공명 회절 격자의 위상 변화 특성

Abstract

광의 위상 변화 특성은 회절 광소자 및 회절격자를 이용한 광기술에 매우 주요한 원리가 된다. 복소 반사계수가 포함하고 있는 위상에 관한 정보는 브루스터 흡수와 내부 전반사와 같은 기술을 이용하여 편광을 제어 하는 소자나 내부 전반사 홀로그램 응용기술, 높은 Q-factor를 요구하는 고감도 센서와 같은 기술의 근본적인 원리를 제공한다. 본 논문에서는 유전체 및 금속에서의 위상변화 특성에 대해 논하였다. 금속의 경우는 2장에서 공명 회절 격자에서의 위상 변화 특성을 TCM (temporal coupled-mode) 이론을 이용한 해석의 일반적인 적용 가능성 여부에 대하여 연구하였다. 실험 결과가 전사모사의 경우와도 동일한 경향을 보이는 것을 확인 하고 엄밀 전산모사와 이론의 비교를 통해 정량적 일치함을 확인하여 이론의 물리적인 의미를 검증하였다. 유전체의 경우는 3장에서 유전체 계면에서 반사된 광의 위상변화를 이용하여 편광을 제어하는 원리에 대해 기술 하고 이를 이용한 내부전반사 홀로그래픽 노광기술에 적용이 기대되는 표면 부조형 회절 격자 마스크의 실현 가능성에 대해 연구하였다. 전산모사와 실험결과는 최적화된 경우에 약 30%정도의 투과 회절 효율을 갖는 표면 부조형 회절 격자 마스크의 제작이 가능함을 보여준다. 4장에서는 3장에서 논한 기술을 실험 공정 측면에서 접근한 부피 홀로그램 원본 마스터 마스크를 유전체 물질의 표면 부조형 회절 격자 마스크로 복제하는 기술에 대한 심화된 연구 결과에 대해 논하였다. 이 기술의 핵심이 되는 원리를 분석하고 6″×6″ 대면적에 최소 선폭 1.5μm, 균일도 0.2μm 이내의 결과를 갖는 포토레지스트 패턴 실험결과를 도출 함으로서 이 기술의 가능성을 검증 및 평가하였다.; Phase behaviors of lights are important basis of optical technologies using diffractive optics such as diffraction gratings. For dielectric gratings, phase behavior is of special importance in polarization devices and TIR (total internal reflection) holographic lithography. Because of, polarization and TIR phenomena have been explained by phase behavior due to complex reflection coefficient on interface of medium based on the Fresnel equations. For metallic gratings, phase behavior near the complete localization is of special importance in SPR (surface plasmon resonance) bio-chemical sensors because any infinitesimal variations in system’s geometries or optical parameters give rise to markedly different behavior in phase spectral profiles, utilizing ultra-sensitive detection of geometrical or optical parameter variations. In this thesis, phase behaviors of dielectric and metallic medium are investigated. In chapter 2, in the case of metallic medium, for metallic resonant grating, TCM (temporal coupled-mode) theory interpretation for phase behavior, specially, the Brewster absorption to find a general physical scheme is demonstrated by experimental results and rigorous calculation. Characteristic comparison result of between experiment and calculation was a very similar. And also, calculation results are excellent agreements with the TCM theory interpretation. In chapter 3, in the case of dielectric medium, polarization control technique by phase shift on reflection is described and its applications for TIR holographic lithography using SRG (surface relief grating) mask is demonstrated by numerical analysis and experimental results. In optimization case, transmission diffraction efficiency of SRG mask was ~30%. In chapter 4, another application for SRG mask technology focused by fabrication process, copying from the original mater volume hologram mask, is introduced. Most important parameters in the fabrication process are analyzed and optimized. And also, it was demonstrated and evaluated by phtoresist patterns printed (minimum line width ~1.5μm, uniformity <0.5μm) from the copied SRG masks.