KR100784901B1 - Optical device using depletion coherent anti-stokes raman spectroscopy - Google Patents
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Abstract
제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법(DCARS; Depletion Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy)을 이용하여 회절한계를 극복하고 공간 분해능을 높인 광학 장치에 관한 것이다. 광학 장치는 제거형(depletion) 광을 생성하기 위한 제 1 광학장치와, 반스토크스 광을 발생하기 위한 제 2 광학장치와, 반스토크스 광과 제거형 광을 혼합하여 상기 시료에 조사하기 위한 광학계 및 시료로부터 반사된 광을 검출하기 위한 검출기를 포함한다. The present invention relates to an optical device that overcomes diffraction limits and improves spatial resolution by using decoupling Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (DCARS). The optical device includes a first optical device for generating depletion light, a second optical device for generating anti-stokes light, and a mixture of the anti-stokes light and the removal light for irradiating the sample. And a detector for detecting light reflected from the optical system and the sample.
라만 분광법, 필터, 선형 편광자, 스토크스 광원, 검출기 Raman spectroscopy, filter, linear polarizer, stokes light source, detector
Description
도 1은 일반적인 CARS 신호의 발생 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램.1 is an energy band diagram for explaining a generation principle of a general CARS signal.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법(depletion CARS)을 이용한 광학 장치를 설명하기 위한 개략도.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an optical device using removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy (depletion CARS) according to a preferred embodiment of the present invention. FIG.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 사용되는 가우시안 모드(TEM 00 )와 도우넛 모드(TEM * 01, TEM 01 ) 의 세기가 공간에 분포하는 형상을 도시한 그래프. 3 is a graph illustrating a shape in which the intensity of the Gaussian mode ( TEM 00 ) and the donut mode ( TEM * 01, TEM 01 ) used in the preferred embodiment of the present invention is distributed in space.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제거형 CARS를 이용한 광학장치에 적용되는 제거형 CARS 신호의 발생 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램. Figure 4 is an energy band diagram for explaining the principle of generation of the removable CARS signal applied to the optical device using the removable CARS according to a preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100: 광학장치 110: 제거형 광원100: optical device 110: removable light source
120: 스토크스 광원 130: 펌핑 광원120: Stokes light source 130: pumping light source
104, 105, 106: 제 1 내지 제 3 공간 필터104, 105, and 106: first to third spatial filters
107, 108, 109: 제 1 내지 제 3 선형 편광자107, 108, and 109: first to third linear polarizers
140, 141, 144: 제 1 내지 제 3 거울140, 141, 144: first to third mirrors
142, 143: 제 1 및 제 2 이색성 거울142, 143: first and second dichroic mirrors
150: 모드 발생기150: mode generator
160, 162: 제 1 및 제 2 대물렌즈160, 162: first and second objective lenses
180: 간섭필터 190: 검출기180: interference filter 190: detector
본 발명은 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 이용한 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법(DCARS; Depletion Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy)을 이용하여 회절한계를 극복하고 공간 분해능을 높인 광학 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an optical device using Raman Spectroscopy, and more particularly, to overcome the diffraction limit by using the Depletion Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (DCARS). The present invention relates to an optical device having improved spatial resolution.
잘 알려진 바와 같이, 라만 분광학은 단색광의 빛을 조사한 시료로부터 입사된 단색광과 상이한 파장의 빛이 산란되는 현상으로서, 현재는 적외선 분광법(Infrared Spectroscopy)과 함께 진동 모드의 변화를 추적함으로써 분자의 구조와 특성을 밝히는 학문의 독자적인 영역을 구축하고 있다. As is well known, Raman spectroscopy is a phenomenon in which light of different wavelengths is scattered from monochromatic light irradiated from a sample irradiated with monochromatic light, and now, along with infrared spectroscopy, the change in vibration mode is used to track the structure of the molecule. It is building its own area of study that reveals its characteristics.
