KR101050369B1 - Coherent Vanstock Raman Scattering Endoscope Optical Bandgap Optical Fiber - Google Patents

Coherent Vanstock Raman Scattering Endoscope Optical Bandgap Optical Fiber Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-stokes Raman Scattering, CARS) 내시경 시스템 구현을 위한 새로운 광 밴드갭 광섬유 (Photonic bandgap fibers) 구조의 설계를 제안하고 있다. 여기서 제안하는 광섬유는 고체 코어 이중 클래딩 광 밴드갭 광섬유로써, 이는 광 밴드갭 효과에 의하여 특정 파장(펌프 및 스톡스 광원 파장)에서만 빛을 도파 시키는 기능을 가진다. 또한 도파되는 펌프 및 스톡스 광의 비선형성을 억제할 만큼 넓은 코어 면적을 가지며 동시에 밴드갭 도파 효과에 의하여 동작 영역에서 낮은 분산특성을 보인다. 마지막으로, 제안하는 광섬유는 높은 개구수(Numerical Aperture >0.5)의 이중 클래딩 광섬유 구조를 포함하고 있다.The present invention proposes a design of a new photonic bandgap fibers structure for implementing a coherent anti-stokes Raman Scattering (CARS) endoscope system. The proposed fiber is a solid core double cladding optical bandgap optical fiber, which has a function of guiding light only at a specific wavelength (pump and Stokes light source wavelength) by the optical bandgap effect. In addition, it has a large core area to suppress the nonlinearity of the pump and Stokes light to be guided, and at the same time shows a low dispersion characteristic in the operating region due to the bandgap waveguide effect. Finally, the proposed fiber includes a double cladding fiber structure with high numerical aperture (Numerical Aperture> 0.5).

자발 라만 산란, 간섭성 반스톡스 라만 산란, 비선형 광학 내시경, 광밴드갭 광섬유 Spontaneous Raman scattering, coherent antistock Raman scattering, nonlinear optical endoscope, wide bandgap optical fiber

Description

간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 광 밴드갭 광섬유{Photonic Bandgap Fibers for High Efficiency Coherent Anti-stokes Raman Scattering Endoscope}Photonic Bandgap Fibers for High Efficiency Coherent Anti-stokes Raman Scattering Endoscope

본 발명은 CARS 내시경을 구성하는 핵심 요소인 광도파로 (광섬유)설계에 관한 것으로, 보다 상세하게 광 밴드갭 효과를 이용하여 CARS 신호 생성을 위한 펌프, 스톡스 빔을 왜곡 없이 전달하고, 생성된 CARS 신호를 고효율로 수집 할 수 있는 새로운 광 밴드갭 광섬유의 설계 및 전산모사에 관한 것이다. The present invention relates to an optical waveguide (optical fiber) design, which is a key component of the CARS endoscope, and more specifically, a pump for generating a CARS signal, a Stokes beam, and without distortion, using the optical bandgap effect, and a generated CARS signal. Design and computational simulation of a new optical bandgap optical fiber capable of collecting highly efficient

전통적인 광학 현미경은 관찰 대상과 배경 물질들 사이의 빛의 선형적 특성이 거의 유사한 바이오 시료(세포 혹은 조직) 및 세포내의 다양한 구조들에 대한 형태적, 화학적 분포영상을 습득하는데 어려움이 있었다. 이는 바이오 시료 내에서 빛의 선형적인 흡수, 반사 등의 광학적 대비(Optical contrast)가 크기 않기 때문이다. 이러한 점을 극복하기 위하여 시료에 형광 표지자를 염색한 후 조사한 빛의 형광(fluorescence) 분포를 습득하여 세포 내부의 특성과 거동을 탐지하는 연구가 활발히 이루어 졌다. 그러나 형광물질이 바이오 시료의 특성 자체를 변화 시키거나 시간이 지남에 따라 형광 특성이 저하되어 온전한 시료의 분포 영상 이미지를 얻는데 어려움이 있었다. Traditional optical microscopes have had difficulty acquiring morphological and chemical distribution images of biostructures (cells or tissues) and various structures within cells that have almost similar linear characteristics of light between the object and the background material. This is because optical contrast such as linear absorption and reflection of light is not large in the bio sample. In order to overcome this problem, studies have been actively conducted to detect the characteristics and behavior of cells by staining fluorescent markers on samples and acquiring fluorescence distribution of irradiated light. However, it was difficult to obtain a distribution image of the intact sample because the fluorescent material changed the characteristics of the bio sample itself or the fluorescence property decreased over time.

최근 이광자 방출 형광, 이차, 삼차 조화파 생성, 라만 산란 분광법 등 표지자 없이 물질 자체의 고유한 특성을 검출하여 세포 영상을 취득하는 기술이 주목받고 있는데, 특히 라만 산란(Raman scattering) 분광법은 분자진동 주파수와 무관하게 임의의 단일 파장 광원을 사용할 수 있어 레이저 광원의 선택이 용이하고 동작이 간편하다는 장점이 있다. 그러나 라만 산란 신호의 세기는 극히 미약하여 영상을 취득하는데 오랜 시간이 걸려 이를 이용하여 살아있는 생체 시료 등에서 세포의 동적 특성을 관찰하는데 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 고안된 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-stokes Raman scattering, CARS) 현미경은 빛의 라만 비선형 효과를 이용하여 입사된 3개의 레이저빔이 시료 내에서 상호작용하여 하나의 CARS 신호광을 생성하는 사광파 혼합의 원리를 이용하고 있다. Recently, a technique for obtaining a cell image by detecting a unique property of the material itself without a marker such as two-photon emission fluorescence, secondary, tertiary harmonic generation, and Raman scattering spectroscopy has been attracting attention. In particular, Raman scattering spectroscopy is a molecular vibration frequency. Irrespective of this, any single wavelength light source can be used, so there is an advantage in that the selection of the laser light source is easy and the operation is simple. However, the intensity of the Raman scattering signal is extremely weak, and it takes a long time to acquire an image, and there is a limit in observing the dynamic characteristics of cells in living biological samples. Coherent Anti-stokes Raman scattering (CARS) microscopy, designed to overcome this limitation, utilizes the Raman nonlinear effect of light to allow three incident laser beams to interact within a sample, resulting in a single CARS signal beam. It uses the principle of mixed light wave to generate

