference of surface waves and surface plasmon waves, and method for forming surface waves thereof}
본 발명은 표면 파를 형성하는 프리즘에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파를 형성하는 프리즘과 이를 이용하여 표면 파를 형성하는 방법에 관한 것이다.
프리즘은 빛의 분산이나 굴절 등을 일으키기 위해, 빛을 굴절시킬 수 있는 광학적 평면을 2개 이상 가진 투명한 물체로서 적어도 한 쌍의 면은 평행이 아닌 광학 장치이며, 일반적으로 삼각 기둥 모양으로 이루어진다. 빛을 프리즘에 통과시켜서 분산시키면 다양한 빛의 스펙트럼을 얻을 수 있다.
표면 파는 2개의 서로 다른 매질간의 표면을 따라 진행하는 빛의 파동을 나타내며, 매질간의 경계면을 따라 진행하는 감쇠파가 표면 파에 해당한다.
표면 플라즈몬 파(surface plasmon)는 금속박막의 표면에서 발생하는 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation) 현상이며, 이러한 진동에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파(SPW)는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다.
이러한 표면 파와 표면 플라즈몬 파는 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 표면 파와 표면 플라즈몬 파의 간섭을 응용하면 물질의 굴절률 분석, 합성 개구 형성등과 같은 목적으로 이용 할 수 있다. 그러나 이러한 표면 파와 표면 플라즈몬 파를 여기하여 사용하기 위해서 기존의 전반사(Total internal reflection) 프리즘(prism)과 같은 구조를 이용하는 경우, 입사하는 빛의 파장에 따라 특정한 각도로 빛의 진행 방향을 전환 할 수 있는 별도의 광학계가 요구되는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 추가적인 광학계 없이 프리즘에 나란히 입사하는 빛을 이용하여 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파를 여기시키는 프리즘을 제공하는 것이다.
또한 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파를 여기시켜 이들 간의 간섭을 발생시키는 프리즘을 제공하는 것이다.
또한 프리즘을 이용하여 표면 파의 형성과, 물질의 경계면에 형성되는 표면 파들 간의 간섭을 형성하고, 형성된 간섭을 바탕으로 합성 개구(synthetic aperture)를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 프리즘은,
아랫면; 상기 아랫면에 대하여 수직으로 형성되어 있는 측면; 상기 측면에 연결되어 있으며 상기 아랫면이 형성되어 있는 방향으로 꼭지점을 이루는 원뿔 형상을 이루고, 빛이 입사되는 입사면을 포함하고, 상기 측면과 입사면이 연결되는 위치에 꼭지각이 형성된다.
이러한 본 발명의 특징에 따른 프리즘에서 상기 꼭지각이
Figure pat00001
의 조건을 만족하며, n_pr은 프리즘의 굴절률이고, θ는 빛이 프리즘의 아랫면에 입사하여 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 여기 할 수 있는 입사각이며, θx 는 상기 꼭지각을 나타낸다.
또한 본 발명의 다른 특징에 따른 프리즘은 아랫면; 및 상기 아랫면에 연결되어, 빛이 입사되는 두개의 입사면을 포함한다. 이 경우 상기 두 입사면 사이에 꼭지각이 형성되며, 상기 꼭지각이 위에 기술된 조건의 두 배를 만족한다. 이 경우에 θx 는 상기 꼭지각의 절반을 나타낸다.
본 발명의 특징에 따른 방법은, 표면 파 형성 방법이며, 원통형의 구조에 원통의 아랫면을 중심원으로 공유하는 원뿔이 원통 방향으로 만입되어 있는 구조의 프리즘에서 상기 원뿔의 사면으로 빛을 입사시키는 단계; 및 상기 프리즘의 아랫면과 공기층의 경계면을 따라 표면 파가 형성되는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 별도의 광학계를 추가하지 않아도 평행하게 진행하는 빛을 프리즘의 원뿔의 사면에 입사시켜, 프리즘의 아랫면에서 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 여기시켜 이들의 간섭을 용이하게 발생시킬 수 있다.
