Pulsed terahertz (THz) waves which are generated from femtosecond laser pulses have ultra-broad bandwidth compared to other frequency electromagnetic waves.
In addition, phase measurement of pulsed THz waves is very convenient because we can directly measure the field of them.
In this dissertation, we study Fourier optical phenomena and their applications with these ultra broadband pulsed THz waves.
Diffraction pattern can be achieved by spectral analysis of ultra broadband THz waves instead of scan detection.
With this principle, we demonstrate three different single-pixel diffraction imaging systems which need only one dimensional data acquisition processes for two dimensional imaging.
In the first experiment, we set a coherent optical computer and show that complex 2D images are reconstructed with only 30 waveform measurements by rotating a hole mask placed in the spatial frequency domain.
In the second, we also demonstrate one waveform diffraction imaging with the time separating hole mask in the coherent optical computer.
In the last experiment, we use a wedge prism, or a slanted phase retarder, instead of the coherent optical computer and achieve much higher signal-to-noise-rate imaging.
Polarization of ultra broadband THz waves is not easily represented by polarization theories of monochromatic waves.
To show this, we shape unconventional polarization states of few-cycle THz pulse by illuminating spatiotemporal controlled ultrafast laser pulses on a circularly metal-patterned InAs thin film surface.
For this polarization shaping, a set of wedges having various directions and thicknesses are arranged to achieve proper spatiotemporal controlling of ultrafast laser pulses.
By them, we generate THz waves of various uncommon polarization states, such as polarization alternation between right and left circular polarization states.
We also define a time domain representation of polarization to analyze these types of polarization.
We also study sub-wavelength diffraction and, especially, focus to study of phase shift anomalies caused by sub-wavelength diffraction.
From scalar diffraction theories, it is generally known that $-\pi/2$ phase shift, or Gouy phase shift, happens in normal diffraction cases.
By direct field measurement in THz time domain spectroscopy, we demonstrate that the phase shift can vary between $0$ to $-\pi$, instead of the constant, $-\pi/2$, in sub-wavelength diffraction.
Nearly $\pi/2$ phase retardation with respect to the Gouy phase shift happens in transmission through a small slit perpendicular to the electric field, while nearly $\pi/2$ phase advance happens in transmission through a small slit parallel to the electric field or a small circular hole.
The physical reason of these disagreements is plasmon coupling or magnetic dipole radiation.
Due to these phase shift anomalies, diffraction pattern is also modulated from the expectation of the scalar diffraction theory, and we study sub-wavelength Young`s double-slit experiment to demonstrate it.
초고속 레이저를 통한 펄스 형태의 테라헤르츠 파 기술은 다른 전자기파 대역에 대비하여 2가지 커다란 장점을 갖는데 이는 초광대역 주파수를 갖는 다는 것과 시간 도메인 상에 전기장을 직접 측정하여 위상 정보를 얻기가 용이하다는 것이다.
본 논문에서는 이러한 2가지 성질을 이용하여 퓨리에 광학 현상을 관측하고 이를 응용하는 연구를 수행하였다.
본 논문 3장에서는 테라헤르츠 파의 초광대역 주파수를 이용하여 2차원 이미지 정보를 오직 1차원적인 정보 수집 방식으로 얻을 수 있는 회절 이미징 기술을 개발하였으며 이를 실험으로 입증하였다.
본 논문은 이미지 정보 수집을 각기 3가지 다른 실험에서 수행하였는데 모든 실험들은 측정기가 움직이지 않는 단일 픽셀(single pixel) 측정 방식을 사용한다.
첫번째 실험은 결맞음 광학 컴퓨터(coherent optical computer)을 이용한 것으로 수십 개의 데이터 샘플링만으로도 수백개의 픽셀을 갖는 2차원 이미지가 잘 복원이 됨을 보였다.
두번째 실험은 이러한 결맞음 광학 컴퓨터를 더욱 발전시킨것으로 시간상으로 테라헤르츠 파를 나누는 마스크를 이용하여 오직 1개의 파형 샘플링으로 2차원 이미지가 복원됨을 보인다.
마지막 실험은 결맞음 광학 컴퓨터 대신 쐐기 프리즘을 이용한 방식으로 결맞음 광학 컴퓨터 방식보다 훨씬 좋은 신호 대 잡음비를 갖는다.
본 논문 4장에서는 초광대역 테라헤르츠 파의 편광을 제어하여 1주기 내에서 편광이 급속도로 바뀌는 새로운 형태의 편광상태를 재단하였다.
이는 원형으로 금속 패턴된 인듐비소 박막에 시공간상으로 재단된 초고속 레이저 빛을 순차적으로 가함으로써 이루어졌는데 본 논문에서는 이를 위해 쐐기 프리즘이 조합된 새로운 형태의 퓨리에 광학 기기를 개발하였다.
또한 본 논문에서는 재단한 편광 상태를 분석하기 위해 시간 도메인 상에서의 편광 표현 방식을 새롭게 정의하였다.
본 논문 5장에서는 파장이하 회절시 일어나는 여러 현상을 공부하였으며 특히 이때 일어나는 위상 변화를 테라헤르츠 시분해 분광기법을 통한 위상측정을 이용해 측정 및 분석 하였다.
기존의 스칼라 회절 이론에 따르면 회절시 일어나는 위상 변화는 전자기파가 이동하는 거리 대비 -90도이어야 하며 이는 구이(Gouy) 위상 변화로 알려져 있다.
그러나 파장이하 회절에서는 이 위상 변화가 -180도에서 0도까지 일어남을 관측하였는데 이는 회절시키는 aperture상의 경계조건을 만족시키기 위한 전하와 전류 분포 때문이다.
본 논문의 이론에 따르면 전기파가 aperture상에서 강하게 집속되는 경우는 이동거리 대비 0도의 위상 변화를 보이며 전기파가 aperture상에서 약해지는 경우는 이동거리 대비 -180도의 위상 변화를 보인다.
이러한 예로써 파장이하 크기의 슬릿 구조와 원형 구멍 구조를 공부하였으며 실험 및 이론이 잘 일치 함을 보였다.
이러한 위상 변화는 회절 패턴에도 영향을 주게 되는데 이에 대한 예로서 본 논문은 영의 더블 슬릿 실험(Young`s double-slit experiment)에서 일어나는 패턴의 이동 또한 공부하였다.
