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(충북대학교, 충북대학교 대학원)

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김경완
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본 논문에서는 테라 헤르츠 전자기파(Terahertz wave)를 광원으로 사용한 테라 헤르츠-펌프 / 테라 헤르츠-프로브 분광장치(THz-pump / THz-probe spectrometer)와 관련된 이론과 설치방법에 대해 설명하였다.
펌프 / 프로브 분광장치는 Ahmed H. Zewail 이 개발한 방법으로 1999년에 노벨 화학상을 받았다. 펌프 / 프로브 분광방법은 물질의 특성을 분석하는데 매우 유용한 방법으로, 사용 목적에 따라 펌프 빔과 프로브 빔의 광원으로 다양한 전자기파를 사용할 수 있어 물리학을 포함한 여러 분야에서 물질의 특성 분석을 위해 많이 사용되고 있다.
본 논문에서는 펌프 빔과 프로브 빔의 광원으로 테라 헤르츠 전자기파를 사용하였다. 테라 헤르츠 전자기파는 주파수 영역이 수 테라 헤르츠(0.1 - 10 THz)인 전자기파를 말한다. 테라 헤르츠 전자기파는 광파와 전파 사이의 영역으로 일반적인 광파의 생성방법이나 전파의 생성방법으로 생성하기 힘들다는 단점이 있다. 하지만, 다양한 물질들에 대해 투과성이 좋으며 에너지가 낮아 시료에 손상을 주지 않는 특성을 가지고 있기 때문에 물리학과 의학, 군사장비 등에 유용하게 사용되는 광원이다. 테라 헤르츠 전자기파의 생성방법으로는 비선형 광학 결정을 사용한 방법과 광전도 안테나를 사용한 방법이 대표적이며, 양자폭포레이저를 사용한 방법 등 다양한 방법들이 개발되어 사용 중에 있다.
본 논문에서 사용한 테라 헤르츠 전자기파는 비선형 결정의 비선형 광학 효과를 이용해 생성하였다.
우선, 펌프용 테라 헤르츠 전자기파는 LiNbO3 결정을 사용하여 생성하였다. LiNbO3 결정으로 테라 헤르츠 펄스를 생성하기 위해서는 두 가지 위상정합조건을 맞추어 주어야 한다. 하나는 기울어진 빔 앞면을 생성하여 레이저 면적에 대한 위상정합 조건을 갖추는 것이고, 다른 하나는 결정 내부에서 발생된 펄스들의 위상정합을 고려하여 프리즘 형태의 LiNbO3 결정을 사용하는 것이다. LiNbO3 결정을 사용하는 방법은 테라 헤르츠 펄스의 생성법이 까다롭지만 강력한 테라 헤르츠 펄스를 생성 할 수 있다. 따라서 펌프용 빔으로 사용하기에 적합한 테라 헤르츠 펄스를 생성 할 수 있다.
다음으로, 프로브용 테라 헤르츠 전자기파는 ZnTe 결정을 사용하여 생성하였다. ZnTe 결정을 사용하는 경우의 가장 큰 장점은, LiNbO3 결정을 사용하는 것보다 위상정합 조건이 까다롭지 않다는 것이다. 또한, 보다 넓은 주파수 영역을 생성하기 때문에 프로브용 빔으로 사용하기에 적합한 테라 헤르츠 펄스를 생성 할 수 있다.
이와 같이 생성된 펌프 빔과 프로브 빔은 4-인치 타원형 구면거울을 사용하여 펌프 / 프로브 분광장치의 여건을 만들어 주었다. 대 면적 타원형 곡면거울의 광축에 각각 수평하게 입사한 펌프 빔과 프로브 빔은 타원형 곡면거울의 한 초점에 집광되어 자연스럽게 두 빔이 겹침되는 것을 이용한 방법이다.
시료를 지난 테라 헤르츠 펄스는 전기-광학 표본추출법을 사용해 측정하였다. 이 때, 펌프 빔으로 사용된 테라 헤르츠 펄스는 10 kV/cm 의 정점 전기장 세기(Peak field intensity)를 보였고, 프로브 빔은 0.75THz 를 기준으로 약 1THz 밴드 폭(Band width)의 스펙트럼을 보였다.
#테라헤르츠 #테라 헤르츠 #펌프 프로브 #비선형 결정 #차주파수

목차

  1. Ⅰ. 서 론 1
    1.1 펌프 / 프로브 분광법 1
    1.2 테라 헤르츠 전자기파 3
    Ⅱ. 본 론 5
    2.1 비선형 결정에서의 테라 헤르츠 전자기파 생성 원리 5
    2.1.1 비선형 광학 5
    2.1.2 물질의 분극 5
    2.1.3 비선형 결정 7
    2.2 차주파수 발생과 광 정류 8
    2.2.1 차주파수 발생 8
    2.2.2 광 정류 9
    2.3 LiNbO3결정을 사용한 테라 헤르츠 전자기파 발생 방법 11
    2.3.1 LiNbO3결정 내에서의 위상정합 11
    2.3.2 LiNbO3결정을 사용한 테라 헤르츠 펄스 발생장치 설치 19
    2.4 ZnTe결정을 사용한 테라 헤르츠 전자기파 발생 방법 22
    2.4.1 ZnTe결정 내에서의 위상정합 22
    2.4.2 ZnTe결정을 사용한 테라 헤르츠 펄스 발생장치 설치 25
    2.5 테라 헤르츠-펌프/테라 헤르츠-프로브 분광기 설계 26
    2.6 전기-광학 표본추출법을 사용한 테라 헤르츠 펄스 측정법 28
    Ⅲ. 실험결과 33
    3.1 펌프용 테라 헤르츠 펄스 특성 및 시료에서의 빔 크기 33
    3.1.1 펌프용 테라 헤르츠 펄스의 특성 33
    3.1.2 펌프용 테라 헤르츠 펄스의 시료 위치에서 빔 크기 37
    3.2 프로브용 테라 헤르츠 펄스 특성 및 시료에서의 빔 크기 38
    3.2.1 프로브용 테라 헤르츠 펄스 특성 38
    3.2.2 프로브용 테라 헤르츠 펄스의 시료 위치에서 빔 크기 40
    Ⅳ. 결 론 42
    4.1 결론 42
    4.2 추가계획 43
    참고문헌 44

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