이러한 라만 분광법은 약한 세기의 라만 산란광을 이용하는 특성으로 인하여 적외선 분광법보다 먼저 연구가 시작되었음에도 불구하고 발전 속도가 느려서 그 동안 많이 활용되지 못하였으나, 출력의 세기가 향상된 레이저의 출현과 함께 급속도로 발전하여 현재는 여러 분야에서 각광을 받고 있는 중이다. Although Raman spectroscopy has been studied before the infrared spectroscopy due to its characteristic of using weak intensity Raman scattered light, it has not been utilized much because of the slow development rate, but it has rapidly developed with the emergence of laser with improved output intensity. Currently, it is in the spotlight in various fields.
특히, 라만 분광학의 다양한 응용 분야 중 가장 일반적인 예로서 광학 현미 경이 있다. 일반적으로, 광학 현미경은 사용된 빛 파장의 1/3보다 가까운 물질은 구분할 수 없다는 것이 아베(Abbe)에 의해 알려져 있으며, 이는 높은 개구수(N/A; Numerical Aperture)를 가지는 대물렌즈로 빛을 모을 때 회절 현상에 의해 파장의 1/3보다 더 작은 크기의 초점을 만들 수 없기 때문이다. 이에, 토랄도 디 프란시아(Toraldo di Francia)는 원리상 회절한계이하의 분해능을 가질 수 있다는 흥미로운 연구 내용을 Nuovo Cimento, Suppl. 9, 426(1952)에 1952년에 발표하였다. 그러나 실제로 분해능을 높이기가 어려웠으며 회절한계를 극복할 수는 없었다. In particular, the optical microscope is the most common example of various applications of Raman spectroscopy. In general, it is known by Abbe that optical microscopy cannot distinguish materials that are closer than 1/3 of the wavelength of light used, which causes light to be emitted by an objective lens with a high numerical aperture (N / A). This is because, when collected, diffraction cannot produce a focal point smaller than 1/3 of the wavelength. Thus, Toraldo di Francia, in principle, is interested in Nuovo Cimento, Suppl. 9,426 (1952) published in 1952. In practice, however, it was difficult to increase the resolution and the diffraction limits could not be overcome.
또한, 빛의 파동적인 성질 때문에 조사된 빛은 회절을 하게 되어 광학 현미경의 분해능에 한계가 있다는 아베(Abbe)의 법칙을 극복할 수 있는 여기발광 제거 (STED; Stimulated Emission Deletion) 현미경이 스테판 헬(Stefan Hell)에 의하여 "Breaking Abbe's diffraction resolution limit in fluorescence microscopy with stimulated emission depletion beams of various shapes"의 명칭으로 Physical review. E Volume 64, 066613에 2001년 11월에 발표되었다. SETD 현미경은 자연적으로 시료에 존재하거나 인공적으로 주입된 형광색소라고 알려진 형광 분자들을 여기할 수 있는 파장의 광원을 시료에 조사하게 된다. 이때, 시료는 여기 광원을 흡수하여 형광을 내게 되며, 형광을 선택적으로 투과하는 필터를 사용하여 시료를 관찰한다. 즉, 초록색의 레이저를 사용하여 형광을 만들고, 근적외선 영역의 레이저를 사용하여 형광지점의 가장자리에서 방출되는 형광을 제거한다. 두 번째 레이저는 여기된 형광 색소를 형광 없이 바로 기저 준위로 내려올 수 있는 더 높은 에너지 준위로 보내는 역할을 수행한다. In addition, the Stimulated Emission Deletion (STED) microscopy, which overcomes Abbe's law that the irradiated light is diffracted and limits the resolution of the optical microscope due to the wave nature of the light, According to Stefan Hell, "Breaking Abbe's diffraction resolution limit in fluorescence microscopy with stimulated emission depletion beams of various shapes" Physical review. E Volume 64, 066613, published in November 2001. SETD microscopy irradiates the sample with a light source of a wavelength capable of excitation of fluorescent molecules known as fluorescent dyes that are naturally present in or artificially injected into the sample. At this time, the sample absorbs the excitation light source to emit fluorescence, and the sample is observed using a filter that selectively transmits the fluorescence. In other words, the green laser is used to generate fluorescence, and the near-infrared laser is used to remove fluorescence emitted from the edge of the fluorescence point. The second laser serves to send the excited fluorescent dye to a higher energy level which can be lowered directly to the base level without fluorescence.
