Pulsed terahertz (THz) wave technology that utilizes ultrafast laser system for THz waves generation and detection has been studied extensively for several decades. It has seen great success and interest in spectroscopy and more applications are being developed such as security scanning, bio-chemical identification, defect characterization, and so on. However, the major technical obstacles for most THz imaging and applications are absorption loss by water vapor, the difficulty in miniaturizing the system size, and the rather poorer imaging resolution than that of the conventional spectral region. Also, to overcome low signal to noise ratio, several types of semiconductors for the purpose of powerful THz wave generation and its application have been investigated. Narrow band gap semiconductor such as InAs has attracted more and more interest due to their powerful THz wave generation via photo-Dember effect. With a comparatively longer wavelength, Rayleigh’s criterion limits its use for imaging of single cells and other microstructures. Typical human cell sizes range from a few to hundreds of microns. A method for achieving sub-wavelength resolution is to adopt near-field imaging techniques by the usage of a small aperture, near-filed tip, focused optical laser beam. In this manner, we have developed sub-wavelength THz emission microscope by using MBE-grown thin InAs film and small optical-fiber THz emission tip.
In this dissertation, we have studied and demonstrated a new method of displaying temporal phase information of THz pulses for sub-wavelength imaging, whereby a semiconductor film with diffraction apertures is illuminated by ultrafast laser pulses to produce THz waves. Temporal phase advancement of THz pulses occurs when THz pulses are generated from sub-wavelength InAs emission apertures. This temporal phase shift is explained by transverse spatial confinement of sub-wavelength THz radiation from thin InAs apertures. The geometrical phase shift of radiated THz waves has been induced when the spatial frequency of the beam size is larger than wavenumber $k$. This phase shift behavior can be applied to sensitive recognition of micrometer-size patterns smaller than the wavelength of THz pulses. Also, we have devised and constructed an optical-fiber THz emitter using a (100)-oriented InAs thin film placed on a 45-degree wedged optical-fiber tip. Using this method, the THz imaging resolution is expected to be improved to the size of the optical-fiber core. The designed compact THz emission tip here can be extended to near-field imaging, spectroscopy, polarization studies, and remote sensing with sub-wavelength resolution. Furthermore, we have shown the developed functional THz imaging system by using intendedly shaped THz pulses via optical pulse shaping technique. Adaptively pre-designed THz pulses with the evaluation of cost function for material spectral response have enabled THz pulsed spectroscopy and imaging since spectral phase modulations in a spatial light pulse shaper on Fourier domain produce tailored THz pulses with different spectral sensitiveness. As a result, we have acquired THz functional images by elaborately shaped THz pulses. This shaped THz pulse imaging system enhances the contrast of THz image.
펄스 형태의 테라헤르츠 기술은 펨토초 레이저에 기반을 둔 광원개발과 검출기술의 개발의 도움으로 광범위하게 연구되어왔다. 특히 분광학 및 보안검사, 생물학적/화학적 식별과 영상, 그리고 결함검사와 같은 분야에서 연구되고 있다. 그러나 테라헤르츠 기술은 공기 중에서 수증기에 의한 흡수, 소형화에 따른 어려움과 상대적으로 긴 파장으로 인한 낮은 분해능과 같이 극복되어야 문제점들이 있다. 특히, 낮은 신호 대 잡음비를 극복하기 위한 더 큰 파워의 테라헤르츠 신호를 얻기 위하여 다양한 반도체 물질들이 연구되었고 이러한 반도체 물질을 이용한 테라헤르츠 기술이 함께 연구되었다. 이러한 물질 중에서 낮은 밴드갭을 갖고 있는 InAs 물질이 테라헤르츠 발생 측면에서 널리 이용되고 있다. InAs의 물질에서 테라헤르츠 발생은 펨토초 레이저에 의해 여기된 정공과 전자의 반도체 표면에서의 이동도 차이에 의한 photo-Dember 효과로 설명될 수 있다. 이와 함께, 수 백 마이크로미터의 길이를 갖는 테라헤르츠 파장은 수 십 마이크로미터의 크기를 갖는 세포영상기술에 적용되기 어려움점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 광학적 대역에서 이용되는 근접장 기술들이 테라헤르츠 기술에 채용되어왔는데 작은 개구를 이용하거나 파장보다 작은 팁 또는 집속된 레이저 펄스를 이용한 방식 등이 연구되고 있다. 이러한 측면에서 테라헤르츠 근접장 연구를 위하여 MBE에서 성장된 InAs 박막을 이용하여 파장이하의 크기에서 집속된 레이저 펄스를 이용한 파장이하 테라헤르츠 발생 분광기 및 테라헤르츠 소형 광섬유 발생기를 개발하였다.
본 논문에서는 파장이하의 테라헤르츠 영상을 구현하는데 있어서 InAs 반도체 표면에서 파장이하의 크기를 갖는 개구에서 발생된 테라헤르츠 펄스의 위상정보의 차이가 유용하게 이용될 수 있음을 분석하고 확인하였다. 파장이하의 InAs 개구에서 발생된 테라헤르츠 펄스는 시간영역에서 빠른 위상변화가 관측되고, 이러한 위상변화는 푸리에영역에서 공간주파수의 분포가 주파수의 파수보다 클 때 생기는 회절에 의한 기하학적인 위상정보를 포함하고 있는 전파계수의 기대값으로 설명될 수 있다. 이러한 위상변화를 이용하여 약 $\lambda$/10크기의 테라헤르츠 영상을 성공적으로 얻었다. 이와 더불어 투과형 InAs 박막을 이용하여 광섬유 크기까지 소형화된 테라헤르츠 광섬유 발생기를 개발하였다. InAs박막은 광축방향으로 진행을 위하여 45도 전달된 광섬유 끝단에 부착되고 이를 이용하여 약 $\lambda$/2 크기의 테라헤르츠 근접장 영상을 확보하였다. 테라헤르츠 광섬유 발생기는 수 마이크로미터의 광섬유 코어크기까지의 분해능을 얻을 수 있으며, 테라헤르츠 근접장 영상, 분광/편광 연구 및 원거리 전송 분야에 응용될 수 있는 가능성을 가지고 있다. InAs 박막을 이용한 테라헤르츠 근접장 영상기술과 함께 테라헤르츠 파형재단을 이용한 테라헤르츠 기능적 영상기술을 구현하였다. 테라헤르츠 재단 영상기술을 이용하면 기존의 테라헤르츠 영상보다 영상대비가 증가된 영상을 얻을 수 있으며 앞서 기술된 테라헤르츠 근접장 기술과 함께 적용될 수 있다. 두 개의 물질의 영상대비를 증가시켜주는 테라헤르츠 펄스를 얻기 위하여 두 개의 물질의 측정값의 차이를 이용한 cost를 정의하고 이 cost를 반복적으로 증가시키는 방식을 컴퓨터를 이용하여 계속적으로 최적화 재단하여 영상대비가 증가된 주파수 특성이 반영된 테라헤르츠 기능적 영상을 얻었다.
본 논문에 기술된 InAs 박막을 이용하여 개발된 투과형 테라헤르츠 근접장 기술과 기능적 영상 구현을 위한 파형재단 기술이 테라헤르츠의 분해능 한계를 벗어나 세포를 포함하는 수 마이크로미터 크기의 물질에 대한 영상 및 분광연구에 확대적용 될 수 있으리라 기대한다.