도 1은 라만천이를 이용한 CARS 분광법의 원리를 보여주고 있다. 측정하고자 하는 바이오 시료에서 특정분자의 라만천이(Raman shift) 만큼 주파수 차이가 있는 2개의 레이저빔(펌프빔과 스톡스빔)을 입사시키게 되면 차주파수에 해당하는 맥놀이파형이 생기게 된다. 이 파형은 결맞는(coherent) 분자진동(forced harmonic oscillation)을 강제 유도하게 되는데, 이때 동일 위상으로 진동하는 분자들에 3번째 레이저 광(탐색광)을 입사시키면, 이는 분자 진동과 상호작용 후 펌프광보다 짧은 파장영역에서 반스톡스(anti-Stokes) 라만 신호를 유도한다. 발생한 신호들은 상호 일치된 위상과 특정한 방향성을 지닌 결맞는 광원이 된다. 이러한 비선형 광학적 신호를 시료 공간상에서 정밀하게 고속 맵핑(mapping)하면 CARS 현미경 영상이 얻어진다. 1 shows the principle of CARS spectroscopy using Raman transition. When two laser beams (pump beam and Stokes beam) having a frequency difference by the Raman shift of a specific molecule are incident on a biosample to be measured, a beat waveform corresponding to the difference frequency is generated. This waveform induces coherent forced harmonic oscillation, when a third laser light (search light) is incident on molecules oscillating in phase, which is then pumped after interaction with the molecular vibration. Induces anti-Stokes Raman signals in the shorter wavelength range. The generated signals become coherent light sources with mutually matched phases and specific orientations. Precise high-speed mapping of such nonlinear optical signals in sample space results in CARS microscopic images.

이러한 원리를 기반으로 동작하는 CARS 현미경은 기존 라만 산란 현미경과 비교하여 매우 높은 측정감도를 가지고 있어 빠른 영상 취득이 가능하다. 재생되는 비선형 신호의 세기는 입사된 빛의 3차 비선형 효과에 의하여 결정되므로 가해주는 전기장 세기의 세제곱에 비례하는 CARS 신호를 얻을 수 있다. 따라서 빛의 비선형 효과를 극대화하기 위해서 일반적으로 높은 첨두출력(high peak power)의 펄스 레이저를 이용한다. CARS 현미경은 레이저 상호작용 후 측정 시료에 어떠한 레이저 에너지도 남기지 않는 프로세스이기 때문에 레이저에 의한 시료 열 손상을 원리적으로 피할 수 있는 비침습적 측정법이며 빛의 집속과 스캔을 통하여 시료 내부에 대한 3차원 영상을 높은 공간 분해능으로 얻을 수 있다. 이러한 장점을 기반으로 CARS 현미경은 비선형 바이오 영상 분야에서 큰 주목을 받고 있다. CARS microscope, which operates on the basis of this principle, has a very high measurement sensitivity compared to the existing Raman scattering microscope, which enables fast image acquisition. Since the intensity of the reproduced nonlinear signal is determined by the third order nonlinear effect of the incident light, the CARS signal can be obtained in proportion to the cube of the applied electric field strength. Therefore, in order to maximize the nonlinear effect of light, a high peak power pulse laser is generally used. CARS microscopy is a non-invasive measurement method that avoids thermal damage caused by laser in principle because it does not leave any laser energy on the sample after laser interaction. It is a three-dimensional image of the inside of the sample through the focusing and scanning of light. Can be obtained with high spatial resolution. Based on these advantages, CARS microscopy has attracted great attention in the field of nonlinear bioimaging.

그러나 CARS에 기반한 바이오 영상 기술을 이용하여 살아있는 생물의 조직영상을 실시간으로 관찰하거나 임상 진단 등 의,약학 분야에 적극적으로 활용하기 위해서는 이를 현미경 형태가 아닌 내시경 형태로 구현하는 것이 바람직하다. 내시경 형태의 광학 영상 취득은 고전적인 광학 현미경에서는 성공적으로 구현되어 왔으며 최근 광 가간섭 단층촬영 (Optical coherence tomography), 이광자 방출 형광 (two photon emission fluorescence) 그리고 이차 조화파 생성(Second harmonic generation) 영상법 등의 분야에서도 내시경 기반의 영상 취득이 활발하게 이루어 지고 있다. However, in order to observe tissue images of living organisms in real time or to actively use them in pharmacy, such as clinical diagnosis, using CARS-based bio-imaging technology, it is desirable to implement them in an endoscopic form rather than a microscope form. Endoscopic optical imaging has been successfully implemented in classical optical microscopy and has recently been shown to include optical coherence tomography, two photon emission fluorescence, and second harmonic generation imaging. Endoscopic image acquisition is also active in these fields.

도 2는 CARS 시스템을 내시경으로 구현하기 위한 개요도를 보여주고 있다. 도면에서와 같이 내시경 구성을 위하여 강한 세기의 펌프, 스톡스 레이저 펄스를 시료에 집속시킨 후, 생성된 CARS 신호를 효율적으로 수집할 수 있는 광섬유 도파로가 필수적이다. 그러나 CARS 현미경의 동작 영역인 600~1000 nm 대역에서 동작하는 일반 단일 모드 광섬유는 한정된 코어모드의 크기(코어 모드의 직경 6mm 이하)로 인하여 도파로를 진행하는 고출력 펄스 레이저(펌프 및 스톡스 광원)의 비선형 왜곡을 유발할 수 있다. 또한 실리카 광섬유의 내재적 분산 특성은 진행하는 펄스를 퍼뜨려 첨두출력을 떨어뜨리고 동시에 단일 펄스내부에서 각 파장의 위치를 공간적으로 분리시키는 처핑(Chirping)을 야기하게 된다. 광섬유의 이러한 선형, 비선형적인 특성으로 말미암은 펌프 스톡스 광원의 변화는 CARS 신호 생성의 효율을 크게 저하시킬 수 있다. 또한 CARS 내시경은 구조의 특성상 신호의 세기가 작고 산란각이 큰 후방산란 CARS 신호를 수집해야 하므로 일반적으로 개구수가 작은 일반 단일 모드 광섬유를 이용하여 효율적으로 CARS신호를 수집하는데 어려움이 있었다. 따라서 감도가 높고 효율적인 CARS 내시경 구현을 위하여 새로운 형태의 광섬유 도파로가 요구되어 왔다. Figure 2 shows a schematic diagram for implementing the CARS system with an endoscope. As shown in the figure, an optical fiber waveguide capable of efficiently collecting the generated CARS signal after focusing a strong intensity pump and Stokes laser pulses on a sample is essential. However, the general single mode optical fiber operating in the 600 ~ 1000 nm band, which is the operating region of the CARS microscope, has the nonlinearity of the high power pulsed laser (pump and stokes light source) traveling through the waveguide due to the limited size of the core mode (6 mm or less in diameter of the core mode). It may cause distortion. In addition, the intrinsic dispersion characteristic of silica optical fiber causes the chirping to spread the pulses, which reduces the peak power and at the same time spatially separate the positions of each wavelength within a single pulse. Due to this linear and nonlinear nature of the fiber, changes in the pump Stokes light source can significantly reduce the efficiency of CARS signal generation. In addition, the CARS endoscope needs to collect backscattered CARS signals having a small signal strength and a large scattering angle due to the characteristics of the structure. Therefore, a new type of optical waveguide has been required to realize a highly sensitive and efficient CARS endoscope.