또한 이와 같이 여기되는 표면 파 및 표면 플라즈몬 파의 간섭을 이용하여 베셀 빔(Bessel beam)을 형성 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 파 간섭용 프리즘의 단면도이다.
도 2는 도 1의 프리즘을 아랫면에 대하여 수직한 수직선을 중심으로 회전시켰을 때 형성되는 모양을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 파 간섭용 프리즘에서 표면 파가 생성되는 것을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프리즘의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘을 이하여 베셀 빔을 형성하는 것을 나타낸 도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘의 다른 형태로 구현한 예를 나타낸 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 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 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미한다.
이하의 실시 예에서는 설명의 편의상, 프리즘에 의하여 형성되는 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 통칭하여 "표면 파"라고 명명할 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 따른 표면 파 형성 방법은 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파를 형성하는 방법에 관한 것이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 표면 파 간섭용 프리즘 및 이를 이용한 표면 파 형성 방법에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 파 간섭용 프리즘의 단면도이다.
첨부한 도 1에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 표면 파 간섭용 프리즘(10)은, 아랫면(bottom surface, BS)과, 아랫면(BS)에 대하여 수직으로 형성되어 있으며 서로 동일한 꼭지각을 가지는 두 개의 측면(side surface, SS) (SS1, SS2)를 포함한다. 각 측면(SS1, SS2)에 대하여 꼭지각을 형성하는 타측면(SS11, SS21)이 존재하며, 두 개의 타측면(SS11, SS21)은 각각 측면(SS1, SS2)과 설정 각도를 이루고 있다.
여기서 두 개의 측면(SS1, SS2)이 각각의 타측면(SS11, SS21)에 대한 꼭지각을 θx라고 하면, 두 개의 타측면(SS11, SS21)은 2θx의 각도를 이룬다. 이하에서는 설명의 편의상 측면(SS1, SS2)을 제1 측면들이라고 명명하고, 타측면(SS11, SS21)을 제2 측면들이라고 명명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘(10)을 아랫면(BS)에 대하여 수직한 수직선을 중심으로 회전시켰을 때 형성되는 모양을 나타낸 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘(10)은 원통형의 구조에 원통의 아랫면을 중심원으로 공유하는 원뿔이 원통 방향으로 만입되어 있는 구조로서 나타남을 알 수 있다. 프리즘(10)의 제2 측면들(SS11, SS21)은 도 2에서 만입된 원뿔의 경사면에 대응되며, 제1 측면들(SS1, SS2)는 원통의 측면에 대응된다. 즉, 제1 측면(SS1, SS2)는 아랫면에 대하여 수직으로 형성되어 있는 측면이며, 제2 측면(SS11, SS21)은 측면에 연결되어 있으며 아랫면이 형성되어 있는 방향으로 꼭지점을 형성하여 원뿔 형상을 이루고 빛이 입사되는 입사면에 해당한다. 이러한 측면과 입사면에 의하여 형성되는 꼭지각이 아래의 수학식 1을 만족한다.
이러한 구조의 프리즘(10)에서 두 개의 꼭지각에 의해서 아랫면(BS)에 입사하는 빛의 입사각이 결정되며, 이와 같이 결정된 입사각은 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파를 여기 시킬 수 있는 각도이다. 구체적으로, 프리즘(10)의 굴절률을 n_pr라고 할 때, 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 여기할 수 있는 각도 즉, 입사각 θ는 다음의 조건을 만족한다.
[수학식1]
Figure pat00002
이와 같이 프리즘(10)의 아랫면(BS)에 대하여 수직으로 형성된 각 측면(SS1, SS2)이 형성하는 꼭지각 θx 와 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파 여기각 θ은 위의 수학식 1의 관계를 만족하며, 이에 따라 프리즘(10)으로 입사되는 빛에 따라 표면 파가 생성된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 표면 파 간섭용 프리즘에서 표면 파가 생성되는 것을 나타낸 도이다.