이러한 SETD 현미경은 형광점의 크기를 육분의 일로 줄이는 효과를 제공하여 회절한계를 넘어서는 분해능을 가지게 하며, 형광점이 종래의 광학 현미경에서 보여주는 이미지의 회절패턴에 비해서 더욱 구형에 가깝다는 장점을 가진다. 하지만, 형광색소를 사용하기 때문에 측정하고자 하는 시료에 변화를 주는 단점을 가지고 있다. The SETD microscope provides the effect of reducing the size of the fluorescence point by one-sixth to have a resolution beyond the diffraction limit, and has the advantage that the fluorescence point is more spherical than the diffraction pattern of the image shown by the conventional optical microscope. However, because it uses a fluorescent pigment has a disadvantage that changes the sample to be measured.
한편, 라만 활성 매질에 고정/가변의 두 레이저 광을 입사시키고 이들의 결합에 의해 얻어지는 반스토크스 방사의 스펙트럼을 측정하는 가간섭성 반스토크스 라만 분광법(CARS; Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy)을 이용한 현미경이 고감도이면서도 형광을 발생하는 매질로부터의 영향을 받지 않는 다는 이유로 널리 사용되고 있다. On the other hand, Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) is used to inject two fixed and variable laser lights into a Raman active medium and measure the spectrum of anti-Stokes radiation obtained by the combination thereof. The microscope used is widely used because of its high sensitivity and no influence from the fluorescence-producing medium.
도 1은 일반적인 CARS 신호의 발생 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다. 1 is an energy band diagram for explaining a generation principle of a general CARS signal.
CARS는 펌핑 광, 스토크스 광 그리고 탐침 광이 시료와 상호작용하여 반스토크스 광을 발생시키는 사파혼합(four wave mixing)과정으로 주파수가 상이한 2개의 레이저빔을 이용한다. 제 1 레이저빔은 스토크스 광(ωs)으로 사용되며 제 2 레이저빔은 펌프 광(ωp)과 탐침 광(ωpro)의 역할을 한다. 즉ωpro의 주파수가 ωp와 동일하다. 그리고 광들의 전기장은 E P(ωp), E S(ωs), E pro(ωpro)(= E P(ωp))이다. 레이저빔이 조사되면 우선 기저상태 υ0=0에 있던 전자들은 펌프 광(ωp)에 의해 가상 의 상태(virtual state)로 여기 되었다가, 스토크스 광(ωs)에 의해 공명 라만산란으로 고유진동주파수가 Ω인 υ1=1 준위로 대부분 천이한다. 이렇게 υ0=0 준위에서 υ1=1 준위로 전이한 전자들은 다시 탐침 광(ωpro)에 의해 ωp+Ω과 같은 가상 상태로 여기된 후 에너지 보존을 만족시키는 주파수 ωas=2ωp-ωs를 가지는 반스토크스 광, 즉 CARS 신호를 방출하며 υ0=0 준위로 천이한다. CARS 신호의 세기는 수학식 1과 같은 비선형 유도분극(induced polarization)의 제곱이다. CARS uses two laser beams of different frequencies in a four wave mixing process in which pumping light, stoke light and probe light interact with a sample to produce anti-stokes light. The first laser beam is used as stokes light ω s and the second laser beam serves as pump light ω p and probe light ω pro . That is, the frequency of ω pro is equal to ω p . And the electric field of the light is E P (ω p ), E S (ω s ), E pro (ω pro ) (= E P (ω p )). When the laser beam is irradiated, the electrons in the ground state υ 0 = 0 are excited to the virtual state by the pump light (ω p ) and then intrinsic to the resonance Raman scattering by the Stokes light (ω s ). Most of the transitions to the υ 1 = 1 level with oscillation frequency Ω. The electrons transitioning from the υ 0 = 0 level to the υ 1 = 1 level are again excited by the probe light (ω pro ) into a virtual state such as ω p + Ω and satisfy the energy conservation ω as = 2ω p − It emits anti-Stokes light with ω s , ie a CARS signal, and transitions to ν 0 = 0 level. The strength of the CARS signal is the square of the nonlinear induced polarization as shown in Equation (1).