1990년대 후반 처음 실험적으로 구현된 광결정 광섬유(Photonic crystal fiber)는 광섬유 내부 실리카/공기구멍의 단면구조를 적절히 설계함으로써 광섬유를 진행하는 빛의 분산, 모드 크기 등 도파 특성을 용이하게 바꿀 수 있어 많은 사람들에게 큰 관심을 받아 왔다. 특히 이는 모든 파장에 걸쳐 단일 모드로 동작하거 나, 광 밴드갭 효과에 의하여 굴절률이 낮은 코어로 도파할 수 있고, 양극단적인 비선형성을 구현 할 수 있어 고출력 광섬유 레이저, 광 밴드갭 광섬유 구현, 솔리톤 진행, 펄스 압축 및 광대역 광원 재생 등의 분야에서 큰 관심을 가지고 연구되어 왔다. CARS 내시경을 구현하기 위하여 단일 모드 광섬유나 광결정 광섬유를 이용하는 연구가 제안되어 오고 있으나 현재까지 기존 광섬유의 한계를 획기적으로 극복하는 광결정 광섬유는 아직 제시되지 않고 있고, 최근 기존 광결정 광섬유를 이용하여 CARS 내시경을 위한 레이저빔 전달 특성을 실험적으로 조사한 수준에 그치고 있다. 따라서 고효율 CARS 내시경 구현을 위하여 새로운 광결정 광섬유의 설계가 시급하다. Photonic crystal fiber, which was first experimentally implemented in the late 1990s, can easily change the waveguide characteristics such as light dispersion and mode size through the fiber by appropriately designing the cross-sectional structure of the silica / air hole inside the fiber. Has received great attention. In particular, it can operate in a single mode over all wavelengths, or can be guided to a low refractive index core by the optical bandgap effect, and bipolar nonlinearity can be realized to realize high power fiber lasers, optical bandgap optical fibers, and soliton progression. , Pulse compression and broadband light source reproduction have been studied with great interest. In order to implement CARS endoscopes, studies using single-mode optical fibers or photonic crystal fibers have been proposed, but until now, photonic crystal fibers that have overcome the limitations of existing optical fibers have not been proposed yet. It is only experimentally investigated the laser beam transmission characteristics. Therefore, it is urgent to design a new photonic crystal fiber for high efficiency CARS endoscope.

본 발명은 효율적인 CARS 내시경 장치를 구성하기 위한 광결정 광섬유로서 새로운 광 밴드갭 광섬유의 이용을 최초로 제안하고자 한다. The present invention first proposes the use of a new optical bandgap optical fiber as a photonic crystal optical fiber for constructing an efficient CARS endoscope device.

본 발명에서 제안하는 광 밴드갭 광섬유를 이용하여 광 밴드갭 효과에 의하여 펌프, 스톡스 광을 손실 없이 도파시키고자 한다. By using the optical bandgap optical fiber proposed in the present invention, the pump and Stokes light are guided without loss by the optical bandgap effect.

또한 단일 모드 광섬유와 비교하여 3~5배 큰 면적의 광섬유 코어모드를 유지하면서 동시에 군속도 분산특성이 거의 없는 도파로를 설계하여 종래의 일반 단일 모드 광섬유를 이용할 경우 생길 수 있는 펄스의 선형, 비선형 왜곡을 최대한 감소시키고자 한다. In addition, it maintains the fiber core mode which is 3 ~ 5 times larger than single mode fiber and at the same time design waveguide with little group velocity dispersion characteristic to reduce the linear and nonlinear distortion of pulses that can occur when using conventional single mode fiber. We want to reduce it as much as possible.

또한 CARS 신호가 생기는 광원의 중심파장을 고의적으로 광 밴드갭 영역 밖으로 배제시켜 클래딩으로 입사되는 CARS 신호가 밴드갭 효과에 의하여 반사되지 않도록 한다. 마지막으로 사방으로 산란되는 CARS신호를 높은 개구수의 이중 클래딩 구조를 이용하여 효율적으로 수집함으로써 후방산란 CARS 신호를 고효율로 수집할 수 있는 CARS 내시경 이미징 장치를 제공하고자 한다. In addition, the center wavelength of the light source in which the CARS signal is generated is deliberately excluded outside the optical bandgap region so that the CARS signal incident to the cladding is not reflected by the bandgap effect. Finally, to provide a CARS endoscopy imaging apparatus capable of collecting backscattered CARS signals with high efficiency by efficiently collecting CARS signals scattered in all directions using a high numerical aperture double cladding structure.

본 발명은 높은 성능의 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 이중 클래딩 광밴드갭 광섬유(100)를 구성함에 있어서, 중심에 위치하여 스톡스광과 펌프광을 측정시료로 전달하는 코어(110)와 상기 코어(110)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가진 주기적인 원형 매질(121)을 포함한 내부 클래드(120)를 가지는 것을 특징으로 한 다. 이는 펌프광과 스톡스 광이 광 밴드갭 효과에 의하여 손실 없이 상기 코어(110)를 통하여 전달되도록 한다. 또한 재생되어 반사된 CARS 신호가 전반사를 통하여 광검출기로 전달될 수 있도록 상기 내부 클래드(120)의 외곽에 환형 테두리 모양의 공기층으로 구성된 외부 클래드(130)구조, 그리고 상기 외부 클래드(130) 외측을 감싸서 지지하는 지지용 외부 실리카(140)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 코어(110)는 상기 내부 클래드(120) 구조의 중심에 위치한 한 개 또는 3 개의 원형매질(121)을 제거하여 형성된다. In the present invention, when constructing a high performance coherent anti-stock Raman scattering endoscope dual cladding optical bandgap optical fiber 100, the core 110 and the core (110) for transmitting the Stokes light and the pump light to the measurement sample located at the center It characterized in that it has an inner clad 120 including a circular circular medium 121 having a refractive index higher than the refractive index of 110. This allows pump light and Stokes light to pass through the core 110 without loss due to the optical bandgap effect. In addition, the outer clad 130 structure composed of an annular edge-shaped air layer on the outside of the inner clad 120 so that the reproduced and reflected CARS signal can be transmitted to the photodetector through total reflection, and the outer clad 130 outside the cladding. It is characterized in that it comprises a support for supporting the outer silica 140 wrapped. Here, the core 110 is formed by removing one or three circular media 121 located at the center of the inner clad 120 structure.