위의 수학식 1의 조건을 만족하는 꼭지각들을 가지는 프리즘(10)에서, 첨부한 도 3에서와 같이, 제2 측면(SS11, SS21)들로 서로 나란히 입사하는 빛들이 제2 측면(SS11, SS21)에서 굴절되면서 제1 측면(SS1, SS2)들에 의하여 전반사되어 특정한 면 즉, 아랫면(BS)에 모이게 된다. 프리즘(10)의 아랫면(BS)에 위치한 영역을 공기층이라고 하였을 때, 아랫면(BS)과 공기층 사이의 경계면의 수직한 방향에서 시계 방향으로 형성되는 각이 θs가 된다. 이와 같이 프리즘(10)의 아랫면에 수직인 두 측면 즉 제1 측면들(SS1, SS2)을 경유하여 θS의 각도를 가지고 경계면으로 입사하는 빔에 의하여, 프리즘(10)과 공기층의 경계를 따라 존재하는 표면 파가 형성된다.
또한 프리즘(10)과 공기층의 경계면을 따라 형성되는 표면 파들은 동일한 지점에서 서로 다른 방향으로 진행하게 되어 이들 사이에 간섭이 형성된다. 이와 같이 형성되는 간섭 무늬를 물체를 탐사하는 등의 다양한 분야에 사용할 수 있다.
따라서 별도의 광학계를 추가하지 않고도 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘(10)에 의하여 표면 파를 형성할 수 있다.
다음에는 표면 플라즈몬 파를 형성하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프리즘에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프리즘의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 4에서와 같이 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프리즘(10)은 위의 실시 예에 따른 프리즘과 동일하게, 아랫면(BS)과, 서로 동일한 꼭지각을 가지는 제1 측면들(SS1, SS2), 그리고 제2 측면들(SS11, SS21)을 포함하며, 단지 아랫면(BS)의 밑에 위치하는 금속층(ML)을 더 포함한다. 여기서 금속층(ML)은 수십 나노미터 크기의 금속 박막으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 금(gold), 은(silver), 동(copper), 알루미늄(aluminium) 등과 같이 자유 전자들을 함유하고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 프리즘(10)도 도 2에서와 같이 수직선을 중심으로 회전시키면, 원통형의 구조에 원통의 아랫면을 중심원으로 공유하는 원뿔이 원통 방향으로 만입되어 있는 구조로서 나타난다.
이러한 구조의 프리즘(10)에서 위의 실시 예에서 살펴본 바와 같이, 제2 측면들(SS11, SS21)로 나란히 입사하는 빛들은 제1 측면들(SS1, SS2)을 경유하여 금속층(ML)으로 θsp의 각도를 가지고 입사된다. 금속층(ML)으로 입사하는 빛은 금속층(ML)과 금속층 아래의 공기층과의 경계면을 따라 플라즈몬 파가 형성된다. 즉, 외부에서 서로 다른 유전상수를 갖는 금속과 유전체의 경계면 즉, 두 매질 경계면에서 표면 전하가 유도되고, 이러한 표면 전하들의 진동이 표면 플라즈몬 파로 나타난다. 이 경우에도 프리즘(10)의 금속층(ML)과 공기층의 경계면을 따라 형성되는 표면 플라즈몬 파들은 동일한 지점에서 서로 다른 방향으로 진행하게 되어 이들 사이에 간섭이 형성된다. 이와 같이 형성되는 간섭 무늬를 물체를 탐사하는 등의 다양한 분야에 사용할 수 있다.
여기서 θsp는 금속층(ML)과 금속층 아래의 공기층의 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 파를 여기시키는 각도이며, 프리즘(10)의 꼭지각 각도 θx 와 위의 수학식 1에 따른 조건을 만족한다. 그리고 프리즘(10)으로 입사하는 빛은 금속과 유전체의 경계면 즉, 금속층(ML)과 공기층의 경계면에 존재하는 표면 플라즈몬을 여기 할 수 있는 평행 편광(p-polarized light)을 가진 빛이다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따르면 빛이 서로 다른 물질간의 경계면에 임계각(critical angle) 또는 임계각 이상으로 입사하여 전 반사(total-internal reflection) 조건을 만족하도록 프리즘을 구성하여, 경계면을 따라 진행하는 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 용이하게 형성할 수 있다.