여기서 χ(3)는 3차 비선형 감수율이며, 공명 라만에 의한 일반적인 표현은 수학식 2와 같다.Where χ (3) is the third order nonlinear susceptibility, and the general expression by the resonance Raman is shown in
여기서 Γ R 는 라만분광선의 반치폭(HWHM; half-width at half-maximum)Where Γ R Is the half-width at half-maximum (HWHM)
이며, A R 는 라만산란상수이다. And A R is Raman scattering constant.
전술한 바와 같은 CARS 현미경은 공초점 현미경과 같은 분해능을 가지면서도 색소의 발광을 사용하지 않기 때문에 시료 자체에 변화를 주지 않으며, 화학종의 진동준위의 라만을 사용하므로 화학종의 선택성을 가진다는 장점이 있다. 또한 자발방출 라만신호에 비해 105배 큰 신호를 얻을 수 있으며, 사용한 두 레이저광의 주파수와는 다른 반스토크스 주파수를 가지기 때문에 필터등을 사용하여 신호를 분리하기가 용이하지만, 일반적인 다른 광학 현미경과 마찬가지로 회절한계 이상의 분해능을 가질 수 없다는 단점이 있다. As described above, the CARS microscope has the same resolution as the confocal microscope but does not change the sample itself because it does not use the light emission of the pigment. There is this. In addition, the signal can be obtained 10 5 times larger than the spontaneous emission Raman signal, and since it has anti-stokes frequency different from the frequency of the two laser beams used, it is easy to separate the signal using a filter or the like. Likewise, there is a disadvantage that it cannot have a resolution above the diffraction limit.
따라서, 본 발명의 주목적은 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법(DCARS; Depletion Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy)을 이용하여 회절한계를 극복하고 공간 분해능을 높일 수 있는 광학 장치를 제공하는데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical device capable of overcoming the diffraction limit and increasing spatial resolution by using Depletion Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (DCARS).
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 시료에 광을 조사하여 상기 시료의 미세한 부분을 확대하여 관찰하기 위한 광학 장치에 있어서, 제거형(depletion) 광을 생성하기 위한 제 1 광학장치와, 반스토크스 광을 발생하기 위한 제 2 광학장치와, 반스토크스 광과 제거형 광을 혼합하여 상기 시료에 조사하기 위한 광학계 및 시료로부터 반사된 광을 검출하기 위한 검출기를 포함하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. In order to achieve the object of the present invention, the optical device for irradiating light to the sample to enlarge and observe the minute portion of the sample, the first optical device for generating depletion light, and anti-stokes A removable coherent anti-stalk comprising a second optical device for generating light, an optical system for mixing the anti-stokes light and the removal light to irradiate the sample, and a detector for detecting the light reflected from the sample. An optical device using Sraman spectroscopy is provided.
또한, 제 1 광학 장치는 제거형 광을 발생하기 위한 제거형 광원과, 제거형 광의 가우시안 모드를 통과시키는 제 1 공간 필터과, 제 1 공간 필터를 통과한 가우시안 모드의 제거형 광의 선형 편광만을 통과시키는 제 1 선형 편광기 및 제 1 선형 편광기를 통과한 선형 편광된 제거형 광을 도우넛 모드로 변환하기 위한 모드 발생장치를 포함하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. In addition, the first optical device passes only a linear light of a removal type light source for generating the removal light, a first spatial filter through which the Gaussian mode of the removal light passes, and a removal type light of the Gaussian mode through the first spatial filter. An optical device using a removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy comprising a first linear polarizer and a mode generator for converting linearly polarized canceled light that has passed through the first linear polarizer into a doughnut mode.
