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Title Page 2

Abstract 5

요약 7

Contents 9

Chapter 1. Generation and detection of terahertz electromagnetic waves 13

1.1. Introduction 13

1.2. Terahertz Time-domain spectroscopy 16

Chapter 2. Controlling the terahertz band refractive index of 3D printed materials through UV irradiation 20

2.1. Overview 20

2.2. Sample preparation 20

2.3. Result and discussion 25

Chapter 3. Investigation of Structural Defects in 3D-Printed Terahertz Metalenses 29

3.1. Overview 29

3.2. Result and discussion 30

Chapter 4. Implementation of Metamaterial Optical Devices for Polarization Phase Control Based on Structural Birefringence 35

4.1. Overview 35

4.2. Design of QWP 36

4.3. Result and discussion 40

Chapter 5. Conclusion 44

Reference 47

List of Figures 10

Fig 1.1. The spectrum of the terahertz waves 15

Fig 1.2. The schematic of THz time domain spectroscopy 16

Fig 1.3. The schematic of Photoconductive antenna 19

Fig 2.1. The scheme of UV-induced radical polymerization of the resin 21

Fig 2.2. The schematic diagram of the waveplate 3D printing process 24

Fig 2.3. Photopolymer resin samples fabricated under controlled UV irradiation 24

Fig 2.4. (a) Transmitted THz pulses and (b) transmission spectra through resin plates... 27

Fig 2.5. The color map indicates the (a) refractive index and (b) extinction coefficient... 28

Fig 3.1. (a) Design of the unit cell, (b) An optical microscopy image of 3D printed square... 31

Fig 3.2. Simulated (a) phase shift and (b) transmittance with and without size errors, (c)... 33

Fig 3.3. (a) Simulated focusing performance with no error, (b) with average error, (c)... 34

Fig 4.1. (a) Schematic of quarter-waveplate. (b) Design of quarter-waveplate. Phase... 38

Fig 4.2. Simulated (a) phase shift, (b) transmittance spectrum and (c) polarization of... 39

Fig 4.3. (a) Photograph of the 3D printed quarterwave plate and (b) its microscopy... 41

Fig 4.4. The schematic of QWP measurement system 43

Fig 4.5. Measured (a) stokes parameter and (b) transmittance spectrum of each... 43

List of equations 12

Equation 1.1. The electric field of the PCA 17

Equation 1.2. The photocurrent of the PCA 17

Equation 1.3. The complex refractive index extracted by frequency-domain data 18

Equation 1.4. The refractive index extracted by transmission spectroscopy 18

Equation 1.5. The absorption coefficient extracted by transmission spectroscopy 18

Equation 2.1. The refractive index extracted by transmittance spectrum 25

Equation 2.2. The extinction coefficient extracted by transmittance spectrum 25

Equation 2.3. The Hill equation 26

Equation 3.1. The parabolic wavefront equation of the metalens 32

Equation 4.1. The effective refractive index by effective medium theory 36

Equation 4.2. The Phase shift by birefringence 36

Equation 4.3. The stokes parameters 42

초록보기

 테라헤르츠(THz) 전자기파는 0.1~10 THz의 주파수 대역을 가지며, 낮은 광자 에너지와 유전체 물질에서의 높은 투과율과 같은 독특한 특성을 통해 비파괴 검사, 생체 의학 이미징, 보안 스캐닝 등 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. THz 응용 시스템에서 렌즈와 파장판과 같은 소자를 만들기 위해서 낮은 흡수 특성을 가진 폴리메틸펜텐 (TPX)와 폴리테트라플루오로에틸렌 (Teflon) 같은 고분자 재료가 일반적으로 사용되지만, 낮은 굴절률로 인해 두께 증가와 수차 문제가 발생합니다. 이를 해결하기 위해 더 얇고 효율적인 광학 부품 설계가 요구됩니다. 이에 서브파장스케일의 인공적인 구조를 통해 광학적 특성을 조작할 수 있는 메타물질이 해결책으로 주목받고 있습니다. 특히, 3D 프린팅 기술의 도입은 메타물질을 비용 효율적이고 맞춤형으로 제작할 수 있도록 하여 분야의 발전에 더욱 박차를 가했습니다.

본 연구는 3D 프린팅 기술을 활용한 메타물질 기반의 THz 위상제어 소자의 설계 및 제작을 탐구했습니다. 이를 위해, 소자 제작에 사용되는 소재인 포토폴리머 레진에서 소자의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 광학적 특성인 굴절률을 정밀하게 제어하는 사전 연구를 진행하였습니다. 이 과정에서 3D 프린터의 UV 조사량을 조절하여 레진의 굴절률을 조작하고, THz 시간 영역 분광법(THz-TDS)을 통해 이를 측정 및 분석하였습니다. 추가적으로 3D 프린터의 출력 해상도로 인한 구조적 결함이 소자의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 결함이 포함된 메타물질 기반 THz 메타렌즈를 설계하고, 이로 인한 초점 성능 변화를 시뮬레이션적으로 분석하여 완성도 높은 소자의 설계를 위한 기반을 마련하였습니다. 이러한 사전 연구 결과를 바탕으로, 인공적인 구조를 통해 구현한 복굴절 특성을 활용하여 직선 편광을 원편광으로 변환시켜주는 소자인 THz 1/4 파장판(QWP)을 설계 및 제작하였습니다. 제작된 QWP는 THz-TDS를 통해 성능이 평가되었으며, 뛰어난 성능으로 테라헤르츠 지형도 검사(THz topography)와 같은 응용 분야에서의 적용가능성을 보여줌으로써 THz 영역에서 3D 프린팅 메타물질의 잠재력을 입증하였습니다. 본 연구는 THz 영역에서 3D 프린팅 메타물질의 실현 가능성과 적응성을 강조하며, 첨단 응용 분야를 위한 새로운 가능성을 제시합니다.

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