역설계 이중층 회절구조로 구현하는 재구성 가능한 테라헤르츠 곡선 빔

초록

본 논문은 두 개의 위상 전용 회절층을 역설계하여 테라헤르츠(THz) 영역에서 임의의 곡선 경로를 따라 전파되는 빔을 생성하고, 두 번째 층을 180° 회전함으로써 동일한 장치에서 서로 다른 곡선 궤적을 재구성하는 방법을 제시한다. 설계는 PyTorch 기반의 그래디언트 최적화와 스칼라 각스펙트럼 전파 모델을 이용했으며, ABS‑계열 광경화성 수지를 3D 프린팅으로 제작한 후 THz 카메라로 실험 검증하였다. 결과는 설계된 두 곡선 궤적이 실험적으로도 정확히 구현됨을 보여주며, 활성 물질 없이 패시브하게 궤적을 제어할 수 있는 새로운 플랫폼의 가능성을 제시한다.

상세 분석

이 연구는 테라헤르츠 파장에서 전자기 빔을 임의의 곡선 경로로 유도하는 ‘궤적 엔지니어링’ 개념을 실현하기 위해, 전통적인 Airy 빔과 같은 자체 가속 해법에 의존하지 않는 전혀 새로운 설계 방식을 도입한다. 핵심은 두 개의 위상 전용 회절요소(DOE)를 이중층 구조로 배치하고, 각각을 역설계(inverse design) 과정에서 최적화한다는 점이다. 설계 주파수는 0.3 THz(λ≈1 mm)이며, 각 회절층은 80 mm × 80 mm 크기에 0.1 mm×0.1 mm 픽셀 해상도로 디지털화된다. 이는 파장보다 훨씬 작은 피처를 제공해 정밀한 위상 조절이 가능하도록 한다.

역설계는 PyTorch를 이용한 자동 미분 프레임워크와 Adam 옵티마이저를 활용한다. 두 층의 위상값을 학습 가능한 텐서로 정의하고, 목표 곡선 궤적을 따라 전파되는 전기장 강도의 제곱 오차(mean‑squared‑error)를 손실함수로 설정한다. 손실함수는 여러 목표 평면(z=45 mm~155 mm, 5 mm 간격)에서의 강도 분포와 설계된 목표 강도 분포 사이의 차이를 평균화한 형태이며, 두 궤적에 대한 가중치를 조절해 동시에 최적화한다. 각 반복에서 가우시안 입사 빔(waist = 30 mm)을 각스펙트럼 방법으로 전파시켜, 0°와 180° 회전 두 경우에 대한 강도 프로파일을 계산한다. 대칭성을 y축에 강제함으로써 파라미터 수를 절반(800 × 400)으로 줄였으며, FFT 경계 효과를 최소화하기 위해 400픽셀씩 zero‑padding을 적용해 1600 × 1600 계산 영역을 사용한다. 최적화는 1000회 반복, GPU(NVIDIA RTX A2000) 가속 하에 약 4분 내에 수렴한다.

위상값을 실제 물리적 높이 프로파일로 변환할 때는 재료의 굴절률(n≈1.5)과 파장 관계를 이용한다. 최종 설계는 각 회절층에 1 mm 두께의 균일 베이스를 추가해 3D 프린팅 공정의 내구성을 확보한다. 제작은 고해상도 SLA 프린터(Saturn 4 Ultra 16K)를 사용해 투명 수지를 3D 프린팅했으며, 두 층을 정밀히 정렬한 뒤 180° 회전만으로 두 가지 서로 다른 곡선 빔을 생성한다.

실험에서는 0.3 THz 소스와 두 개의 프레넬 렌즈(FL1, FL2)를 이용해 입사 빔을 평탄화한 뒤, 제작된 이중층 회절구조를 통과시켰다. 결과 빔은 THz Tera‑1024 카메라(32 × 32 픽셀, 피치 = 1.5 mm)로 z축을 따라 5 mm 간격으로 측정되었으며, y‑z 평면에서 곡선 궤적이 명확히 드러났다. 회전 전후의 빔은 각각 중간 정도의 곡률과 더 큰 곡률을 보였으며, 시뮬레이션과 거의 일치한다. 변환 효율은 설계된 위상 프로파일에 크게 의존하지만, 실험 결과는 60 % 이상(추정)으로 충분히 높은 편이며, 정렬 오차에 대한 민감도 분석도 수행해 실용적인 허용 오차 범위를 제시한다.

이러한 결과는 (1) 패시브 구조만으로도 복잡한 궤적 제어가 가능함을, (2) 역설계 기반 회절요소가 전통적인 해석적 빔(예: Airy)보다 훨씬 자유로운 설계 자유도를 제공함을, (3) 3D 프린팅을 통한 저비용 대량 생산이 가능함을 입증한다. 향후 다층 구조, 연속 회전 혹은 평행 이동 등 추가적인 공간 변환을 결합하면 다중 궤적 혹은 연속적인 빔 스위칭도 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 차단된 라인‑오브‑사이트 환경에서의 THz 무선통신, 그림자 영역을 탐색하는 비전·센싱, 그리고 대형 aperture 시스템에서의 고효율 파동 제어 등 다양한 응용 분야에 새로운 설계 패러다임을 제공한다.