또한, 제 1 광학 장치는 선형 편광된 제거형 광을 상기 모드 발생장치로 반사하기 위한 제 1 거울을 더 포함하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. The first optical device also provides an optical device using removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy, further comprising a first mirror for reflecting linearly polarized canceled light to the mode generator.
또한, 도우넛 모드는 TEM * 01 또는 TEM 01인 것을 특징으로 하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. In addition, the donut mode provides an optical device using a removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy, characterized in that TEM * 01 or TEM 01 .
또한, 제 2 광학 장치는 펌핑 광을 발생하기 위한 펌핑 광원과, 스토크스 광을 발생하기 위한 스토크스 광원과, 펌핑 광의 가우시안 모드를 통과시키는 제 2 공간 필터와, 펌핑 광의 가우시안 모드를 통과시키기 위한 제 3 공간 필터와, 제 2 공간 필터를 통과한 가우시안 모드의 스토크스 광의 선형 편광만을 통과시키는 제 2 선형 편광기와, 제 3 공간 필터를 통과한 가우시안 모드의 펌핑 광의 선형 편광만을 통과시키는 제 3 선형 편광기와, 제 2 선형 편광기를 통과한 선형 편광된 스토크스 광과 상기 제 3 선형 편광기를 통과한 선형 편광된 펌핑 광을 혼합하기 위한 광학 디바이스를 포함하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. The second optical device also includes a pumping light source for generating pumped light, a stalk light source for generating stalk light, a second spatial filter for passing a Gaussian mode of pumping light, and a Gaussian mode for passing pumping light A third linear filter, a second linear polarizer through which only linearly polarized light of the Stokes light of the Gaussian mode passed through the second spatial filter, and a third linear through which only linearly polarized light of the pumped light of Gaussian mode passed through the third spatial filter A removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy comprising a polarizer and an optical device for mixing the linearly polarized Stokes light passed through the second linear polarizer and the linearly polarized pumped light passed through the third linear polarizer It provides the used optical device.
또한, 광학 디바이스가 제 2 선형 편광기를 통과한 선형 편광된 스토크스 광을 반사시키기 위한 거울 및 제 3 선형 편광기를 통과한 선형 편광된 펌핑 광을 통과시키고 상기 선형 편광된 스토크스 광을 반사시키기 위한 제 1 이색성 필터를 포함하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. In addition, the optical device is configured to reflect the linearly polarized Stokes light and pass the linearly polarized pumping light through the mirror and the third linear polarizer to reflect the linearly polarized Stokes light passed through the second linear polarizer. An optical device using a removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy comprising a first dichroic filter is provided.
또한, 광학계는 모드 발생장치로부터 변조된 도우넛 모드의 제거형 광을 반사시키고 상기 제 1 이색성 필터로부터 반사된 광을 통과시키는 제 2 이색성 필터 및 제 2 이색성 필터를 통과한 광을 상기 시료로 반사하기 위한 제 3 거울을 포함하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. In addition, the optical system reflects the light passing through the second dichroic filter and the second dichroic filter for reflecting the light of the donut mode modulated from the mode generator and passing the light reflected from the first dichroic filter. An optical device using a removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy comprising a third mirror for reflecting is provided.
또한, 제 3 거울과 상기 시료 사이에 제 3 거울로부터 반사된 광을 집속시키기 위한 제 1 대물렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. The present invention also provides an optical device using a removable coherent anti-stokes Raman spectroscopy comprising a first objective lens for focusing light reflected from a third mirror between a third mirror and the sample.
또한, 시료와 상기 검출기 사이에 상기 검출기로부터 반사된 광을 집속시키기 위한 제 2 대물렌즈 및 제 2 대물렌즈로부터 집속된 광에서 반스토크스 라만 분광 신호만을 통과시키기 위한 간섭 필터를 포함하는 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법을 이용한 광학 장치를 제공한다. Also, a cancellation type including a second objective lens for focusing the light reflected from the detector between the sample and the detector and an interference filter for passing only the anti-Stokes Raman spectroscopic signal in the light focused from the second objective lens. An optical device using coherent anti-stokes Raman spectroscopy is provided.
