Optical wavefront control is the key to realize every optical application, for laboratories, industries, national security, and personal devices. Recently, lots of nanostructure-based optical wavefront manipulations have been demonstrated to realize ultra-compact of optical devices, such as metasurface hologram, meta-lens, and meta-spectropolarimeter. Metasurface, the arrangement of sub-wavelength nanostructures, allows manipulation of wavefronts with a sub-wavelength spatial resolution. It can support unlimited control of the propagating direction without multiple diffraction orders by the ultra-thin optical film. Studies of controlling the in-plane momentum (propagation direction) while displaying the holographic image by controlling the wavefront with the sub-wavelength resolution have not yet been reported. The methods for active control of the interaction between light and optical nanostructures to support actively controllable high in-plane momentum of wavefronts are required to overcome the limitations of conventional wavefront modulators such as the birefringence of liquid crystals and the fringing effect of the electric field. In this thesis, we present studies on the manipulation of large in-plane momentum components of wavefront based optical nanostructure in the two themes. The first is metasurface based holographic stereogram, which explains the strategies to achieve free control of in-plane momentum and display angle-dependent three-dimensional holographic images by manipulating the amplitude and phase distribution of the wavefronts. Also, we demonstrate a wide viewing angle from −50$^\circ$ to +50$^\circ$ degrees using 212 $\mu$m × 70 $\mu$m metasurface containing 180179 nanostructures. The second is the nanoantenna array for active phase control pixels, which introduces the method to achieve wavelength-scale active phase control pixels using the combined structure of nanoantenna array and liquid crystal. Here, we figure out appropriated nanostructure to support full phase control with 1 −µm-thick liquid crystal layer and demonstrate active phase control by the fabricated optical nanostructures.
광학 파면 제어는 실험실, 산업, 국가 안보 및 개인 장치에서 모든 광학적 응용을 실현하는 핵심이다. 최근, 메타표면 홀로그램, 메타-렌즈 및 메타-분광 편광계와 같은 초소형 광학 장치의 실현이 나노 구조에 기반한 광 파면 조작으로 입증되었다. 파장 이하 크기의 나노 구조의 배열인 메타표면은 파장 이하의 공간 분해능으로 파면을 조작 할 수 있게 한다. 초박형 광학 필름으로 다중 회절 없이 전파 방향 제어를 가능하게 한다. 아직 파장 이하 분해능으로 파면을 제어해 홀로그램을 구현하면서 면내 운동량(전파 방향)까지 동시에 제어 하는 연구는 소개되지 않았다. 능동적으로 파면의 면내 운동량을 제어하기 위해서는 기존 파면 변조 장비의
한계인 액정의 복굴절 및 전기장의 프린징 효과를 극복할수 있는 빛과 광학 나노 구조 사이의 상호 작용을 능동적으로 제어하는 방법이 필요하다. 이 논문에서는 광학 나노 구조에 기반한 파면의 큰 면내 운동량 성분의 조작에 관한 두 가지 연구를 제시한다. 첫 번째는 메타 표면 기반 홀로그래픽 스테레오 그램으로, 면내 운동량의 자유로운 제어를 달성하고 파면의 진폭 및 위상 분포를 조작하여 각도에 따른 3 차원 홀로그램 이미지를 표시하는 연구를 설명한다. 이 연구에서 180179 개의 나노 구조로 구성된 212 $\mu$m × 70 $\mu$m 메타 표면을 제작하여 사용하여 −50$^\circ$에서 +50$^\circ$까지 넓은 시야각을 구현하였다. 두 번째는 능동 위상 제어 픽셀을 위한 나노 안테나 배열로, 이는 나노 안테나 배열과 액정의 결합 된 구조를 사용하여 파장 크기의 능동 위상 제어 픽셀을 달성하는 방법을 소개한다. 1 µm 두께의 액정 층으로 전체 위상 제어를 지원하고 제조 된 광학 나노 구조에 의한 능동 위상 제어를 보여주기 위해 적절한 나노 구조를 밝혔다
