KR101657395B1 - 광섬유 브래그 격자를 이용한 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템 및 방법 - Google Patents

광섬유 브래그 격자를 이용한 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

광섬유 브래그 격자를 이용한 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 분광 시스템은, 펄스 레이저를 생성하는 광원, 광원에서 생성된 펄스를 정형하는 광섬유 브래그 격자 및 정형된 펄스가 조사된 시료에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 계측하는 분광기를 포함한다. 이에 의해, 광섬유 브래그 격자를 이용하여 펄스 레이저를 노치 정형할 수 있게 되어, 하나의 광원을 사용하는 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템의 펄스 정형기를 보다 간단하게 구현할 수 있게 된다.

Description

광섬유 브래그 격자를 이용한 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템 및 방법{Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy System via Fiber Bragg Grating and Spectroscopy Method thereof}
본 발명은 분광 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간섭성 반 스톡스 라만 분광 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy) 시스템을 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 타이사파이어 펨토초 레이저 발진기(Ti:sapphire Femtosecond Laser Oscillator)(10)로부터 출사되는 강한 세기의 광원을 빔 스플리터(20)에서 나누어 하나는 지연단(40)을 통해 색선별 거울(Dichroic Mirror)(50)로 전달되어 펌프 레이저로 사용되고 다른 하나는 파장이 가변 가능한 스톡스 레이저를 만드는데 사용된다.
파장 가변은 광 파라메트릭 발진기(Optical Parametric Oscillator, OPO)(30)를 통해 이루어진다. 이 밖에도, 광 파라메트릭 증폭기(Optical Parametric Amplifier, OPA)를 사용하거나, 서로 다른 파장의 피코초 펄스 레이저를 동기화하여 사용하는 것도 가능하다.
도 1에 도시된 CARS 시스템은 매우 복잡하고 크다는 단점이 있다. 또한, 고가이며 전문가가 지속적으로 광학 부품들의 정렬을 보정해주어야 함으로 연구실 수준 이외에서 사용은 제한되고 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위해서 제안된 것이 단일 광(Single-beam) CARS 시스템이다. 이 시스템은 하나의 광원을 이용하여 펄스 정형(pulse shaping)을 통해 CARS 신호를 획득한다. 하나의 광원에 펄스 정형 시스템만을 추가함으로써 기존의 CARS 시스템보다 싸고 간단하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 여전히 SLM과 같은 고가의 장비가 필요하며, 이 역시 지속적인 정렬이 필요하다는 불편이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 광섬유 브래그 격자를 이용하여 펄스 레이저를 노치 정형(notch shaping) 하는 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 분광 시스템은, 펄스 레이저를 생성하는 광원; 상기 광원에서 생성된 펄스를 정형하는 광섬유 브래그 격자; 및 정형된 펄스가 조사된 시료에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 계측하는 분광기;를 포함한다.
그리고, 상기 광섬유 브래그 격자는, 상기 광원에서 생성된 펄스에서 특정 파장대를 감쇠시킬 수 있다.
또한, 상기 광섬유 브래그 격자는, 상기 광원에서 생성된 펄스를 노치 정형할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 시스템은, 상기 광원과 상기 광섬유 브래그 격자에 마련되어, 상기 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 펄스를 차단하는 아이솔레이터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 시스템은, 상기 광원에서 생성된 펄스를 상기 광섬유 브래그 격자에 포커싱하는 제1 렌즈; 및 상기 광섬유 브래그 격자에서 출사되는 정형된 펄스를 평행하게 변환하는 제2 렌즈;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 시스템은, 상기 정형된 펄스를 반복적으로 반사시키는 처프 미러 세트;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 시스템은, 상기 광원의 전단에 마련되어, 단파장을 투과하는 필터;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광원은, 타이사파이어 펨토초 광원일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 분광 계측 방법은, 광원이, 펄스 레이저를 생성하는 단계; 광섬유 브래그 격자가, 상기 생성단계에서 생성된 펄스를 정형하는 단계; 및 분광기가, 상기 정형단계에서 정형된 펄스가 조사된 시료에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 계측하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 정형 단계는, 상기 생성단계에서 생성된 펄스에서 특정 파장대를 감쇠시킬 수 있다.
또한, 상기 정형 단계는, 상기 생성단계에서 생성된 펄스를 노치 정형할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 광섬유 브래그 격자를 이용하여 펄스 레이저를 노치 정형할 수 있게 되어, 하나의 광원을 사용하는 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템의 펄스 정형기를 보다 간단하게 구현할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 실시예들에 따르면, 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템의 부피를 줄이고 가격을 낮출 수 있으며, 정렬 등의 지속적인 유지 관리가 필요하지 않는다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 CARS 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템을 도시한 도면,
