The objective of this research is to design and analyze plasmonic structure which can generate a large amount of coherent EUV (extreme-ultraviolet) light by near-field amplification of the incident femtosecond laser. Previously, it was reported that plasmonic nanostructures can induce localized field enhancement at a certain region, thereby creating high harmonics at a wavelength shorter than 100 nm. This new method of HHG (high harmonic generation) has a strong potential to be compact EUV light source which do not require complex optical configuration. However, harmonic conversion efficiency is quite low compared to that of conventional HHG techniques.
In this report, we presented a plasmonic waveguide structure which exploits SPP (surface plasmon polariton) enhancement. Proposed plasmonic waveguide structure is composed of tapered conical waveguide part and sub-wavelength cylindrical waveguide part. Because SPP can propagate inside a sub-wavelength-scale waveguide, possible volume range of HHG could be considerably enlarged. The material for plasmonic waveguide structure is silver due to its smallest loss in the visible range of the optical spectrum. To get the optimum geometric parameters, we analyzed electro-magnetic behavior of plasmonic waveguide structure by both solving dispersion equation analytically and investigating XFDTD simulation results.
Because of waveguide dispersion, coherence lengths for high harmonics are too short to generate high harmonic efficiently by constructive interference. To solve this problem, we introduced quasi-phase-matching method of dielectric thin film deposition. With 80 nm-thick $SiO_2$ layer at the inner wall of cylindrical waveguide, we could achieve spatial modulation period similar to fundamental wavelength of 800 nm, thereby increasing coherence length remarkably. Increase in coherence length implies huge gain of EUV signal amplitude. Theoretically, we can improve harmonic conversion efficiency at least by a factor of at least $10^3$ by phase-matching of generated high harmonics. The proposed sub-micron-sized plasmonic structure can be fabricated by high precision FIB machine whose resolution is a few nm-level.
If it is experimentally confirmed that harmonic conversion efficiency is largely improved, HHG by field enhancement will be widely used as a powerful EUV generation method in the near future.
본 연구의 목표는 입사하는 펨토초 레이저의 전기장을 국부적인 영역에서 증폭시킴에 따라 결맞음 극자외선을 더 효율적으로 생성할 수 있는 플라즈몬 구조체를 설계 해석하는 것이다. 이전에 보고된 논문에 따르면, 플라즈몬 효과를 유도하는 나노구조체로부터 얻어지는 국부적인 근접장 증폭장 현상을 이용하면 약 100 nm 이하의 짧은 파장을 가지는 극자외선 빛을 얻을 수 있다. 이러한 새로운 방법은 간소화된 광학 장치 크기 및 가격으로도 고차조화파 생성을 유도하여 극자외선 광원을 개발할 수 있다는 점에서 매우 큰 잠재력을 가지고 있다. 그러나 아직까지는 극자외선 발생 효율이 다른 방법에 비해 매우 낮은 단점이 있다.
이에 따라, 본 논문에서는 진행파의 성격을 가지는 표면 플라즈몬 폴라리톤을 유도할 수 있는 플라즈몬 구조체를 새로 제안하고 설계하였다. 제안된 플라즈몬 구조체는 크게 경사진 플라즈몬 도파관 부분과 파장 이하의 원형 도파로로 구성되어 있다. 표면 플라즈몬 폴라리톤의 경우, 원형 도파로 내부를 전파하는 성질을 가지고 있기 때문에 고차 조화파 생성이 이루어질 수 있는 부피 영역이 비약적으로 증가될 수 있다. 플라즈몬 구조체를 이루는 물질은 은을 선택하였는데, 은의 경우 입사하는 펨토초 레이저의 파장 대역에 대해 에너지 손실이 가장 작기 때문이다. 플라즈몬 구조체의 최적화된 길이 변수를 확정하기 위해서 수학적으로 분산 관계식을 풀거나, 상용화된 XFDTD 시뮬레이션을 이용하면서 전자기장 해석을 경우에 알맞게 수행하였다.
도파로 내부에서 일어나는 분산 효과는 고차조화파 생성 효율과 밀접한 관련이 있는 결맞음 길이를 결정하는 데 매우 중요한 역할을 하게 된다. 그런데 파장 이하 원형 도파로 내부에서 극자외선이 가지는 결맞음 길이가 매우 작아서 추가적 처리 과정 없이는 발생된 고차조화파의 에너지가 매우 비효율적으로 중첩되게 된다. 이를 해결하기 위해서는 유사위상정합 기술을 도입하여 분산을 보상해주어야 하는데, 여기서는 높은 굴절률을 가지는 유전체를 코팅하는 방법을 이용하였다. 80 nm 두께의 $SiO_2$ 층을 원형 도파로 내부에 코팅하게 되면 도파로 내부를 전파하는 증폭된 전기장의 속도를 조절할 수가 있다. 이에 따라 도파로 내부에 형성되는 광 강도 주기를 원래 펨토초 레이저가 가지는 파장인 800 nm 와 비슷하게 조율할 수 있다. 따라서 짧았던 결맞음 길이를 매우 증가시킬 수 있고, 이론적으로는 유사위상정합 방법을 통해서 극자외선의 발생 효율을 약 1000 배 정도 개선할 수 있다. 또한, 설계된 플라즈몬 구조체는 수 nm 의 정밀도를 가지는 FIB 가공 기계를 통해 제작될 수 있다.
만약 설계된 구조체를 실제로 제작하여 실험을 수행하면, 이론적으로 예측한 바와 같이 에너지 변환 효율이 매우 증가될 것으로 기대하고 있다. 그렇게 되면 작은 크기의 나노 구조체를 통해 극자외선 광원을 만드는 방법이 다양한 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것이다.