이때, 상기 코어(110)는 1.45의 굴절률을 가지는 실리카로 구성 되며, 상기 내부 클래드(120)에 포함된 원형 매질(121)은 Ge-도핑된 실리카 등으로 이루어져 약 1.47~1.7 범위의 높은 굴절률을 가진다. 또한 상기 원형 매질(121)은 코어(110)의 중심을 기준으로 하여 일정간격으로 60° 각도의 회전 대칭성을 갖는 삼각형 격자 구조(triangular lattice) 형상을 이루며, 이때 원형 매질(121) 사이의 간격(

Figure 112008087293270-pat00001
)은 7~10 ㎛이고, 원형 매질(121)의 직경(d)과 거리(
Figure 112008087293270-pat00002
)와의 비(
Figure 112008087293270-pat00003
)는 0.2~0.45의 값을 가지는 것을 특징으로 한다. In this case, the core 110 is composed of silica having a refractive index of 1.45, the circular medium 121 included in the inner clad 120 is made of Ge-doped silica and the like to have a high refractive index in the range of about 1.47 to 1.7. Have In addition, the circular medium 121 forms a triangular lattice shape having a rotational symmetry of an angle of 60 ° at a predetermined interval with respect to the center of the core 110, wherein the interval between the circular mediums 121
Figure 112008087293270-pat00001
) Is 7 ~ 10 ㎛, the diameter (d) and the distance (
Figure 112008087293270-pat00002
Ratio with)
Figure 112008087293270-pat00003
) Has a value of 0.2 ~ 0.45.

이러한 구조는 600~1100 nm 광파장 영역에서 불연속적인 광 밴드갭을 형성하여 스톡스 및 펌프광은 밴드갭 효과에 의하여 광섬유 코어(110)로 도파되고, 재생되어 반사된 CARS 신호는 밴드갭 영역 밖에 존재함으로써 내부 클래드(120) 영역에서 전반사 원리로 전달되는 것을 특징으로 한다. This structure forms a discontinuous optical bandgap in the 600-1100 nm light wavelength region so that the Stokes and the pump light are guided to the optical fiber core 110 by the bandgap effect, and the reproduced and reflected CARS signal exists outside the bandgap region to In the clad 120 region is characterized in that the transfer to the total reflection principle.

기술한 바와 같이 본 발명은 CARS 현미경을 내시경으로 구현하는데 필요한 새로운 광섬유 구조를 제안하고 있다. 발명에서 제안하는 이중 클래딩 고체코어 광밴드갭 광섬유를 이용하여 CARS 내시경에 사용되는 고출력 레이저 펄스(펌프, 스톡스 광)를 광 밴드갭 효과에 의하여 도파시키게 된다. 이때 밴드갭 도파의 고유한 특성으로 인하여 펄스 진행에 따른 비선형 및 분산 왜곡을 최소화함으로써 광섬유를 진행하는 펌프와 스톡스 광이 초기 레이저 펄스와 유사한 특성으로 시료 상에 도달하여 안정적인 CARS 신호를 발생시킬 수 있게 해준다. 또한 발생된 후방산란 CARS 신호를 광 밴드갭 구조 바깥에 두어 클래딩 입사 시 반사를 줄이고 동시에 높은 개구수를 갖는 이중 클래딩 구조를 도입하여 신호를 효율적으로 수집함으로써 CARS 내시경의 효율을 크게 향상 시킬 수 있다. As described, the present invention proposes a new optical fiber structure necessary for implementing an CARS microscope with an endoscope. Using the double cladding solid core optical bandgap optical fiber proposed in the present invention, the high power laser pulse (pump, stokes light) used in the CARS endoscope is guided by the optical bandgap effect. In this case, the inherent characteristics of the bandgap waveguide minimize the nonlinear and scattering distortion caused by the pulse propagation so that the pump and Stokes light traveling through the optical fiber can reach the sample with characteristics similar to the initial laser pulse to generate a stable CARS signal. Do it. In addition, the generated backscattered CARS signal can be placed outside the optical bandgap structure to reduce reflection upon incident cladding, and at the same time, a double cladding structure having a high numerical aperture can be used to efficiently collect signals, thereby greatly improving the efficiency of the CARS endoscope.

본 발명은 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-stokes Raman Scattering, CARS) 내시경 시스템 구현을 위한 새로운 광 밴드갭 광섬유 (Photonic bandgap fibers) 구조의 설계를 제안하고 있다. 여기서 제안하는 광섬유는 고체 코어 이중 클래딩 광 밴드갭 광섬유로써, 이는 광 밴드갭 효과에 의하여 특정 파장(펌프 및 스톡스 광원 파장)에서만 빛을 도파 시키는 기능을 가진다. 또한 도파되는 펌프 및 스톡스 광의 비선형성을 억제할 만큼 넓은 코어 면적을 가지며 동시에 밴드갭 도파 효과에 의하여 동작 영역에서 낮은 분산특성을 보인다. 마지막으로, 제안하는 광섬유는 높은 개구수(Numerical Aperture >0.5)의 이중 클래딩 광섬유 구조를 포함하고 있다. The present invention proposes a design of a new photonic bandgap fibers structure for implementing a coherent anti-stokes Raman Scattering (CARS) endoscope system. The proposed fiber is a solid core double cladding optical bandgap optical fiber, which has a function of guiding light only at a specific wavelength (pump and Stokes light source wavelength) by the optical bandgap effect. In addition, it has a large core area to suppress the nonlinearity of the pump and Stokes light to be guided, and at the same time shows a low dispersion characteristic in the operating region due to the bandgap waveguide effect. Finally, the proposed fiber includes a double cladding fiber structure with high numerical aperture (Numerical Aperture> 0.5).

