[논문]광전도안테나에 의한 광대역테라헤르츠파의 발생특성

진윤식; 김근주; 손채화; 정순신; 김지현; 전석기

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Terahertz wave is a kind of electromagnetic radiation whose frequency lies in 0.1THz $\~$10THz range. In this paper, generation and detection characteristics of terahertz (THz) radiation by photoconductive antenna (PCA) method has been described. Using modern integrated circuit techniques...

Terahertz wave is a kind of electromagnetic radiation whose frequency lies in 0.1THz $\~$10THz range. In this paper, generation and detection characteristics of terahertz (THz) radiation by photoconductive antenna (PCA) method has been described. Using modern integrated circuit techniques, micron-sized dipole antenna has been fabricated on a low-temperature grown GaAs (LT-GaAs) wafer. A mode-locked Ti:Sapphire femtosecond laser beam is guided and focused onto photoconductive antennas (emitter and detector) to generate and measure THz pulses. Ultra-wide band THz radiation with frequencies between 0.1 THz and 3 THz was observed. Terahertz field amplitude variation with antenna bias voltage, pump laser power, pump laser wavelength and probe laser power was investigated. As a primary application example. a live clover leaf was imaged with the terahertz radiation.

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문제 정의

일반적인 광전도 안테나 방식의 동작특성인 안테나 전극에서의 바이어스 전압, 여기용 펨토 초 레이저의 출력에 따른 테라헤르츠파의 신호 변화뿐만 아니라 펌프 레이저 광의 파장 변화에 따른 테라헤르츠(이하, 경우에 따라서 "THz"로 줄여서 표현함) 신호의 응답에 대해 서도 조사하였다. 또한 발생되고 계측된 전자파의 파형 및 주파수의 검증을 위하여 대기 중의 수분에 의한 흡수 특성을 조사하였고, 이미징 시스템의 적용 가능성을 위한 기초실험 으로서 살아있는 클로버 잎의 T-Ray 영상 예를 보고한다.
본 논문에서는 펨토초 티타늄 사파이어(Ti:Sapphire) 레이 저로 여기한 광전도 안테나를 이용한 테라헤르츠파의 발생 및 계측에 대해 기술한다. 일반적인 광전도 안테나 방식의 동작특성인 안테나 전극에서의 바이어스 전압, 여기용 펨토 초 레이저의 출력에 따른 테라헤르츠파의 신호 변화뿐만 아니라 펌프 레이저 광의 파장 변화에 따른 테라헤르츠(이하, 경우에 따라서 "THz"로 줄여서 표현함) 신호의 응답에 대해 서도 조사하였다.
광전도 안테나 방식의 THz 발생에서 THz파의 출력은 안 테나 자체의 특성과 여기용 레이저 광의 특성에 의하여 결정 된다. 본 연구에서는 안테나 바이어스 전압, 여기광 강도와 여기파장에 대한 THz 파의 전계강도의 의존성을 조사하였다. 본 실험에서 사용한 동면의 스트립 라인 안테나로부터의 THz 전계의 피크치는 다음 식 (4)와 같이 주어진다[6]

