Light propagation through a disordered system is a fundamental physical phenomenon that associated with a variety of practical applications as well as fundamental optical research. When a light propagates through a medium that is highly disordered, such as opaque paint layer, human skin, dense fog, or the medium consisting of complex refractive index distributions, the multiple light scattering occurs. The paths of propagating lights are completely scrambled and result in the loss of information of the propagating waves. Although the multiple light scattering seemingly a stochastic phenomenon due to its complexity, in the classical electrodynamics, the phenomenon is deterministic, which is derived by Maxwell’s equations. Based on the deterministic nature, the light scatterings are readily controlled by shaping the incident light and the disordered medium can be used as optical elements where its functionalities are beyond the conventional optics.
In this thesis, we demonstrate deterministic control of light scatterings through disordered systems for practical photonic applications. Rather than avoid the multiple light scatterings induced by the disordered systems, we intentionally utilize it for exploiting high degree of freedom brought on by the disordered systems. The thesis consists of two parts: manipulating light with (1) a conventional disordered medium that can be easily found in nature and (2) a disorder-engineered medium. In the first category, we introduce a scattering optical element which is a universal wavefront transformer that exploits multiple light scattering occurred in a layer of titanium dioxide nanoparticles. The high degree of freedom brought on by the disordered medium enables to address various optical properties of scattered light in the manner of wavefront shaping. In the latter category, we propose a disorder-engineered optical system, which does not require extensive characterization of optical responses of the disordered systems. Specifically, we introduce a non-periodic photon sieve where the lateral positions of the pinholes are designed in a pseudo-random manner. The capability of disordered-engineered photonic structure which relates low spatial frequency components to high spatial frequency components enables the realization of large-area wide-viewing angle 3D holographic display.
빛이 페인트나, 사람의 피부, 짙은 안개 등과 같이 불규칙한 매질을 투과하면 매우 복잡한 형태의 수많은 반사와 굴절이 발생한다. 이를 빛의 다중산란이라고 하는데, 다중산란을 겪은 빛은 매우 복잡한 간섭 패턴을 나타내기 때문에 빛의 제어를 방해하는 현상으로 여겨져 왔었다. 하지만 고전전기역학 관점에서 다중산란은 그 형태가 복잡하더라도 맥스웰 방정식으로 유도되는 결정론적 현상이다. 따라서 산란을 일으키는 매질에 입사되는 빛의 파면을 조절하면 다중산란을 원하는 형태로 제어 할 수 있다.
본 학위논문에서는 무질서한 매질을 투과한 빛을 제어함으로써 무질서한 매질에 의해 발생하는 높은 자유도를 활용한 광학기기들을 제안하였다. 본 학위 논문은 크게 (1) 자연계에 존재하는 기존의 무질서한 매질을 이용한 광학기술과 (2) 무질서하게 설계된 매질을 이용한 광학기술, 두 부분으로 구성되어있다. 첫번째 부분에서는 이산화티타늄 층에서 발생하는 다중 광 산란을 이용하여 독립적으로 활용 가능한 다기능 광학기기를 구현하였다. 무질서한 매질의 광 산란 특성을 정밀하게 측정하고, 이를 파면제어 기술과 접목함으로써 하나의 광학기기에서 빛의 다양한 성질 제어가 가능함을 보였다. 두번째 부분에서는 무질서하게 설계된 광자체를 이용한 광학기기를 제안하였다. 광자체를 구성하고있는 핀홀의 위치는 의사난수를 통해 결정 및 제작되었다. 따라서, 복잡해보이는 무질서한 광자체의 산란 특성을 정밀하게 계산할 수 있다. 광자체는 투과되는 빛의 낮은 공간주파수 성분과 높은 공간주파수 성분을 변환시키는데, 이러한 광학적 특성을 활용하여 대면적 광시야각 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 구현하였다.