이와 같이 설계된 고체코어 광 밴드갭 광섬유는 불연속적인 밴드갭 특성으로 인하여 원하는 파장의 광원 (펌프 및 스톡스 광원)만 선택적으로 도파시키는 장점을 가지고 있다. 특히 광 밴드갭 효과는 기존의 도파로와 달리 펌프 및 스톡스 광원에서 진행하는 빛의 군속도 분산(Group velocity dispersion)을 최대한 억제 시킬 수 있다는 큰 장점을 가진다. 또한 제안하는 광섬유는 일반적인 단일모드 광섬유와 비교하여 수배 이상의 코어모드 크기를 가지고 있음에도 동작영역에서 공간적 단일 모드를 유지하고 있다. 이러한 특성들은 CARS 이미징에 사용되는 고출력 펌프, 스톡스 레이저 펄스의 선형/비선형적 왜곡을 억제함으로써 도파로 진행으로 인한 CARS신호 생성 효율 저하를 막을 수 있다. 제안하는 광섬유에서 생성되는 CARS 신호의 중심파장은 최적화된 설계에 의하여 밴드갭 밖에 존재하는데 이는 높은 개구수(Numerical aperture)를 가진 이중 클래딩 구조에 의하여 CARS 신호를 효율적으로 수집하게 한다. 또한 제안하는 고체코어 광밴드갭 광섬유는 기존 광밴드갭 광섬유와 비교하여 광섬유 단면에 공기구멍이 존재하지 않으므로, 내시경 시스템 구현을 위하여 광섬유 끝단을 다른 광학소자와 결합할 때 물리적으로 안정적이며, 광섬유의 도파 성능 저하를 방지한다. 이러한 특성을 지닌 광밴드갭 광섬유를 이용하여 고감도 고품질의 CARS 내시경 시스템을 구현할 수 있다. The solid core optical bandgap optical fiber designed as described above has an advantage of selectively guiding only light sources having a desired wavelength (pumps and Stokes light sources) due to discontinuous bandgap characteristics. In particular, the optical bandgap effect, unlike the conventional waveguide, has the great advantage of suppressing the group velocity dispersion of light propagating from the pump and the Stokes light source as much as possible. In addition, the proposed optical fiber maintains spatial single mode in the operating area even though it has core mode size more than several times compared with general single mode fiber. These characteristics prevent the degradation of the CARS signal generation efficiency due to waveguide propagation by suppressing the linear / nonlinear distortion of the high power pump and Stokes laser pulses used for CARS imaging. The center wavelength of the CARS signal generated in the proposed optical fiber is out of the bandgap by the optimized design, which makes it possible to collect the CARS signal efficiently by the double cladding structure with high numerical aperture. In addition, the proposed solid core optical bandgap optical fiber does not have air holes in the optical fiber cross section compared with the conventional optical bandgap optical fiber, so it is physically stable when combining the optical fiber end with other optical elements to realize the endoscope system. Prevents waveguide degradation. By using the optical bandgap optical fiber having these characteristics, it is possible to implement a high sensitivity and high quality CARS endoscope system.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에서 제안한 광 밴드갭 광섬유 및 이를 포함한 CARS 내시경의 동작원리를 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the operation principle of the optical bandgap optical fiber and the CARS endoscope including the same proposed by the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 2는 CARS 내시경의 구성도를 보여주고 있다. CARS 내시경은 임의의 주파 수대를 갖는 스톡스광 및 시료를 들뜬 상태로 만드는 펌프광을 발생시키는 광원(1); 신호 왜곡없이 상기 광원(1)으로부터 발생된 신호들을 동시에 전달하며 시료에서 생성된 후방산란 CARS 신호(epi-CARS 신호)를 수집하는 광섬유(100); 상기 광섬유(100)로부터 전달된 두 신호를 바이오 시료에 집속하고 공간적으로 스캔하는 스캔장치(2); 상기 광섬유를 통해 검출된 후방산란 CARS 신호만을 필터링하는 대역투과 필터(3)와 이를 증폭시켜 검출하는 광전증배관(PMT: Photomultiplier Tube)으로 구성된 광검출기(4)로 되어 있다. Figure 2 shows the configuration of the CARS endoscope. The CARS endoscope includes a light source 1 for generating Stokes light having an arbitrary frequency band and pump light for exciting the sample; An optical fiber 100 which simultaneously transmits signals generated from the light source 1 without signal distortion and collects backscattered CARS signals (epi-CARS signals) generated from a sample; A scanning device (2) for focusing and spatially scanning the two signals transmitted from the optical fiber (100) to a biosample; It consists of a bandpass filter (3) for filtering only the backscattered CARS signal detected through the optical fiber and a photodetector (4) composed of a photomultiplier tube (PMT) for amplifying and detecting the backscattered CARS signal.

상기 광원(1)은 스톡스광(Stokes beam), 펌프광(Pump beam) 및 탐색광(Probe beam)을 포함하고 있는데 시료의 효율적인 CARS 신호생성을 위하여 일반적으로 첨두출력이 수 ~ 수십 kW인 레이저 펄스를 이용한다. The light source 1 includes a Stokes beam, a Pump beam, and a Probe beam. In order to generate an efficient CARS signal of a sample, a laser pulse having a peak power of several to several tens of kW is generally used. I use it.

도 3(a)는 CARS 내시경 시스템을 구성하는 광섬유 도파로 부분의 특성과 펄스의 진행방향을 묘사하고 있다. 앞서 기술한 바와 같이 높은 첨두출력을 가지는 펄스 레이저를 이용한 CARS 내시경 시스템을 효율적으로 구현하기 위해서 도파로로 사용되는 광섬유의 비선형성과 분산특성을 동시에 고려해야 한다. FIG. 3 (a) depicts the characteristics of the optical fiber waveguide portion and the direction of pulse propagation of the CARS endoscope system. As described above, in order to efficiently implement a CARS endoscope system using a pulse laser having a high peak power, the nonlinearity and dispersion characteristics of an optical fiber used as a waveguide must be considered simultaneously.

광섬유를 구성하는 실리카 매질은 상대적으로 작은 Kerr-비선형 계수

Figure 112008087293270-pat00004
값을 가지고 있다. 그러나 시스템의 비선형 효율을 가늠하는 비선형 성능지수(figure of merit)는 Bulk 매질과 비교하여 광섬유에서 약 105 이상 향상된 값을 보이게 되며 이는 원치 않은 비선형 효과를 축적하게 된다. 광섬유에서 비선형 특성은 구체적으로 다음과 같은 비선형 계수(
Figure 112008087293270-pat00005
)로 정의할 수 있다. The silica medium constituting the optical fiber has a relatively small Kerr-nonlinear coefficient
Figure 112008087293270-pat00004
Has a value. However, the figure of merit, which measures the system's nonlinear efficiency, shows an improvement of about 10 5 over the optical fiber compared to bulk media, which accumulates unwanted nonlinear effects. Non-linear properties in optical fibers are specifically defined as
Figure 112008087293270-pat00005
Can be defined as

Figure 112008087293270-pat00006
Figure 112008087293270-pat00006

여기서 n 2 는 매질의 비선형 상수이고 A eff 는 주어진 파장(l)에서 도파로를 진행하는 빛의 단면 크기(혹은 유효면적)를 나타낸다. 위에서 정의된 비선형 계수로부터, 도파로를 진행하는 빛의 비선형 특성을 빛의 유효면적인 A eff 로 조절할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 A eff 가 작은 도파로는 같은 조건에서 큰 비선형 특성을 보이고 반대로 빛의 단면적이 큰 도파로는 상대적으로 작은 비선형성을 보이게 된다. 광섬유를 CARS 내시경에 응용하기 위해서는 펌프, 스톡스 신호를 전달하는 광섬유 내에서는 최소의 비선형 현상만 일어나고 시료에서 최대의 비선형 효과가 발생되어야 하므로 도파로가 가능한 큰 A eff 를 가지는 것이 유리하다. Where n 2 is the nonlinear constant of the medium and A eff represents the cross-sectional size (or effective area) of the light traveling through the waveguide at a given wavelength ( l ). From the nonlinear coefficients defined above, it can be seen that the nonlinear characteristics of the light traveling through the waveguide can be controlled by the effective area A eff of the light. Therefore, waveguides with small A eff show large nonlinear characteristics under the same conditions, while waveguides with large cross-sectional area of light show relatively small nonlinearities. In order to apply an optical fiber to a CARS endoscope, it is advantageous to have a large A eff as large as possible because the waveguide has the smallest nonlinear effect and the maximum nonlinear effect must occur in the optical fiber carrying the pump and stokes signal.