다음에는 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘을 이용하여 표면 파의 간섭을 바탕으로 베셀 빔(Bessel beam)을 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘을 이용하여 표면 파들 간의 간섭을바탕으로 베셀 빔을 형성하는 것을 나타낸 도이다.
베셀 빔을 형성하기 위하여, 한 방향으로 동일한 주파수를 갖는 빔을 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘(10)으로 입사시켜 표면 파를 형성한다. 구체적으로 도 5에서와 같이, 환 또는 고리 모양으로 형성되는 빛이 프리즘으로 입사하면, 프리즘의 제2 측면들 즉, 만입된 원뿔의 사면과의 경계에서 굴절되고 원통의 옆면(제1 측면들)에서 전반사되어 최종적으로 아랫면의 한 지점에서 만나게 된다. 원통의 아랫면에 입사한 빛은 경계면을 따라 진행하게 되며, 표면 파 및 표면 플라즈몬 파로서 존재한다. 따라서, 이들 간의 간섭에 의해 베셀 빔을 형성할 수 있다.
위에 기술된 실시 예들 이외에도, 프리즘을 다양한 형태로 구현할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 프리즘의 다른 형태로 구현한 예를 나타낸 도이다. 위의 수학식 1을 만족하는 꼭지각 θx의 두 배 크기의 꼭지각을 갖는 원뿔 모양으로 프리즘을 구현할 수 있다. 구체적으로 도 6에서와 같이 원형의 아랫면과 연결되어 꼭지점을 형성하는 측면(SS3, SS4)을 포함하는 형태의 원뿔 형상의 프리즘(10)을 구성하고, 상기 측면들(SS3, SS4)이 연결된 꼭지점을 기준으로 하는 꼭지각을 위의 수학식 1을 만족하는 θx의 두 배 크기로 형성한다. 즉, 2θx의 꼭지각을 가지는 원뿔 모양의 프리즘을 형성한다. 이 경우에도 아랫면(BS1)에 대하여 금속층(도시하지 않음)이 형성될 수 있으며, 측면(SS3, SS4)에 의하여 굴절된 빛이 아랫면에 대하여 수직한 선을 기준으로 시계 방향으로 형성되는 각 θsp를 가지고 금속층으로 입사되어, 금속층과 공기층의 경계면을 따라 표면 플라즈몬 파가 형성된다.
또한, 도 7과 같이, 전반사 프리즘과 같이, 삼각기둥 형태의 프리즘(10)을 구현하면서, 전반사 프리즘 형태로 구현된 프리즘의 꼭지각을 위의 수학식 1을 만족하는 꼭지각 θx 의 두 배의 크기로 구현한다. 이 경우에도 아랫면(BS1)에 대하여 금속층이 형성될 수 있으며, 측면(SS31, SS41)에 의하여 굴절된 빛이 아랫면에 대하여 수직한 선을 기준으로 시계 방향으로 형성되는 각 θsp를 가지고 금속층(도시하지 않음)으로 입사되어, 금속층과 공기층의 경계면을 따라 표면 플라즈몬 파가 형성된다.