이하, 본 발명의 목적들을 첨부된 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the objects of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제거형 가간섭성 반스토크스 라만 분광법(DCARS; Depletion Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy)을 이용한 광학 장치를 설명하기 위한 개략도이다. 2 is a schematic diagram illustrating an optical apparatus using Depletion Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (DCARS) according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제거형 CARS를 이용한 광학 장치(100)는 서로 다른 파장을 가지는 제거형 광원(110), 스톡크스 광원(120) 및 펌핑 광원(130), 제 1 내지 제 3 공간 필터(spatial filters)(104, 105, 106), 제 1 내지 제 3 선형 편광기(linear polarizers)(107, 108, 109), 광의 진행경로를 바꾸기 위한 제 1 내지 제 3 거울(140, 141, 144), 광을 투과 혹은 반사시키는 제 1 및 제 2 이색성 거울(dichroic mirrors)(142, 143), 가우시안 레이저빔을 도우넛 모드(TEM*01 , TEM 01)로 만드는 모드 발생장치(150), 입사광을 집속시키는 대물렌즈(160), 시료에서 발생한 DCARS 신호가 제거된 CARS 신호를 집속하는 대물렌즈(170), CARS 광만을 통과시키는 간섭필터(180) 및 CARS 광을 수광하는 검출기(190)를 포함한다. Referring to FIG. 2, the
본 발명의 실시예에 따르면, 제거형 광원(110), 스톡크스 광원(120) 및 펌핑 광원(130)은 예를 들어 레이저를 사용하였으며, 제 1 내지 제 3 공간 필터(104, 105, 106)는 각각의 광원에서 발생된 광의 모드 중 가우시안 모드(TEM 00)만을 통과시키도록 구성하였다. 그리고 제 1 내지 제 3 선형 편광기(107, 108, 109)는 선형 편광만을 통과시키며, 제 1 내지 제 3 공간 필터(104, 105, 106)는 각각의 광원과 제 1 내지 제 3 선형 편광기들(107, 108, 109) 사이에 배치된다. 즉, 제 1 공간 필터(104)는 제거형 광원(110)과 제 1 선형 편광기(107) 사이에 배치되고, 제 2 공간 필터(105)는 스토크스 광원(120)과 제 2 선형 편광기(108) 사이에 배치되며, 제 3 공간 필터(106)는 펌핑 광원(130)과 제 3 선형 편광기(109) 사이에 배치된다. According to an embodiment of the present invention, the removable
그리고 제 1 거울(140)은 제 1 선형 편광기(107)와 모드 발생장치(150) 사이에 배치되어서 제거형 광원(110)으로부터 발생되어 공간 필터(104)와 선형 편광기(107)를 순차적으로 거친 레이저빔을 모드 발생장치(140)로 반사시키게 된다. The
한편, 제 2 거울(141)은 제 2 선형 편광기(108)와 제 1 이색성 거울(142) 사이에 배치되어 제 2 공간 필터(105)와 제 2 선형 편광기(108)를 통과한 스토크스 광원(120)으로부터 발생된 레이저빔이 제 1 이색성 거울(142)로 반사되도록 한다. 그리고 제 1 이색성 거울(142)은 제 3 선형 편광기(109)와 제 2 이색성 거울(143) 사이에 배치되어 제 1 거울(141)로부터 반사된 레이저빔을 제 2 이색성 거울(143)로 반사함과 동시에 제 3 공간 필터(106)와 제 3 선형 편광기(109)를 통과한 펌핑 광원(130)으로부터 발생된 레이저빔을 통과시킨다. Meanwhile, the
따라서, 제 2 거울(142)로부터 반사된 레이저빔과 제 1 이색성 거울(142)를 통과한 레이저빔이 혼합된 후, 혼합된 레이저빔은 제 2 이색성 거울(143)을 통과하게 된다. Therefore, after the laser beam reflected from the
반면, 제 1 공간 필터(104)와 제 1 선형 편광기(107)를 순차적으로 통과한 제거형 광원(110)으로부터 발생된 레이저빔은 제 1 거울(140)에 의하여 반사되어 모드 발생장치(150)로 입사된다. 이때, 모드 발생장치(150)는 TEM 00의 가우시안 모드를 가지는 레이저빔을 TEM * 01 또는 TEM 01의 도우넛 모드를 가지는 레이저빔으로 변조하는 장치이다. On the other hand, the laser beam generated from the removable
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 사용되는 가우시안 모드(TEM 00)와 도우넛 모드(TEM * 01 , TEM 01)의 세기가 공간에 분포하는 형상을 도시한 그래프이다. 3 is a graph illustrating a shape in which the intensity of the Gaussian mode ( TEM 00 ) and the donut mode ( TEM * 01 , TEM 01 ) used in the preferred embodiment of the present invention is distributed in space.
