This dissertation presents basic studies on the propagation properties of spoof surface plasmon modes supported on the metallic square lattice in a microwave frequency regime.
The propagation characteristics of spoof surface plasmon modes are studied in both real and reciprocal spaces. We propose a method to experimentally determine the constant frequency contours which are obtained from the fast Fourier transforms by using the electric field distribution directly measured over the metallic square lattice. The anisotropy of the measured constant frequency contours supports the presence of the negative refraction and the self-collimation phenomena which are confirmed from the measured electric fields.
Bending and splitting properties of the self-collimated beams are also investigated. From the analysis of the constant frequency contours, we find that the concept of total internal reflection at the interfaces between two dielectric mediums can also be applied to the interfaces between the metallic square lattice and air. We show that a line defect created by removing several rods in a row can totally reflect the incoming self-collimated beams. We propose a spoof surface plasmon beam splitter for self-collimated beams at the frequency of 6.06 GHz, where the constant frequency contour is flat. It is shown that the splitting ratio of the self-collimated beam can be controlled by varying the height of rods in the defect.
Subwavelength imaging through the spoof surface plasmons on the metallic square lattice lens is demonstrated in simulations, which does not utilize amplification of evanescent waves in a perfect lens. The observed full width at half maximum is about 0.36 at 6.13 GHz. Evanescent and propagating waves generated from the source can be coupled with spoof surface plasmon modes of the metallic square lattice. The convex curvature of the constant frequency contour makes evanescent and propagating waves from the source transfer to the image plane through the metallic square lattice. Fourier analysis of the electric fields transferred to the image plane shows that the evanescent waves from the source play a key role in obtaining an image with a subwavelength resolution.
본 논문의 내용은 마이크로웨이브 영역에서 주기적 사각격자 표면에 발생하는 유사 표면플라즈몬 모드의 전파특성에 관한 연구결과이다. 일반적으로, 마이크로웨이브 영역과 테라헤르츠 영역에서는 금속의 광학적 성질이 완전도체와 매우 유사하여 표면에 강하게 속박된 어떠한 모드도 존재할 수 없으나 이 완전도체 표면에 주기적인 구조를 도입하여 그 구조 표면에 강하게 속박된 모드가 존재하게 할 수 있다. 이는 가시광영역에서 발생하는 표면플라즈몬 모드와의 유사성으로 인하여 유사 표면플라즈몬 모드라고 불린다. 특히 표면구조의 주기적인 특성은 이 유사 표면플라즈몬 모드의 해석을 용이하게 한다. 본 연구에서는 구리로 이루어진 2차원 사각격자 구조를 사용하였다.
어떤 매질에서의 빛의 전파특성을 이해하는 데는 등주파수 곡선의 역할이 매우중요한데, 유사 표면플라즈몬 모드의 등주파수 곡선들을 실험적으로 얻기 위해서는 사용된 구조의 표면에 분포하는 전기장의 측정이 선행되어야한다. 이 측정을 위하여 네트워크 분석기와 두 개의 단극자 안테나를 사용하였는데 이 두 개의 단극자 안테나는 각각 점광원과 검출기역할을 한다. 이들 장치를 통하여 측정된 전기장을 퓨리에변환을 사용하여 등주파수 곡선을 얻음으로써 본 연구에서 사용된 구조에서 발생하는 빛의 전파특성에 대한 이해를 높일 수 있었다. 실험으로 얻어진 등주파수 곡선은 3가지 형태로 나눌 수 있는데, 위로 볼록한 형태, 평평한 형태, 아래로 볼록한 형태를 갖는다. 이 형태에 따른 비등방적인 성질은 각각 양의 굴절, 자기조준, 음의 굴절의 현상으로 나타난다.
이 전파특성을 이용한 두 가지 응용에 대하여 연구하였다. 첫 번째 응용은 자기 조준된 빛을 둘로 나누는 광 분할기이다. 광 분할기는 굴절률이 다른 두 유전물질 경계에서 생길 수 있는 전반사에 그 기초를 두는데, 등주파수 곡선을 이용하여 이를 본 연구에서 사용된 구조에 적용하였다. 자기조준된 빛의 전반사는 빛의 진행방향과 45도 방향의 기둥 한 열을 제거함으로써 구현 할 수 있다. 또한, 그 한 열의 기둥의 높이를 변화시킴으로써 투과파와 반사파의 세기를 조절 할 수 있었다. 이를 이용하여 광 분할기를 구현하였다. 특히, 6.06 GHz의 주파수에서 금속사각기둥의 높이가 배경을 이루는 높이의 0.93일 때, 50:50 광 분할기가 구현되었다.
두 번째 응용은 회절한계를 넘는 렌즈의 구현이다. 점광원에서 나온 진행파와 소멸파는 금속사각격자 렌즈를 통과할 때 굴절될 수 있고, 또 이 렌즈가 음의 굴절을 할 수 있으므로 점광원에서 나온 진행파와 소멸파는 이 렌즈를 통하여 초점에 모이게 된다. 이를 통하여 회절한계를 넘는 렌즈가 가능하다. 이 렌즈는 6.13 GHz에서 파장의 0.36배의 분해능을 가지며, 이와 같은 높은 분해능은 초점에서 전기장의 퓨리에변환를 이용하여 소멸파가 얼마나 초점에 모였는지를 확인함으로써 증명되었다.