도 6 및 도 7과 같이 프리즘을 구현하면, 제작이 용이하면서도 선형적인 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파를 효율적으로 여기시킬 수 있으며, 이와 같이 여기되는 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파를 응용하는 다양한 간섭 패턴의 형성이 가능하다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따르면 별도의 광학계 없이 프리즘을 이용하여 입사하는 빛을 표면 파 또는 표면 플라즈몬 파로 형성할 수 있다. 그리고 이 표면 파나 표면 플라즈몬 파들의 간섭을 통한 합성 개구(synthetic aperture)를 형성하고 베셀 빔을 용이하게 생성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 아랫면;
    상기 아랫면에 대하여 수직으로 형성되어 있는 측면;
    상기 측면에 연결되어 있으며 상기 아랫면이 형성되어 있는 방향으로 꼭지점을 이루는 원뿔 형상을 이루고, 빛이 입사되는 입사면
    을 포함하며,
    상기 측면과 입사면이 연결되는 위치에 꼭지각이 형성되며, 상기 꼭지각이 다음의 조건을 만족하는 프리즘.
    Figure pat00003

    여기서 n_pr은 프리즘의 굴절률이고, θ는 프리즘 아랫면에 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 여기 할 수 있는 입사각이며, θx 는 상기 꼭지각을 나타냄
  2. 아랫면; 및
    상기 아랫면에 연결되어, 빛이 입사되는 두개의 입사면
    을 포함하고,
    상기 두 입사면 사이에 꼭지각이 형성되며,
    상기 꼭지각이 다음의 조건의 두 배를 만족하는 프리즘.
    Figure pat00004

    여기서 n_pr은 프리즘의 굴절률이고, θ는 프리즘 아랫면에 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 여기 할 수 있는 입사각이며, θx 는 상기 꼭지각의 절반을 나타냄
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서
    상기 입사면으로 나란하게 입사하는 빛이 상기 측면을 경유하여 아랫면으로 입사되고, 상기 아랫면과 공기층의 경계면을 따라 표면 파가 형성되는, 프리즘.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서
    상기 아랫면의 아래에 위치되는 금속층을 더 포함하고,
    상기 입사면으로 나란하게 입사하는 빛이 상기 측면을 경유하여 아랫면의 상기 금속층으로 입사되고, 상기 금속층과 공기층의 경계면을 따라 표면 플라즈몬 파가 형성되는, 프리즘.
  5. 제4항에 있어서
    상기 프리즘으로 입사되는 빛은 평행 편광(p-polarized light)을 가진 빛인, 프리즘.
  6. 제4항에 있어서
    기 금속층으로 입사되는 빛의 입사각은 상기 입사면에 대한 입사각과 동일하게 상기 조건을 만족하는, 프리즘.
  7. 제4항에 있어서
    환 또는 고리 모양으로 형성되는 빛이 상기 입사면으로 입사되는 경우, 상기금속층과 상기 공기층의 경계면을 따라 베셀 빔이 형성되는, 프리즘.
  8. 원통형의 구조에 원통의 아랫면을 중심원으로 공유하는 원뿔이 원통 방향으로 만입되어 있는 구조의 프리즘에서 상기 원뿔의 사면으로 빛을 입사시키는 단계; 및
    상기 프리즘의 아랫면과 공기층의 아랫면을 따라 표면 파가 형성되는 단계
    를 포함하는, 표면 파 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서
    상기 프리즘이 아랫면의 아래에 금속층을 더 포함하고,
    상기 입사시키는 단계는 평행 편광(p-polarized light)을 가진 빛을 상기 프리즘으로 입사시키고,
    상기 형성되는 단계에서 상기 금속층과 공기층의 경계면을 따라 표면 플라즈몬 파가 형성되는, 표면 파 형성 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서
    프리즘의 빛이 입사되는 두 면이 꼭지각을 형성하고, 상기 꼭지각이 다음의 조건에서 나타나는 θx의 두 배를 만족하는, 표면 파 형성 방법.
    Figure pat00005

    여기서 n_pr은 프리즘의 굴절률이고, θ는 프리즘 아랫면에 표면 파 및 표면 플라즈몬 파를 여기 할 수 있는 입사각이며, θx 는 상기 꼭지각의 절반을 나타냄
KR1020100133628A 2010-12-23 2010-12-23 표면 파 및 표면 플라즈몬 파 간섭용 프리즘 및 이를 이용한 표면 파 형성 방법 KR101188442B1 (ko)

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