나노레이저 구현을 위한 표면-플라즈몬 공진기 특성 분석

Abstract

본 논문에서는 수 nm 의 크기를 가지는 표면 플라즈몬 나노레이저 구조를 제안하였으며, 대면적에서 쉽게 제작 가능한 수백 nm 크기의 표면 플라즈몬 공진 구조의 레이저로서의 응용 가능성에 대해 실험적으로 확인하였다. 먼저, 표면 플라즈몬을 이용한 나노레이저 구현을 위해 외부 전반사 원리에 의해 전파하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 공진기를 제안하고 이를 유효굴절률 방법과 유한요소법을 이용하여 계산하였다. 표면 플라즈몬은 그 특성상 국소화된 영역에 에너지를 집중시킬 수 있지만 집적화되는 정도가 커질수록 금속에 의한 에너지 손실이 증가하게 된다. 이에 제안된 구조에서는 모드에 미치는 이득 매질의 영향을 증대시키기 위해 낮은 굴절률의 나노 막대 주위를 높은 굴절률의 이득 매질로 덮음으로써 일반적인 내부 전반사에 의해 도파하는 모드보다 구속인자(confinement factor)를 증가시킬 수 있었다. 또한 외부 전반사 표면 플라즈몬 폴라리톤 모드는 표면 플라즈몬 모드의 밴드 갭에 의해 형성되기 때문에 공진기의 거울 면에서 반사율 1 에 근접한 높은 반사 특성을 가진다. 이로부터 내부 전반사 구조들에 비해 15 ~ 45 배 이상 높은 Q factor 를 가질 수 있었다. 또한 외부 전반사 표면 플라즈몬 폴라리톤 공진기는 높은 구속인자와 반사율로부터 낮은 한계 이득(threshold gain)을 가지게 되어 수 nm ~ 수십 nm 크기의 구조를 갖는 나노레이저를 비롯한 다양한 광원으로의 활용이 기대된다. 다음으로 홀로리소그래피를 이용한 대면적 금속 구조에서의 나노레이저로서의 가능성을 살펴보기 위해 1차원 및 2차원 금속 나노 구조를 제작하였다. 제작된 샘플에 R6G/PMMA 필름을 도포한 후 펄스 레이저로 샘플을 여기 시켜 형광체에서 발생하는 방출 특성을 측정하였다. 일반적인 나노레이저는 electron beam lithography 나 focused ion beam milling 등으로 구조를 제작하거나 화학적으로 나노 구조물을 만든 후 기판에 뿌린 후 레이저 특성을 알아보는 방식을 취하고 있다. 이에 반해 홀로리소그래피를 이용하면 나노 구조를 제작하고 위치를 찾기 위한 고가의 장비가 필요하지 않게 되는 장점이 있으며, 수 cm 의 대면적에 빠르고 쉽게 구조물을 형성할 수 있다. 이로부터 다수의 나노 구조에서의 모드 특성을 관찰할 수 있어 나노레이저 특성 파악에 유리하다. 실제 제작된 샘플은 현미경을 통해서도 구조의 위치 및 형태를 쉽게 파악할 수 있었다. 또한 입사된 레이저 빛에 의해 여기된 형광체의 빛 방출율이 제작된 샘플에서의 표면 플라즈몬 효과에 의해 증가되는 것을 관측하였으며, 이를 수치해석 방법을 이용하여 이론적으로 확인하였다.