가설 설정

28 THz 로 계산된다. 이 주파수는 그림 4 (b)의 주파수 스펙트럼에서 최대 값을 가지는 주파수와 거의 일치함 을 알 수 있다.

제안 방법

본 논문에서는 펨토초 티타늄 사파이어(Ti:Sapphire) 레이 저로 여기한 광전도 안테나를 이용한 테라헤르츠파의 발생 및 계측에 대해 기술한다. 일반적인 광전도 안테나 방식의 동작특성인 안테나 전극에서의 바이어스 전압, 여기용 펨토 초 레이저의 출력에 따른 테라헤르츠파의 신호 변화뿐만 아니라 펌프 레이저 광의 파장 변화에 따른 테라헤르츠(이하, 경우에 따라서 "THz"로 줄여서 표현함) 신호의 응답에 대해 서도 조사하였다. 또한 발생되고 계측된 전자파의 파형 및 주파수의 검증을 위하여 대기 중의 수분에 의한 흡수 특성을 조사하였고, 이미징 시스템의 적용 가능성을 위한 기초실험 으로서 살아있는 클로버 잎의 T-Ray 영상 예를 보고한다.
성을 알아보기 위하여 그림 13 (a)에 보이는 바와 같은 살 아있는 클로버 잎에 대한 T-Ray 영상 실험을 시도하였다. 시료 잎의 크기는 가로 세로 각각 2 cm 정도이며, 얇은 비 닐지 사이에 끼어 고정하고 이미징을 위하여 시료를 X-Y 스테이지에 고정하여 1 mm 간격으로 스캔하였다.
대기 중에서 THz 파가 전파될 때의 THz파의 흡수특성은 본 실 험에서 얻은 파형 및 주파수가 올바르게 측정되었음을 입중 하였다. 또한 클로버 잎을 시료로 한 영상 실험을 통하여 잎 내부의 미소한 수분 차이를 이용한 T-Ray 이미지를 얻을 수 있었다.
레이저 빔은 렌즈에 의해 집속되어 광전도 안테나의 바이어스 된 갭에 조사된다. 무수차(無收差)의 초반구형 (hyper-hemispherical) 실리콘 렌즈를 THz 이미터와 검출기 의 뒷면(스트립 라인이 설치되지 않은 쪽)에 부착함으로서 THz 펄스의 안테나와 자유공간 사이의 결합을 중가시키고 또한 THz 빔을 집속하는 효과를 내도록 하였다[7]. 이미터 다음의 두 개의 off-axis parabolic 미러는 THz 빔을 시료에 집속하기 위한 것이고 다음의 두개는 시료에서 투과된 THz 빔을 모아서 검출기 안테나에 집속시키기 위한 것이다.

대상 데이터

그림 3에 레이저의 동작특성을 보이고 있는데, 파장이 길 어질수록 출력이 떨어지고 펄스폭은 길어짐을 알 수 있다. 본 실험에서는 레이저 파장을 비교적 동작 특성이 우수한 800 nm에 고정하여 사용하였다. 레이저에서 나온 펨토초 레 이저 빔은 빔 분배기에 의하여 이미터 안테나를 여기하기 위한 펌프빔과 THz 신호를 측정하기 위한 검출빔으로 나누어 진다.
그림 2에 광전도 안테나에 의한 테라헤르츠파의 발생 및 계측을 위한 전체시스템의 구성을 보인다. 여기용 레이저는 상용의 모드 잠금 티타늄 사파이어 레이저( Spectra Physics MaiTai)이며, 발진파장 780-920 nm에서 펄스폭은 70-120 fs 를 가지며 반복율은 80 MHz, 평균출력은 600-1200 mW 이다. 그림 3에 레이저의 동작특성을 보이고 있는데, 파장이 길 어질수록 출력이 떨어지고 펄스폭은 길어짐을 알 수 있다.
테라헤르츠파의 발생 및 검출을 위한 안테나 구조를 그림 1의 (a), (b)에 나타내었다. 테라헤르츠 발생용 안테나로서 200 um의 간격을 가진 공면 스트립라인(coplanar strip line) 안테나를 사용하였고, 검출용 안테나로서 5 Hm의 좁은 간 격을 가진 쌍극자 (dipole) 안테나를 제작하였다. 스트립 라 인의 두께는 50 pm (emitter) 와 5 inn (detector) 이며 길 이는 1.

이론/모형

5kHz로 변조시켰다. 검출기 안테나로부터의 출력신호는 Lock-in Amplifier를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