광섬유에서 분산은 코어 모드의 유효 굴절률(n eff )이 파장에 따라 변함에 따라 여러 파장을 포함하는 레이저 펄스가 광섬유를 진행하면서 퍼지는 현상을 말하며 크게 매질 분산과 도파로 분산으로 나누어 생각할 수 있다. 광섬유의 분산 특성은 군 굴절률 분산값 D(ps/nm/km)로 표현되며 일반 실리카 광섬유는 1310 nm근처에서 영분산값(zero GVD)을 갖는다. 따라서 CARS 내시경이 동작하는 800 nm ~1100 nm 근처 영역에서 큰 정상 분산값을 가지게 되는데 (D=-100~-200 ps/nm/km) 이는 초단파 펄스 진행에 심각한 왜곡을 야기할 수 있다. 기존에 도파로 분산값을 조절하여 동작영역에서(800 nm~1100 nm) 영 분산값을 구현하는 연구가 비선형 광학 분야에서 시도되고 있으나 이를 위해선 광결정 광섬유의 코어 사이즈를 빛의 파장 크기에 준 하도록 줄여야 하며 이는 앞서 언급한 A eff 값을 크게 감소시켜, 분산조절이 심각한 비선형 왜곡을 유발할 수 있으므로 본 발명의 목적과 부합되지 않는다. Dispersion in the optical fiber refers to a phenomenon in which a laser pulse including several wavelengths spreads through the optical fiber as the effective refractive index ( n eff ) of the core mode changes with the wavelength, and may be classified into medium dispersion and waveguide dispersion. Dispersion characteristics of the optical fiber are expressed by group refractive index dispersion value D (ps / nm / km) , and a general silica optical fiber has a zero dispersion value (zero GVD ) around 1310 nm. Therefore, the CARS endoscope has a large normal variance in the region around 800 nm to 1100 nm in which the CARS endoscope operates ( D = -100 ~ -200 ps / nm / km ), which can cause severe distortion in the microwave pulse progression. Conventionally, researches to realize the zero dispersion value in the operating region (800 nm ~ 1100 nm) by adjusting the waveguide dispersion value have been attempted in the nonlinear optics field, but for this purpose, the core size of the photonic crystal fiber should be reduced to match the wavelength of light. This greatly reduces the previously mentioned A eff value, which is inconsistent with the object of the present invention as dispersion control can cause severe nonlinear distortion.

CARS 내시경에 사용되는 광섬유에서 위와 같은 비선형성 및 분산 특성을 동시에 극복하기 위하여 본 발명에서는 광밴드갭 광섬유의 사용을 제안하고 있다. 광 밴드갭 광섬유에서 빛은 전반사가 아닌 밴드갭 효과 즉, 굴절률의 차이에 의해 굴절률이 높은 곳에서 빛을 손실 없이 전송할 수 있는 효과에 의하여 도파되는데, 밴드갭 특성은 앞서 언급한 기존의 도파로에서의 비선형성과 분산 문제를 동시에 해결할 수 있다. In order to overcome the above nonlinearity and dispersion characteristics in the optical fiber used in the CARS endoscope, the present invention proposes the use of an optical bandgap optical fiber. In the optical bandgap optical fiber, the light is guided by the bandgap effect, not total reflection, that is, the light can be transmitted without loss at high refractive index due to the difference in refractive index. Nonlinearity and dispersion problems can be solved simultaneously.

도 3(b)은 CARS 내시경 구현을 위한 광 밴드갭 광섬유의 투과특성을 묘사하고 있다. 그림과 같이 동작 영역에서 불연속적인 광 밴드갭 투과 특성을 가지는 광섬유를 구현하였을 때 펌프, 스톡스 광은 광 밴드갭 내부에 존재하여 밴드갭 효과에 의하여 도파되고, CARS 신호는 밴드갭 외부에 존재하여 외부 클래딩과의 전반사를 통하여 도파되도록 설계한다. 밴드갭 효과에 의하여 진행하는 빛의 모드 크기는 코어와 코어를 둘러싼 클래딩(밴드갭) 구조에 의하여 결정되는데, 앞으로 제안할 구조에서 코어 모드의 크기는 일반 단일 모드 광섬유와 비교하여 3~5배 큰 면적을 가지며, 이는 내시경에 쓰이는 짧은 길이(<2 m)의 광섬유에 대하여 주목할 만한 비선형 현상을 야기하지 않는다. Figure 3 (b) depicts the transmission characteristics of the optical bandgap optical fiber for CARS endoscope implementation. As shown in the figure, when the optical fiber with discontinuous optical bandgap transmission characteristics is implemented in the operating region, the pump and stokes light are inside the optical bandgap and guided by the bandgap effect, and the CARS signal is located outside the bandgap. Design to be guided through total reflection with cladding. The mode size of the light propagated by the band gap effect is determined by the core and the cladding (bandgap) structure surrounding the core. In the structure proposed in the future, the core mode size is 3 to 5 times larger than that of a general single mode fiber. It has an area, which does not cause a noticeable nonlinear phenomenon for short length (<2 m) optical fibers used in endoscopes.

밴드갭 효과에 의한 도파의 중요한 특성 중 하나는 도파하는 매질의 분산 특성과 관계없이 각각의 밴드갭의 중심에서 빛이 영 분산값을 보이며, 밴드갭 경계로 이동하면서 큰 분산값으로 변화 한다는 것이다. 따라서 각각 밴드갭의 위치를 적절히 조절하면 진행하는 펌프, 스톡스 광이 영 분산값을 가지게 하거나 혹은 빛의 솔리톤(매질 주변의 경계면과 파동이 비선형적 상호작용을 하면서 에너지가 쉽게 흩어지지 않고 산란이 거의 되지 않는 파동) 진행을 유도할 수 있다. 이는 분산에 따른 펄스의 선형적인 왜곡을 방지하고 나아가 비선형 현상을 동시에 극복하는 빛의 솔리톤 진행을 구현할 수 있다는 장점을 가진다. One of the important characteristics of waveguides by the bandgap effect is that the light shows zero dispersion at the center of each bandgap and changes to a large dispersion value as it moves to the bandgap boundary regardless of the dispersion characteristics of the waveguide medium. Therefore, if each bandgap is properly adjusted, the advancing pump, Stokes light will have zero dispersion, or the soliton of light (the nonlinear interaction of the interface and the wave around the medium will not dissipate easily and the scattering will be nearly Can be induced). This has the advantage that it is possible to implement soliton propagation of light which prevents linear distortion of the pulse due to dispersion and further overcomes nonlinear phenomenon.

