Terahertz endoscopy has great potential for detecting cancers in early stage. The terahertz frequency regime is highly sensitive to physiological characteristics related to a water molecule, since the vibration and rotational energy states of the water molecule corresponds to the terahertz frequency regime. However, also the absorption due to water is high, development of a high power terahertz emitter is demanded to implement the terahertz endoscopy for clinical applications.
A photoconductive(PC) emitter optically pumped by a Ti:Sapphire oscillator is one of the most widely used terahertz emitter systems in these days. Currently reported high power terahertz PC emitter employs an interdigitated electrode arrays with narrow gaps. An advantage of this structure is that the terahertz wave emitted from the each electrode gap constructively interferes at far field that results in a high intensity of the terahertz wave. If the optical pumping area becomes large, the more number of gaps participate in interference so that a further higher intensity of the terahertz wave can be obtained. To achieve this, however, the photocarrier transition rate should be enhanced to compensate the lowering of intensity of pump beam while it illuminates a wide area. This is the case with any other typical PC emitters. The emission power of terahertz PC emitter can be further enhanced with increasing optical pumping power to obtain higher carrier transition rate. A Ti:Sapphire amplifier laser system can be used for achieving higher power optical pumping than that of the Ti:Sapphire oscillator system, yet the cost efficiency is low.
In this work, a THz photoconductive antenna(PCA) with high carrier transition rate under optical pumping of Ti:Sapphire oscillator system is demonstrated via surface plasmon excitation using hierarchically patterned silver nanoislands, namely a plasmon enhanced photoconductive antenna(P-PCA). Silver nanoislands with a diameter of 20nm is hierarchically patterned around the center of the photoconductive gap between two electrodes of a bow-tie antenna. The nanoislands are formed on a semi-insulating GaAs substrate by deposition of silver film followed by thermal annealing. The electric field amplitude of the incident pump laser beam is resonantly enhanced. Also the scattering of pump beam toward the substrate is enhanced so that higher carrier transition rate is obtained. The emitted amplitude of terahertz waves from the antenna is measured with a conventional terahertz time-domain spectroscopy. A control antenna without silver nanoislands is also fabricated and measured for comparison. The peak-to-peak amplitude of terahertz wave emitted from plasmon enhanced PC antenna is 1.6 and 1.3 times enhanced compared to the control antenna.
In conclusion, this work demonstrates a high power terahertz PC antenna via surface plasmon resonance. The peak-to-peak amplitude of the emitted terahertz wave is 1.6 and 1.3 times enhanced compared to the control antenna. The P-PCA has much potential for terahertz endoscopic imaging which needs high power terahertz emitters.
테라헤르츠 시간 분광 영상법은 소화기관 내 조기암 진단을 위한 내시경 영상 기법으로써 높은 잠재력을 가지고 있다. 물 분자 rotation과 vibration의 energy state가 테라헤르츠 주파수 영역에 해당하므로, 테라헤르츠 주파수 영역을 이용할 시 암 조직의 수분 함량 변화와 같은, 수분과 관련된 생리적 특성을 다른 주파수 영역에 비해 높은 민감도로 측정할 수 있다. 또한, 분광 영상을 통해 획득한 분광 정보를 통해 생체 물질에 관한 높은 선택성을 얻을 수 있는 점 또한 테라헤르츠 시간 분광 영상법이 가지는 장점이다. 하지만 수분으로 인한 흡수 또한 매우 높으므로, 실제 임상에서 내시경으로 활용하기 위해서는 높은 출력을 갖는 테라헤르츠 생성 소자의 개발이 요구된다.