THz의 전계는 이미 터 안테나의 바이어스 전압에 선형적으로 비례하여 증가하였 고 240 V 이상의 바이어스 전압(전계 12 kV/cm) 에서 안테 나의 손상이 관찰되었다. THz 신호는 낮은 펌프 및 검출 레 이저 출력에서는 선형적으로 중가하였으나 높은 레이저 출력 에서는 광 캐리어에 의한 차폐효과로 포화하는 경향성을 보였다. 또한 펌프 레이저의 광자에너지가 반도체 갭 에너지 이하가 되면 급격히 THz 신호가 감소하며 THz파의 주파수 스펙트럼도 저주파수 대역으로 옮겨감을 알 수 있었다.
또한 펌프 레이저의 광자에너지가 반도체 갭 에너지 이하가 되면 급격히 THz 신호가 감소하며 THz파의 주파수 스펙트럼도 저주파수 대역으로 옮겨감을 알 수 있었다. 대기 중에서 THz 파가 전파될 때의 THz파의 흡수특성은 본 실 험에서 얻은 파형 및 주파수가 올바르게 측정되었음을 입중 하였다. 또한 클로버 잎을 시료로 한 영상 실험을 통하여 잎 내부의 미소한 수분 차이를 이용한 T-Ray 이미지를 얻을 수 있었다.
THz 신호는 낮은 펌프 및 검출 레 이저 출력에서는 선형적으로 중가하였으나 높은 레이저 출력 에서는 광 캐리어에 의한 차폐효과로 포화하는 경향성을 보였다. 또한 펌프 레이저의 광자에너지가 반도체 갭 에너지 이하가 되면 급격히 THz 신호가 감소하며 THz파의 주파수 스펙트럼도 저주파수 대역으로 옮겨감을 알 수 있었다. 대기 중에서 THz 파가 전파될 때의 THz파의 흡수특성은 본 실 험에서 얻은 파형 및 주파수가 올바르게 측정되었음을 입중 하였다.
이러한 미약한 신호는 주파수 영역에서 홉수선으로 나타나게 된다. 본 실험에서 얻은 주파수 영역에서의 흡수대(선)는 타 문헌[11]에서 보고된 홉수선 과 잘 일치하여, 파형과 스펙트럼이 정확히 측정되었음을 알 수 있다.
5 THz 부근에서 최대치를 보이고 스펙트럼의 반 폭치(FWHM)는 1 THz가 얻어졌다. 안테나의 바이어스 전 압, 펌프 및 검출 레이저 출력, 펌프 레이저 파장에 따른 THz 전계의 변화 특성이 조사되었고, 이론적으로 예측된 결 과들과 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. THz의 전계는 이미 터 안테나의 바이어스 전압에 선형적으로 비례하여 증가하였 고 240 V 이상의 바이어스 전압(전계 12 kV/cm) 에서 안테 나의 손상이 관찰되었다.

후속연구

본 연구를 통하여 개발된 테라헤르츠파 발생 및 검출시스템은 각종 물질의 원적외선 영역에서의 광학적 특성을 파악 할 수 있는 분광법과 THz파의 투과 특성을 이용한 T-Ray 이미징 시스템에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
또한 줄기의 아래 부분에 시료를 고정하게 위하여 붙인 셀로판테이프의 형상도 뚜렷하게 드러 남을 알 수 있다. 이 실험을 통하여 본 시스템의 다양한 생체에 대한 영상 응용 가능성을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (11)

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L. Duvillaret, F. Garet, and J. J. Coutaz : 'A Reliable Method for Extraction of Material Parameters in Terahertz Time-Domain Spectroscopy,' IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., 2, pp.739-746, 1996

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D. M. Mittleman, M. Gupta, R. Neelamani, R. G. Baraniuk, J. V. Rudd, and M. Koch : 'Recent advances in Terahertz imaging', Appl. Phys. B 68, pp. 1085-1094, 1999

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S. Gupta, M.Y. Frankel, J. A. Valdmanis, J. F. itaker, G.A.Mourou, F. W. Smith and A.R. Calawa : 'Subpicosecond carrier lifetimein GaAs grown by molecular beam epitaxy at low temperatures', Appl. Phys. Lett. 59, pp. 3276-3278, 1991

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J. V. Rudd and D.M.Mittleman, 'Influence of substrate-lens design in terahertz time-domain spectroscopy', J. Opt. Soc. Am. B. vol. 19 pp.319-329, 2002

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M.Tany, S.Matsuura, K.Sakai, and S.Nakashima : 'Emission characteristics of photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs', Appl. Optics 36, pp. 853-7859, 1997

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P. K. Benicewicz, J. P. Roberts, and A.J. Taylor : 'Scaling of terahertz radiation from large-aperture biased photoconductors', J Opt. Soc. Am., B, 11, pp. 2533- 2546, 1994

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M.V.Exter, C. Fattinger and D. Grischkowsky, 'Terahertz time-domain spectroscopy of water vapor', Opt. Lett. 14, pp. 1128-1130, 1989

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