한편 생성된 CARS 신호는 그림에서와 같이 밴드갭의 바깥쪽에 존재하도록 디자인하여 다양한 각도를 가지고 후방 산란되는 CARS 신호가 클래딩의 밴드갭 구조에 의해 반사되지 않고 투과 할 수 있도록 한다. 이렇게 클래딩에 입사된 빛은 큰 개구수를 가지는 이중 클래딩 구조를 통하여 도파되어 효율적으로 CARS 신호를 수집할 수 있게 해준다. On the other hand, the generated CARS signal is designed to exist outside the bandgap as shown in the figure so that the CARS signal, which is scattered backwards at various angles, can be transmitted without being reflected by the bandgap structure of the cladding. The light incident on the cladding is guided through a double cladding structure having a large numerical aperture so that the CARS signal can be efficiently collected.

도 4는 본 발명에서 제안하는 광섬유의 단면 구조를 묘사하고 있다. 본 광섬유는 크게 ①중심 코어, ②안쪽 광 밴드갭 클래딩, ③바깥쪽 공기 클래딩 부분으로 구성되어 있다. 바깥쪽 공기 클래딩은 환형 구조를 가지고 있고 이 구조를 지지용 외부 실리카(140)가 지지하고 있는데 이는 안쪽 구조와 큰 굴절률 차이를 지니고 있다. 안쪽 실리카 부분의 평균 굴절률을 고려할 때 도파되는 빛의 개구수(Numerical Aperture)는 0.5 이상의 큰 값으로 이는 시료에서 산란되는 후방산란 CARS 신호(epi CARS 신호)를 효율적으로 수집, 도파 시켜주는 역할을 한다. 4 illustrates a cross-sectional structure of the optical fiber proposed in the present invention. The optical fiber is composed of ① core core, ② inner optical band gap cladding, and ③ outer air cladding part. The outer air cladding has an annular structure, which is supported by the supporting outer silica 140, which has a large refractive index difference with the inner structure. Considering the average refractive index of the inner silica part, the numerical aperture of light to be guided is a large value of 0.5 or more, which effectively collects and guides the backscattered CARS signal (epi CARS signal) scattered from the sample. .

광섬유 코어(110)는 실리카 매질(n1~1.45)로 이루어져 있고 이는 높은 굴절 률(n2:1.47~1.7)의 원형 매질(121)을 포함한 광 밴드갭 클래딩 구조 즉, 내부 클래드(120)에 의하여 둘러싸여 있다. 도 4에서 기술하는 내부 클래드(120) 구조는 삼각형 격자 구조(triangular lattice)로써 도면과 같이 실리카 내에 높은 굴절률 n2 직경 d의 원형 구조가 60° 각도로 회전 대칭된 형상을 이루며 높은 굴절률의 원형 매질(121) 사이의 거리(

Figure 112008087293270-pat00007
) 간격으로 이루어진 모양을 가진다. 클래딩 구조에서 안쪽 하나의 구멍을 제거하면 이 부분이 광결정 광섬유의 코어(110) 부분이 된다. 내부 클래드(120)의 밴드갭 특성은 직경 d와 굴절률 차이(n2-n1)에 의하여 결정되고, 코어모드의 특성은 원형 매질(121) 사이의 거리(
Figure 112008087293270-pat00008
)와 직경(d)에 의하여 결정된다. The optical fiber core 110 is composed of a silica medium (n 1 to 1.45), which is an optical bandgap cladding structure including a circular medium 121 of high refractive index (n 2 : 1.47 to 1.7), that is, to the inner clad 120. Is surrounded by. The inner cladding 120 structure described in FIG. 4 is a triangular lattice, and a circular structure having a high refractive index n 2 diameter d in a silica is rotationally symmetrical at a 60 ° angle as shown in the figure, and has a high refractive index circular medium. Distance between 121
Figure 112008087293270-pat00007
) It has a shape composed of intervals. If one inner hole is removed from the cladding structure, this becomes the core 110 portion of the photonic crystal fiber. The bandgap characteristics of the inner clad 120 are determined by the diameter d and the refractive index difference n 2 -n 1 , and the core mode characteristic is the distance between the circular media 121.
Figure 112008087293270-pat00008
) And diameter (d).

본 발명에서

Figure 112008087293270-pat00009
는 7~10 mm,
Figure 112008087293270-pat00010
은 0.2~0.45, n2=1.47~1.7 사이의 값을 가지도록 설계한다. 이는 빛이 동작영역(700 nm~1500 nm)에서 불연속적인 밴드갭을 생성할 수 있도록 해준다. 생성된 밴드갭은 도 4의 하단 그림과 같이 펌프광 및 스톡스 광에 대하여는 코어(110)로, CARS 광은 내부 클래드(120)로 진행 할 수 있게 해준다. 이때 펌프광 및 스톡스광을 진행하는 코어(110)는 비교적 큰 유효 면적 A eff (100 ~ 200 mm2)을 가짐으로써 작은 비선형 특성을 유지시켜 준다. In the present invention
Figure 112008087293270-pat00009
Is 7-10 mm,
Figure 112008087293270-pat00010
Is designed to have a value between 0.2 ~ 0.45, n 2 = 1.47 ~ 1.7. This allows light to produce discrete bandgaps in the operating region (700 nm to 1500 nm). The generated bandgap allows the core 110 to travel to the pump light and Stokes light and the CARS light to the inner clad 120 as shown in the bottom of FIG. 4. At this time, the core 110, which propagates the pump light and the stokes light, has a relatively large effective area A eff (100 to 200 mm 2 ) to maintain a small nonlinear characteristic.

따라서 도 4와 같은 구조는 비선형 왜곡 및 분산 문제없이 광밴드갭 효과로 펌프, 스톡스 광을 진행 시키고, CARS 광은 내부 클래드(120)에 의하여 효율적으로 수집할 수 있는 최적화된 도파로 구조가 된다. Therefore, the structure as shown in FIG. 4 proceeds the pump and Stokes light with an optical band gap effect without nonlinear distortion and dispersion problems, and the CARS light becomes an optimized waveguide structure that can be efficiently collected by the inner clad 120.

