기하학적-위상 분포를 갖는 구조 광학 소자

Abstract

Refractive optical elements, traditionally consisting of lenses that exploit optical path differences, are currently facing challenges in precisely controlling the phase of the device, particularly in medical applications such as optical devices or multifocal lenses for quantum information processing and optical communications. Moreover, in the pursuit of manufacturing lenses with continuous focus characteristics, the conventional approach currently involves overlapping multiple lenses or stacking several layers on a single substrate. However, this method inherently limits the manufacturing of lightweight and high-performance devices. These limitations stem from the increased module volume of the lens and the efficiency loss occurring at each layer in the stacking process. In an optical device constructed from an anisotropic medium, an additional phase delay or geometric phase (GP) has occurred alongside the dynamic phase due to its dependence on polarization-induced refractive index variations. The geometric phase emerging at this point is precisely twice the angle of the optical axis of the anisotropic medium. Leveraging this phenomenon, structures with randomly distributed angles ranging from 0 to π in wavelength units have been periodically arranged on a single plane, resulting in the creation of various Geometric Phase Optical Elements (GPOE) lenses. Through the identification of the device's structural information, the beam was decomposed into pixels, and the local phase difference was calculated. This process led to the manufacturing of a q-plate device capable of transmitting an additional momentum of m amount by forming a Vector Vortex Beam (VVB). Additionally, the structure of the device was identified through phase information, enabling the production of a combined phase lens. This multifocal lens, originally manufactured using multiple layers, was successfully produced as a single layer. Focus characteristics corresponding to the object distance were then compared and analyzed against both design and experimental values. Experimental verification confirmed that the manufactured lens could be made thinner and more compact using a simpler process compared to previous methods Geometric Phase Optical Elements (GPOE), harnessing geometric phase, possess the capability to produce complex phases on a single substrate by exerting control over the optical axis direction of an anisotropic medium. This innovative approach enables the creation of intricate optical elements on a unified surface, facilitating diverse applications in optics and photonics. Manufactured as devices with diverse optical effects, these elements benefit from a relatively simple manufacturing process, yielding thin and compact devices. Consequently, they can be effectively applied to lightweight and high-performance devices, aligning with the requirements of next-generation displays. |광학 경로 차이를 활용하여 렌즈로 제작된 기존 굴절 광학 소자는 정밀한 위상 제어가 어려우며, 특히 기존보다 더 많은 양의 정보를 전달하기 위해 양자 정보 처리 및 광통신 분야에 사용되기 위한 광학 장치나 의료 분야에서의 응용성을 보이는 다초점 렌즈의 복합적인 위상 정보를 구현하기 위해서는 제작 과정이 매우 까다롭다. 또한 연속 초점 특성을 가지는 렌즈 제작을 위해서는 여러 장의 렌즈를 겹치거나 단일 기판 위에 여러 겹의 layer를 쌓음으로써 제작되지만 이는 렌즈의 모듈 부피가 커지거나 layer 마다 발생하는 효율 손실로 경량화 및 고성능 소자 제작에 한계가 있다. 비등방성 매질로 이루어진 광 소자에서는 편광에 따라 다른 굴절률을 겪기 때문에 동적 위상 (dynamic phase) 외에 추가적인 위상 지연 기하학적 위상 (geometric phase, GP)이 발생한다. 이때 발생하는 기하학적 위상은 비등방성 매질의 광축 방향 각도의 2배만큼 발생하며 이를 이용하여 단일 평면 위에 파장 단위의 임의의 0 ~ π 각도를 가지는 구조물을 주기적으로 배치함으로써 기하학적 위상을 갖는 다양한 Geometric phase optical elements (GPOE)렌즈를 구현하였다. 소자의 구조 정보를 파악하여 빔을 픽셀 단위로 분해하고 국소적인 위상차를 계산함으로써 Vector Vortex Beam (VVB) 형성을 통해 m만큼의 추가적인 모멘텀을 전달하는 q-plate 소자를 제작하였다. 또한 위상 정보를 통해 소자의 구조를 파악하여 Combine phase lens를 제작함으로써 기존의 다층 layer를 통해 제작되는 다초점 렌즈를 단일 layer로 제작함으로써 물체 거리에 따른 초점 특성을 설계 값과 실험 값과 비교 분석하여 기존보다 간단한 공정으로 얇고 compact하게 제작이 가능함을 실험적으로 검증하였다. Geometric phase를 이용한 GPOE는 비등방성 매질의 광축 방향 제어를 통해 복잡한 위상을 단일 기판 위에 제작 가능하며 다양한 광학적 효과를 지니는 소자로 제작 가능하다. 이는 비교적 간단한 공정과 얇고 compact한 소자로 제작되어 차세대 디스플레이에 요구되는 경량화 및 고성능의 소자에 응용될 수 있다.