보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2013-04 |
과제시작연도 |
2012 |
주관부처 |
교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST) |
등록번호 |
TRKO201300034380 |
과제고유번호 |
1345177068 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2013-12-21
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키워드 |
테라헤르츠파.근접장 이미징.테라헤르츠파 현미경.광섬유.파장이하 광학.위상변화.메타물질.바이오이미징.terahertz wave.near field imaging.terahertz microscope.optical fiber.sub-wavelength optics.phase shift.metamaterial.bio imaging.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201300034380 |
초록
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연구의 목적 및 내용
연구는, 레이저-THz 발생 현미경 (Laser-Terahertz Emission Microscope, 줄여서 LTEM) 기술을 개발한다. THz파는 가시광선보다 300배의 파장을 가지고 있지만, THz 현미경 기술 (LTEM)에 의해, THz파의 공간 분해능은 파장의 300분의 1정도인 1㎛로
향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위하여, 낮은 에너지 갭을 갖는 III-V 반도체 박막을 활용하여, 본 연구실의 광섬유-LTEM 기술에 기반하여, THz발생 효율과 시스템 극대화하고, 현재 50㎛ 수
연구의 목적 및 내용
연구는, 레이저-THz 발생 현미경 (Laser-Terahertz Emission Microscope, 줄여서 LTEM) 기술을 개발한다. THz파는 가시광선보다 300배의 파장을 가지고 있지만, THz 현미경 기술 (LTEM)에 의해, THz파의 공간 분해능은 파장의 300분의 1정도인 1㎛로
향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위하여, 낮은 에너지 갭을 갖는 III-V 반도체 박막을 활용하여, 본 연구실의 광섬유-LTEM 기술에 기반하여, THz발생 효율과 시스템 극대화하고, 현재 50㎛ 수준인 공간 분해능을 1㎛ 수준으로 향상시키는 것을 1차적인 목표로 한다. 또한, 이를 이용하여, 1㎛ 공간 분해능을 갖는 THz파 분광 영상으로의 영상으로 얻게 될 세포수준의 바이오 THz 분광영상을 얻는 것을 최종 목표로 한다.
연구결과
(1) THz파의 분광 특성을 측정할 수 있는 투과형 LTEM 기술을 개발하였다. 이를 위하여, 박막형 THz파 발생 물질로 에너지 밴드갭이 적은 III-V족 반도체 물질(본 연구에서는 InAs)에 대한 체계적인 연구를 수행하였고, THz파를 국소적으로 발생시키고 측정코자 하는 시편을 뒤에 두어 THz파의 분광 투과특성을 측정하였다. (2) 위의 개발한 반도체 필름형 THz파 발생 물질을 이용하여, 공간분해능이 수m 분해능을 갖는 THz 현미경 시스템을 구현하였다. 이때, 측정하고자 하는 물체를 m 정도의 거리에 국소형 THz파 발생 프로보를 근접시켜서, THz파 투과형 근접장 이미징을 수행하였다. 또한, 광섬유를 이용하여 원리는 비슷하지만 원격으로 작동할 수 있는 원격 THz파 발생 현미경을 구현한다. 이를 위해 특수 제작된 fiber 에 반도체 박막을 붙이는 형태의 광섬유 기반 THz파 광원 원천 기술을 개발하였다. (3) 추가로 LTEM에서 발생하는 THz 파의 세기 (intensity) 뿐만 아니라 위상(phase) 정보를 이용한 THz파 위상 현미경법을 개발하였다. 특히, 측정하고자 하는 물체의 크기와 모양에 대한 정보가, THz파 회절 위상에 미치는 영향을 이론적으로 연구하여 분석하였으며, 이를 실험적으로 검증하였다. 특히, 본 연구에서 개발한 레이저-THz파 현미경의 THz 발생에서는 기존에 잘 알려진 구이 위상 변화 (Gouy phase shift)인 90도 보다 더 큰 위상 변화가 있게 됨을 확인하였으며, 이 현상의 물리적인 원리가 THz 발생이 파장이하의 공간적 제한 때문에 일어남을 규명하였다. 이를 바탕으로 위상변화가 파장 이하 이미징에 이용 될 수 있음을 보였다.