도 5는 도 4의 구조를 진행하는 빛의 밴드갭 특성 및 분산 특성을 전산모사 를 통하여 보여주고 있다. 전산모사에 사용된 값들은 각각 d=3 mm,

Figure 112008087293270-pat00011
=7 mm, n2=1.64 이다. 최적화 설계된 광섬유에서 펌프(~817 nm)와 스톡스 파장(~1064 nm)은 밴드갭 안 즉, 코어(110)에 존재하며, CARS 신호의 파장 (~660nm)은 밴드갭의 바깥쪽에 존재하여 밴드갭 효과로 진행되지 않고 내부 클래드(120)로 진행하는 것을 예상할 수 있다. 도면은 각각의 밴드갭을 진행하는 최저차 모드의 유효굴절률을 같이 보여 주고 있는데 이를 통하여 밴드갭 내부를 진행하는 코어모드의 빛의 분산 특성을 예측 할 수 있다. 전산모사를 통하여 계산된 분산 값은 펌프, 스톡스 광에 대하여 ±30 ps/km/nm 사이의 값을 보이고 있으며 이는 좀 더 정교한 설계를 통하여 줄일 수 있을 것으로 예상한다.FIG. 5 shows the bandgap characteristics and dispersion characteristics of the light that proceeds through the structure of FIG. 4 through computer simulation. The values used in computer simulation are d = 3 mm,
Figure 112008087293270-pat00011
= 7 mm, n 2 = 1.64. In an optimized optical fiber, the pump (~ 817 nm) and Stokes wavelength (~ 1064 nm) are present in the bandgap, i.e., core 110, and the wavelength of the CARS signal (~ 660nm) is outside the bandgap, resulting in a bandgap. It can be expected to proceed to the inner clad 120 without going into effect. The figure shows the effective refractive index of the lowest-difference mode that progresses through each bandgap. Through this, it is possible to predict the dispersion of light in the core mode that progresses inside the bandgap. The dispersion values calculated by computer simulation show values between ± 30 ps / km / nm for pump and Stokes light, which can be reduced by more sophisticated design.

도 1은 가상 에너지 준위(점선)과 시료 분자의 진동 에너지 준위(실선)에서 CARS 광신호 생성의 원리를 나타낸 개략도1 is a schematic diagram showing the principle of CARS optical signal generation at the virtual energy level (dotted line) and the vibration energy level of the sample molecule (solid line)

도 2는 광섬유를 이용한 CARS 내시경의 구성모식도2 is a schematic diagram of a CARS endoscope using an optical fiber

도 3은 (a) 광 밴드갭 광섬유를 진행하는 펌프, 스톡스 광 및 CARS 신호 모습 (b) 광 밴드갭 광섬유의 파장에 따른 투과 특성 개념도. Figure 3 is a (a) the pump, Stokes light and CARS signal that proceeds through the optical bandgap optical fiber (b) the conceptual diagram of the transmission characteristics according to the wavelength of the optical bandgap optical fiber.

도 4는 전산모사를 기반으로 한 광 밴드갭 광섬유 구조의 최적화 설계 및 광 밴드갭 광섬유를 진행하는 펌프, 스톡스, CARS 빛의 분포 특성. Figure 4 is an optimization design of optical bandgap optical fiber structure based on computer simulation and distribution characteristics of the pump, Stokes, CARS light that proceeds to the optical bandgap optical fiber.

도 5는 본 발명에 의한 광밴드갭 광섬유의 투과 및 분산 특성의 전산모사 결과. 5 is a computer simulation result of the transmission and dispersion characteristics of the optical bandgap optical fiber according to the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

100: 광섬유 110: 코어100: optical fiber 110: core

120: 내부 클래드 121: 원형 매질120: inner clad 121: circular medium

130: 외부 클래드 140: 지지용 외부 실리카130: outer clad 140: support outer silica

Claims (5)

삭제delete 삭제delete 스톡스광과 펌프광이 겹쳐진 빔을 측정시료로 전달하며 측정시료로부터 재 반사된 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering : CARS) 신호를 광 검출기로 전달하는 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 광밴드갭 광섬유(100)에 있어서, Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS) signal, which transmits the beam overlapped with Stokes and pump light to the measurement sample, and transmits the Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) signal to the photo detector. In the optical bandgap optical fiber 100, 중심에 위치하여 스톡스광과 펌프광을 측정시료로 전달하는 코어(110)와, A core 110 positioned at the center and transmitting the stokes light and the pump light to the measurement sample; 상기 코어(110)의 외부에 형성되며, 상기 코어(110)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지도록 내측 부위에 주기적인 구조의 원형 매질(121)이 광섬유의 길이방향으로 길게 형성되어 광 밴드갭 효과에 의해 스톡스광과 펌프광을 손실 없이 상기 코어(110)를 통해 전달되도록 하고 상기 재 반사된 CARS 신호를 광검출기로 전반사하는 내부 클래드(120)와, It is formed on the outside of the core 110, the circular medium 121 having a periodic structure in the inner portion is formed long in the longitudinal direction of the optical fiber so as to have a refractive index higher than the refractive index of the core 110 to the optical band gap effect An inner clad 120 that allows stokes and pump lights to be transmitted through the core 110 without loss and totally reflects the re-reflected CARS signal to a photodetector; 상기 내부 클래드(120) 외곽에 환형 테두리 형상으로 되며 공기층으로 된 외부 클래드(130)와, An outer cladding 130 having an annular rim shape and an air layer outside the inner clad 120, 상기 외부 클래드(130) 외측을 감싸서 지지하는 지지용 외부 실리카(140)를 포함하여 이루어지고,It comprises a support outer silica 140 for wrapping and supporting the outside of the outer clad 130, 상기 코어(110)는 실리카로 되며,The core 110 is made of silica, 상기 내부 클래드(120)에 포함된 원형매질(121)은 상기 코어(110) 보다 굴절률이 높은 Ge-도핑된 실리카로 된 것이고,The circular medium 121 included in the inner clad 120 is made of Ge-doped silica having a higher refractive index than the core 110. 상기 내부 클래드(120)의 원형매질(121)은 상기 코어(110)를 중심으로 일정간격으로 삼각형 격자 구조(triangular lattice)가 60° 각도로 회전 대칭된 형상을 이루며 원형매질(121) 사이의 거리(
Figure 112010081998178-pat00012
)는 7~10 ㎛이고, 상기 원형매질(121)의 직경(d)과 거리(
Figure 112010081998178-pat00013
)와의 비(
Figure 112010081998178-pat00014
)는 0.2~0.45인 것을 특징으로 하는 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 광밴드갭 광섬유.
The circular medium 121 of the inner clad 120 has a triangular lattice in which the triangular lattice is rotated symmetrically at an angle of 60 ° at a predetermined interval about the core 110 and the distance between the circular mediums 121. (
Figure 112010081998178-pat00012
) Is 7 ~ 10 ㎛, the diameter (d) and the distance (of the circular medium 121)
Figure 112010081998178-pat00013
Ratio with)
Figure 112010081998178-pat00014
) Is an optical bandgap optical fiber for the coherent antistock Raman scattering endoscope, characterized in that 0.2 ~ 0.45.
제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 내부 클래드(120)에 포함된 원형매질(121)의 굴절률은 n2=1.47~1.7 이며, 상기 내부 클래드(120)를 통과하는 광의 파장이 600~1100 nm 인 영역에서 불연속적인 광 밴드갭 효과에 의해 상기 재 반사된 CARS 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 광밴드갭 광섬유.The refractive index of the circular medium 121 included in the inner clad 120 is n 2 = 1.47 to 1.7, and the discontinuous optical band gap effect in the region where the wavelength of the light passing through the inner clad 120 is 600 to 1100 nm. An optical bandgap optical fiber for a coherent antistock Raman scattering endoscope characterized in that for transmitting the re-reflected CARS signal. 삭제delete
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