광전도 테라헤르츠 에미터와 Ti:Sapphire oscillator 레이저로 구성된 시스템은 그 구조가 간단하고, 상대적으로 높은 테라헤르츠 파 출력을 가지므로 현재 가장 널리 사용되고 있는 테라헤르츠 파 생성 방법 중 하나이다. 현재까지 보고된 고출력 테라헤르츠 광전도 에미터는 깎지 구조의 전극을 좁은 간격으로 배열한 구조를 가지고 있다. 이와 같은 구조를 이용할 시 각각의 광전도 영역으로부터 발생한 테라헤르츠 파가 원방 영역(far field)에서 보강 간섭을 일으킴으로써 높은 테라헤르츠 파의 강도(intensity)를 형성할 수 있는 장점이 있다. 이 때 더욱 높은 강도의 테라헤르츠 파를 얻기 위해서는 광전도 에미터의 넓은 영역을 펌프 레이저로 조사(illumination)함으로써, 더욱 많은 수의 광전도 영역이 보강 간섭에 참여하도록 할 수 있다. 하지만 이 때 더욱 넓은 영역을 조사함으로써 감소되는 펌프 빔의 강도(intensity)로 인해 각각의 광전도 영역에서 전하 운반자(carrier)의 광여기율(photocarrier transition rate)이 감소하게 되므로, 이를 보완해줄 필요가 있다. 이를 위해 Ti:Sapphire oscillator laser에 비해 높은 출력을 갖는 amplified laser를 사용할 수 있지만 그 비용면에서 효율이 낮아지게 된다. 본 연구에서는 광전도 안테나 상에 은 나노 입자를 계층적으로 패터닝함으로써 발생된 표면 플라즈몬 공명 현상(surface plasmon resonance)을 통해, 입사된 펌프 레이저 빔의 전계 강도 및 산란을 통한 기판으로의 광결합(optical coupling) 을 강화하여, 높은 광여기율을 가지는 테라헤르츠 광전도 안테나를 제작하였다
플라즈몬 공명 현상의 광전자 소자로의 응용에 있어, 산란의 강화가 중요한 역할을 하게 된다. 이 때 산란 강화의 정도는 금속 나노 입자가 타원형을 이룰 수록, 그리고 그 크기가 증가할 수록 증가하게 된다. 이 같은 형상의 은 나노 입자를 형성하기 위해, 공정 조건을 최적화하는 실험을 수행하였다. 은 나노 입자는 매우 작은 은 나노 입자의 콜로이드 용액을 기판 상에 스핀 코팅하고 그것을 가열함으로써 형성하는 방법과, E-beam evaporation을 통해 은 박막을 증착하고 그것을 가열함으로써 형성하는 방법을 통해 형성되었다. 이 때 사용된 콜로이드 용액의 농도가 높아지거나 증착된 박막의 두께가 높을 수록, 은 나노 입자의 크기가 가장 크고 그 형상 또한 타원형에 가까웠다. 형성된 은 나노 입자로부터 산란된 빛의 spectrum을 dark filed objective lens를 이용해 측정한 결과, 10% 무게 농도의 용액을 사용한 경우와 20nm의 박막을 증착한 경우, 펌프 빔의 파장인 800nm에서 가장 높은 산란 효과를 보였다. 이와 같이 확립된 조건을 토대로, 90도 각도의 보우-타이 형 광전도 안테나를 제작하였다. 형성된 은 나노 입자는 약 $800 \microm$ 의 원형 영역에 걸쳐 계층적으로 패터닝 되어 있다. 비교를 위해 은 나노 입자가 없는 보우-타이 형 광전도 안테나 또한 제작되었다.
일반적인 테라헤르츠 시간 분광 영상 셋업을 이용해, 제작된 플라즈모닉 안테나로부터 생성된 테라헤르츠 파의 시간-영역 파형이 측정되었다. 측정에 사용된 시간 분광 영상 셋업은 electro-optic sampling의 셋업을 따르고 있다. 측정에 사용된 펌프 빔과 프로브 빔은 평균 출력 142mW, 중심 파장 800nm, 반복 주파수 78MHz, 펄스 폭 10fs의 Ti:Sapphire oscillator를 사용하였다.
측정 결과 콜로이드 용액을 사용한 플라즈모닉 광전도 안테나는 일반적은 광전도 안테나에 비해 1.6배 높은 peak-to-peak 진폭을 보였고, 은 박막을 이용한 플라즈모닉 광전도 안테나는 1.3 배 향상된 peak-to-peak 진폭을 보였다. 시간 영역 파형을 Fourier transform한 결과로 얻어진 주파수 영역에서 그 특성을 보면 제작된 광전도 안테나의 대역폭은 약 1THz 이상으로, 은 나노 입자로 인한 주파수 특성의 변화는 없는 것으로 측정되었다.
본 연구는 테라헤르츠 광전도 에미터의 광여기율을 높이기 위해 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광전도 안테나를 제작하였다. 표면 플라즈몬 공명 현상을 통한 광전도 여기율 향상 정도는 은 나노 입자의 형상에 따라 달라지게 되므로, 은 나노 입자의 형상을 조절하기 위한 공정 과정의 최적화를 수행하였다. 이를 통해 확립된 광전도 안테나는 일반적인 광전도 안테나에 비해 $1.3 \sim 1.6배$ 향상된 peak-to-peak 진폭을 가지는 것으로 측정되었다. 이 때 은 나노 입자로 인한 대역폭의 변화는 없었다. 향후, 은 나노 입자의 형성 과정을 조절함으로써 현재보다 더 큰 입자를 형성 할 경우 더욱 높은 출력 향상 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