가우시안 모드를 가지는 레이저빔을 도우넛 모드를 가지는 레이저빔으로 변조하는 방법으로는: 1) 레이저의 공동(cavity)내에 가는 선과 핀홀을 넣어 선형 편광된 TEM 01 모드로 발진시킨 후 마하젠더 간섭계를 사용하여 TEM * 01 의 도우넛 모드를 만들 수 있으며; 2) 유리 판(glass plate)에 MgF2를 1㎛두께로 코팅하여 제작된 이진 위상판(binary phase plate)과 마하젠더 간섭계에 사용하여 도우넛 모드를 만들 수 있으며; 그리고 3) 컴퓨터 제어 홀로그램을 사용하거나, 회절광학소자(DOE; Diffractive Optical Element) 등등을 사용하여 도우넛 모드를 만들 수 있다. To modulate a laser beam with Gaussian mode into a laser beam with donut mode: 1) oscillate in linearly polarized TEM 01 mode by inserting thin lines and pinholes in the cavity of the laser and then using a Mach-Zehnder interferometer. Create donut mode of TEM * 01 ; 2) A donut mode can be made by using a binary phase plate and a Mach-Zehnometer interferometer made by coating MgF 2 with a 1 μm thickness on a glass plate; And 3) a donut mode can be made using a computer controlled hologram or using a diffractive optical element (DOE).
다시 도 2를 참조하면, 모드 발생장치(150)로부터 변조된 TEM * 01 또는 TEM 01의 도우넛 모드를 가지는 레이저빔은 제 2 이색성 거울(143)에 입사하게 되며, 한편 제 1 이색성 거울(142)을 통과한 레이저빔은 제 2 이색성 거울(143)을 통과하게 됨으로써 이들 레이저빔들은 혼합되어 제 3 거울(144)로 전달된다. Referring back to FIG. 2, a laser beam having a donut mode of TEM * 01 or TEM 01 modulated from the
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DCARS 신호를 이용한 광학장치에 적용되는 DCARS 신호가 제거된 CARS 신호의 발생 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다. FIG. 4 is an energy band diagram illustrating a generation principle of a CARS signal from which a DCARS signal is applied to an optical apparatus using a DCARS signal according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 도 4의 참조부호는 도 1에서 도시한 종래의 일반적인 CARS 에서 사용되는 참조부호와 동일한 의미를 나타낸다. 즉, υ0=0에 있던 전자들은 펌프광(ωp)에 의해 가상 상태로 여기 되었다가, 스토크스 광(ωs)에 의해 공명 라만산란으로 고유진동 주파수가 Ω인 υ1=1 준위로 대부분 천이하게 된다. 이렇게 천이된 υ1=1의 전자들은 일반적인 CARS와 같이 탐침 광(ωp)에 의해 여기된 후 CARS 신호(ωas)를 만들거나 제거형 탐침 광(ωdp)에 의해 여기된 후 DCARS 신호(ωdas)를 만들게 된다. Referring to FIG. 4, reference numerals of FIG. 4 denote the same meanings as those used in the conventional general CARS shown in FIG. That is, the electrons at υ 0 = 0 are excited in the imaginary state by the pump light (ω p ), and most of the electrons at υ 1 = 1 level with the natural vibration frequency Ω due to the resonance Raman scattering by the Stokes light (ω s ). It is a transition. These transitioned electrons of υ 1 = 1 are excited by the probe light (ω p ), like a typical CARS, to produce the CARS signal (ω as ) or after the excitation by the eliminated probe light (ω dp ) and then the DCARS signal ( ω das ).
