Single-Beam-Based Geometric Phase Hologram Replication Optics Using Self-Interference Effect = 자가간섭 효과를 이용한 단일광 기반 기하위상 홀로그램 복제 광학계

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 Quarter-waveplate( QWP ) 조건에서 동작하는 기하위상(GP) 소자의 편광 분리 특성을 활용하여, **대면적 임의 파면(large-aperture arbitrary wavefront)**을 쉽고 빠르게 복제하는 새로운 제작 방식을 제안한다. QWP 기반 GP 소자는 출력광의 50%만 위상 변조되고, 나머지 50%는 초기 편광·위상을 유지한 채 통과한다. 이 두 성분 간의 편광 자기간섭(self-interference)을 이용하면, 기존처럼 참조광을 분리하는 간섭계(Mach–Zehnder)가 필요 없다. 따라서, 입사광 조건을 고려한 QWP GP 패턴 마스크 설계만으로, SLM 기반 복잡파면을 대면적에서 빠르게 기록하고 복제할 수 있다. 이는 기존 LC-기반 GP 제작 방식이나 직접 기록(direct writing) 대비 광학 구조가 단순, 시스템 안정성 증가, 제작 속도 향상, 대면적 확장 용이성을 제공한다. 제안된 방식은 복잡 위상 프로파일의 대량 생산에 적합하며, 다양한 실용 광학 소자(GP 렌즈, 메타홀로그램 등)에 적용 가능한 효율적이고 비용 효율적인 제조 전략을 제시한다. 또한 광학계의 수십 마이크로미터 수준의 짧은 광기록 구조 및 자가간섭에 기반한 기록원리에 의해 홀로그램 기록에 있어 광원의 coherence를 극복할 수 있으며 더 나아가 임의 파면을 지니는 대면적 고효율 소자의 양산 가능성을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• 2. RESEARCH BACKGROUND. 6
• 2.1 Conventional holographic recording system 6
• 2.1.1 Principle of holographic recording 6
• 2.1.2 Limitations of conventional two-beam holographic recording 8
• 2.2 Principle of polarization interference and geometric phase hologram 10
• 2.2.1 Physical mechanisms of phase delay via GPH 10
• 2.2.2 LC-based GPH optical element fabrication using polarization interference 14
• 3. Phase profile for quarter-waveplate-based GPH template 19
• 3.1 Polarization analysis for arbitrary phase recording via spatial light modulator 19
• 3.2 Aperture re-scaling scheme 25
• 4. GPH replication enabled by QWP GPH template 32
• 4.1 QWP GPH template 32
• 4.2 GPH replication by self-interference through QWP GPH template. 35
• 4.3 GPH replication using incoherent single-beam source 43
• 5. CONCLUSION 47
• REFERENCE 49
• 국문 초록 (Abstract) 52