Metamaterials and metasurfaces with extraordinary optical properties which cannot be observed in natural materials can be obtained artificially by designing the basic structure of them. For effective design of this, deep understanding of their resonance characteristics is essential. In this thesis, resonant surface structures that operate in the visible and infrared region were designed based on resonance mode analysis. With dual resonance modes surface structures, a new concept of a plasmonic color filter using resonance modes for stopbands was suggested. The orthogonality of the dual resonance mode was appropriately selected for each RGB filters based of coupled-mode theory to obtain bright and vivid plasmonic color filter. And with the single resonance mode surface structure, working frequency of the extraordinary optical transmission was controlled by adjusting capacitance in an aperture. The capacitance was adjusted in two ways. One is to insert metal nanoparticles densely in an aperture and the other is to use a nanocomb structure. The resonance wavelength was shifted from 545 nm to maximum 2670 nm, and at 2670 nm, normalized transmission of structure embedded aperture is 37 times higher than that of clear aperture. For characterizing these resonant structures, quantitative phase imaging unit based diffraction phase imaging unit in infrared region was successfully designed and implemented. Amplitude information and phase information of both plane wave from simple thin film structure and vortex beam from tapered arc cyclic group symmetric metasurface were could be extracted using the measurement setup.
천연 소재에서 볼 수 없는 특별한 광학 특성을 가진 메타 물질 및 메타 표면은 기본 구조를 설계함으로써 인공적으로 얻을 수 있다. 효과적인 설계를 위해서는 공진 특성에 대한 깊은 이해가 필수적이다. 이 논문에서는 가시광 및 적외선 영역에서 작동하는 공진 표면 구조를 공진 모드 분석 기반으로 설계 하였다. 이중 공진 모드 표면 구조에서, 정지 대역에 대한 공진 모드를 사용하는 플라즈모닉 컬러 필터의 새로운 개념을 제안하였다. 밝고 선명한 플라즈모닉 컬러 필터를 얻기 위해 결합 모드 이론에 기반하여 RGB 필터별로 이중 공진 모드의 직교성을 적절하게 선택했다. 그리고 단일 공진 모드 표면 구조에서 특이 광 투과 현상의 작동 주파수는 개구부에서 커패시턴스를 조정함으로써 제어되었다. 커패시턴스는 두 가지 방식으로 조정되었다. 하나는 구멍에 금속 나노 입자를 조밀하게 충진하는 것이고 다른 하나는 나노 빗 구조를 이용하는 것이다. 공진 파장은 545 nm에서 최대 2670 nm로 이동하였고, 2670 nm에서 구조가 삽입 된 개구의 정규화 된 투과도는 구조가 삽입되지 않은 개구의 파장보다 37배 더 높았다. 이러한 공진 구조를 특성화하기 위해 적외선 영역의 정량적 위상 이미징 기구 기반 회절 위상 이미징 기구가 성공적으로 설계되고 구현되었다. 단순 박막 구조를 통과하는 평면파와 테이퍼 호 순환 그룹 대칭 메타 표면 (tapered arc cyclic group symmetric metasurface)에서 나오는 와류 빔의 진폭 정보와 위상 정보를 측정 셋업을 이용하여 추출 하였다.