그런데, 이 과정에서υ1=1 준위의 전자들은 두개의 다른 준위로 여기되기 때문에 제거형 탐침 광(ωdp)이 가상 상태의 주파수를 가지면 전기장의 세기에 비례하여 나뉘게 된다. 즉, 첫 번째 여기 상태의 주파수와 같거나 근처에 있으면 공명흡수가 일어나게 되므로 대부분의 전자들은 제거형 탐침 광(ωdp)에 의해 여기된다. 그러므로 CARS(ωas) 신호에는 제거형 탐침 광(ωdp)에 의해 여기된 부분의 신호인 DCARS 신호가 제거된 CARS 신호만이 측정될 것이다. However, in this process, electrons of the υ 1 = 1 level are excited at two different levels, so that the removal probe light ω dp is divided in proportion to the intensity of the electric field when it has a frequency of a virtual state. That is, resonance absorption occurs at or near the frequency of the first excited state, so most electrons are excited by the eliminating probe light (ω dp ). Therefore, only the CARS signal from which the DCARS signal, which is the signal of the portion excited by the removal probe light (ω dp ), is measured in the CARS (ω as ) signal.
다시 도 2를 참조하면, 제거형 탐침 광(ωdp)에 의해 여기되어 발생되는 DCARS 신호가 제거된 CARS(ωas) 신호는 제 3 거울(144)에 반사되어 제 1 대물렌즈(160)로 입사하게 된다. 제 1 대물렌즈(160)는 입사된 CARS(ωas) 신호를 집속하여 시료의 측정하고자 하는 부분을 조사하게 된다. Referring back to FIG. 2, the CARS (ω as ) signal from which the DCARS signal generated by excitation by the removeable probe light ω dp has been removed is reflected by the
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가우시안 형태의 CARS 신호에서 도우넛 형태의 DCARS 신호가 제거됨으로써 시료에 입사되는 레이저빔은 가우시안 형태에서 가장자리가 제거된 보다 깨끗하며 반경이 적은 가우시안 모양을 가지게 되며, 이로 인하여 시료를 보다 향상된 분해능을 가지고 측정할 수 있게 된다. According to a preferred embodiment of the present invention, the donut type DCARS signal is removed from the Gaussian type CARS signal, so that the laser beam incident on the sample has a cleaner, smaller radius Gaussian shape with edges removed from the Gaussian type. This allows the sample to be measured with improved resolution.
이어서, 제 2 대물렌즈(162)는 시료로부터 반사된 CARS(ωas) 신호를 집속하여 검출기(190)로 전달한다. 이때, 제 2 대물렌즈(162)와 검출기(190) 사이에는 CARS(ωas) 신호만을 통과시키는 간섭필터(180)를 설치하여 검출 효율을 향상시킬 수도 있다. Subsequently, the second
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, TEM * 01 또는 TEM 01 의 도우넛 모드를 가지는 레이저 빔을 도입한 DCARS를 이용함으로써 회절한계이하의 공간 분해능을 가지면서 측정하고자 하는 시료에 영향을 주지 않고 측정이 가능한 효과가 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, by using a DCARS incorporating a laser beam having a donut mode of TEM * 01 or TEM 01 can be measured without affecting the sample to be measured with a spatial resolution below the diffraction limit It works.
상술한 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 중심으로 설명 및 도시되었으나, 본 기술 분야의 숙련자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양하게 변형 실시 할 수 있음을 알 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described and illustrated with reference to the preferred embodiments, but it will be understood by those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
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