High-Q Metallic Fano Metamaterials for Highly Efficient Cerenkov Lasing

체렌코프 효과는 입자 가속 및 검출, 의료영상진단, 고출력 광원의 응용에 널리 이용되고 있다. 하지만 일반적인 유전체의 경우 체렌코프 빛의 높은 위상 및 군속도로 인해 높은 하전입자의 문턱 운동에너지가 요구되며 이로 인해 장비의 규모와 출력 효율에 제한이 존재한다. 또한 강한 입자의 운동에너지로 인한 유전체의 열적 그리고 정전적 파괴가 동반된다. 박건식 교수 연구팀은 본 논문에서 파장보다 작은 슬릿들의 구조적 비대칭 배열로 이루어진 금속 Fano 메타물질의 무한대에 가까운 비등방성을 이용하면 물질 내부에 갇힌 빛의 군속도를 거의 0에 가깝게 낮출 수 있고 또한 구조적 비대칭성으로 인한 가두어진 빛의 방사적 감쇠를 억제함으로서 매우 높은 Q 인자를 얻을 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 더불어 본 논문에서 제안한 높은 Q 인자 Fano 메타물질을 통해 종래의 방법보다 수 백배 이상 높은 효율로 결맞은 체렌코프 빛의 발생 가능성을 제시하였으며 초소형 고출력 테라헤르츠파원의 개발에 활용될 전망이다.

Abstract: A high‐quality‐factor (high‐Q) metallic Fano metamaterial is demonstrated both experimentally and theoretically. This material is suitable for highly efficient Cerenkov lasing in which subwavelength metallic slits are arranged to form asymmetric unit cells. In contrast to conventional dielectric Cerenkov or Smith–Purcell devices, in the proposed device, convection electrons traverse the high‐Q metallic metamaterial. The interplay between an extremely low group velocity from the infinite transverse permittivity of the anisotropic metamaterial and the subradiant damping from a Fano‐type slit mode is shown to be responsible for the high‐Q value, which is measured to be unprecedented at 700. The resulting improvement in the Cerenkov lasing efficiency is estimated to be more than two orders of magnitude using a particle‐in‐cell simulation.

Authors: Seontae Kim, In-Keun Baek, Ranajoy Bhattacharya, Dongpyo Hong, Matlabjon Sattorov, Anirban Bera, Jin-Kyu So, Dai-Sik Kim, Gun-Sik Park

Advanced Optical Materials
Publication Date (Web): 19 June 2018
DOI: https://doi.org/10.1002/adom.201870046
DOI: https://doi.org/10.1002/adom.201800041