연구결과의 활용계획
고분해능으로 측정된 투과형 테라헤르츠 분광 정보는 기존 연구에서 얻지 못한 신개념 파장이하 분광 기술이 될 것으로 기대된다. 먼저 THz파 메타소자의 국소적 여기에 따른 메타소자의 주파수에 따른 분광학적 영상을 통하여 공명현상의 물리적 원인을 규명하고 이를 통하여 메타소자의 응용가능성을 확대할 수 있다. 또한 본 연구결과는 세포와 같이 수 ㎛ 수준으로 작은 바이오 시편에 적용가능하다. 또한 우리가 제안하는 광섬유 기반 원격 테라헤르츠 발생기의 경우 기존의 기술에 비해 가격 경쟁력이 있으므로 THz파 첨단 현미경으로의 산업화 가능성이 있고 따라서 새로운 시장 창출이 가능해진다. 추가적으로 본 연구의 위상차 현미경에 대한 연구를 통해 밝혀진 물리적 원리에서부터 추가적 연구를 진행하면 이미징에 활용하는 것은 물론이고 파장이하 광학 (sub-wavelength optics)에 대한 학문적 이해도에 큰 기여를 할 수 있을 것이라 여겨진다.
Abstract
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Purpose& contents
In this three year research project of laser tereahertz (THz) emission microscopy (LTEM), we have investigated (1) how to improve the image resolution of THz frequency images, (2) fundamental physics underlying the sub-wavelength diffraction phenomena, and (3) its applications i
Purpose& contents
In this three year research project of laser tereahertz (THz) emission microscopy (LTEM), we have investigated (1) how to improve the image resolution of THz frequency images, (2) fundamental physics underlying the sub-wavelength diffraction phenomena, and (3) its applications in various micron size objects imaging. The wavelength of THz waves is hundreds of micrometers, but image resoluton only a few micrometers has been experimentally demonstrated in our development research of a new type of LTEM. In addition, we have developed optical fiber-based THz emission sources by fabricating the fiber tip with the developed semiconducting film.
With this fiber tip, we have achieve remote-control near-field microscope systems.
Based on this new LTEM devices, we have uncovered the physical nature of phase and amplitude scaling phenomena in the sub-wavelength diffraction condition.
Result
(1) We have developed a prototype experimental methodology involved with transmission type Laser-Terahertz Emission Microscope (LTEM). For this, we have stuided low-energy band-gap materials in III-V compound semiconductors for the purpose of efficient thin-film type THz emittors. Based on our research, InAs thin film was adoped and image targets were placed very near ( a few micron distance) to the film and we successfully obtained microscopic imaging with a few micrometers resolution. (2) We have also developed THz-wave-emitting optical fiber tips, having THz emission and remote access probe capabilitioes at the same time. For this, we have devised an InAs film coating technique directly on optical fiber tips. With this new type of THz probe, near-field THz imaging of extreme sub-wavelength resolution capability has been successfully demonstrated. (3) In addtion, we have studied, theoretically and experimentally, the anomalous phase-shift behavior in subwavelength-scale wave diffraction involved with THz emission from small apertures of various size and shape. Based onn the new type of phase information given as a function of the aperture size and shape, and, at the same time, deviated from the conventional Gouy phase shift of 90° phase advancement, we have demonstrated THz wave phase microscopy of extreme sub-wavelength objects.
As a result of this THz phase microscopy, the size and shape of small objects have been probed with THz wave diffraction phase.
Expected Contribution
THz transmission spectral information obtained in our newly developed LTEM systems is expected to benefit for the study of novel phenomena involved with sub-wavelength optical diffraction. First, our LTEM can be used to study electrical excitation and resonation structures of artifically engineered sub-wavelength material structures, such as meta-materials. Also, the capability of probing a few micrometer size of biological samples, such as cells, would help to achieve biological and medical applications in THz range. Our THz-wave-emitting optical fiber technique has many advantages in its simplicity and price for the development of THz wave-based optical probing methods and systems, so its industrial application could be also possible. Lastly, our study of anomalous phase-shift in sub-wavelength diffraction would be helpful to the advanced study of sub-wavelength optics or nano optics.
목차 Contents
- 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 15
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 20
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 66
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 68
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 70
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 73
- 8. 참고문헌 ... 75
- 9. 연구성과 ... 77
- 10. 기타사항 ... 85
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