도 3은 실제작된 광섬유 브래그 격자를 촬영한 사진,
도 4 및 도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템의 실험결과를 나타낸 그래프들, 그리고,
도 6은 광섬유 브래그 격자에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy System)을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 '간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템'(이하, '분광 시스템'으로 약칭한다.)은, 펄스 정형(Pulse Shaping)을 위해 광섬유 브래그 격자(120)를 이용한다.
본 발명의 실시예에 따른 분광 시스템에서, 광섬유 브래그 격자(120)는 협 대역 노치 필터(Notch Filter)로 기능한다. 이에, 광섬유 브래그 격자(120)는 펄스 레이저의 특정 파장대를 흡수 감쇠시킨다. 즉, 광섬유 브래그 격자(120)는 펄스 레이저를 노치 정형(Notch Shaping) 한다.
본 발명의 실시예에 따른 분광 시스템에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 타이사파이어 펨토초 레이저 발진기(Ti:sapphire Femtosecond Laser Oscillator)(105), 패러데이 아이솔레이터(Faraday Isolator)(110), 대물 렌즈(Objective Lens)(115), 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Gating)(120), 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens)(125), 미러(Mirror)(130), 처프 미러 세트(Chirped Mirror Sst)(135), 미러(Mirror)(140), 광학계(150,160), 시료(155), SPF(Short Pass Filter)(165) 및 분광기(Spectrometer)(170)를 포함한다.
펨토초 레이저 발진기(105)는 펄스 레이저를 생성하는 광원이다. 펄스 레이저는, 중심 파장 800nm, 대역폭 60nm, 평균 전력 200mW 및 펄스 반복률 80MHz인 것이 적정하지만, 이와 다른 사양의 펄스 레이저를 이용하는 것도 무방하다.
패러데이 아이솔레이터(110)는 펨토초 레이저 발진기(105)와 광섬유 브래그 격자(120)의 사이에 마련되어, 광섬유 브래그 격자(120)에서 반사되는 펄스를 차단한다.
패러데이 아이솔레이터(110)는 광섬유 브래그 격자(120)에서 반사되는 펄스가 펨토초 레이저 발진기(105)로 유입되는 것을 방지하기 위한 구성이다.
대물 렌즈(115)는 펨토초 레이저 발진기(105)에서 생성되어 패러데이 아이솔레이터(110)를 통과한 펄스를 광섬유 브래그 격자(120)에 포커싱하기 위한 렌즈이다.
광섬유 브래그 격자(120)는 대물 렌즈(115)에 의해 포커싱된 펄스를 정형하기 위한 구성이다. 펄스 정형을 위해, 광섬유 브래그 격자(120)는 협 대역 노치 필터로 기능한다.
광섬유 브래그 격자(120)는 펄스의 특정 파장대를 흡수 감쇠시켜, 펄스를 노치 정형한다. 이에 의해, 광섬유 브래그 격자(120)에서는 노치 정형 펄스(Notch Shaped Pulse)가 출사된다.
도 3은 실제작된 광섬유 브래그 격자(120)를 촬영한 사진이다. 광섬유 브래그 격자(120)는, 광섬유 타입 780HP, 대역폭 0.90nm, 브래그 파장 785.06 nm, 반사율 99.97%로 구현하는 것이 적정하지만, 이와 다른 사양으로 구현하는 것도 무방하다.
콜리메이팅 렌즈(125)는 광섬유 브래그 격자(120)에서 출사되는 노치 정형 펄스를 평행하게 변환한다. 콜리메이팅 렌즈(125)에 의해 평행하게 변환된 노치 정형 펄스는 미러(130)를 통해 처프 미러 세트(135)로 입사된다.
처프 미러 세트(135)는 입사되는 노치 정형 펄스 반복적으로 반사시켜, 패러데이 아이솔레이터(110)와 광섬유 브래그 격자(120)에 의한 positive dispersion를 감소시킨다.
즉, 처프 미러 세트(135)는 포지티브 처프된 펄스(positive chirped pulse)를 보상하기 위한 수단이다. 처프 미러 세트(135)에 의한 노치 정형 펄스의 반복 반사 횟수는 80회가 적정하지만, 이와 다른 횟수로 구현하는 것도 무방하다.
처프 미러 세트(135)에서 출사되는 노치 정형 펄스는 미러들(130, 140)을 통과한 후 광학계(150,160)에 의해 시료(155)를 투과한다.
SPF(165)는 광학계(160)를 통해 전달되는 시료(155)에서 방출된 빛에서 단파장의 빛만을 투과시키는 필터이다.
분광기(170)는 SPF(165)에서 투과되는 시료(155)에서 방출된 빛의 스펙트럼을 계측한다.
도 4 및 도 5는, 도 3과 같이 실제작된 광섬유 브래그 격자(120)를 이용한 본 발명의 실시예에 따른 간섭성 반 스톡스 라만 분광 시스템의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 4의 그래프들에 나타난 바와 같이, 광섬유 브래그 격자(120)에 의해 785nm가 흡수된 평균 전력 50mW의 노치 정형 펄스를 분광기(170)에서 계측할 수 있었다.
즉, 도 4의 상부에 도시된 Raw 펄스는, 광섬유 브래그 격자(120)에 의해 도 4의 하부에 도시된 노치 펄스로 정형된 것임을 확인할 수 있으며, 정형도가 매우 우수하게 나타난 것도 확인가능하다.
또한, 도 5에 나타난 간섭계 자기 상관 결과(interferometric autocorrelation result)는 노치 정형 펄스 폭(notch shaped pulse duration)이 약 40fsec 미만으로, 우수하게 나타났음을 보여준다.
도 6은 광섬유 브래그 격자(120)에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 컴퓨터 시뮬레이션은 MATLAB tools로 수행되었다.
도 6은 Raw 펄스와 광섬유 브래그 격자(120)에 의해 생성된 노치 정형 펄스의 공진 신호를 비교한 그래프로, 아세톤(acetone)의 라만 스펙트럼인 분자 진동이 790nm에 위치하는 것을 가정하여, 분자 진동에 의해 노치 정형 펄스에 740nm의 딥(dip)이 나타난 결과를 보여주고 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
105 : 사파이어 펨토초 레이저 발진기(Ti:sapphire Femtosecond Laser Oscillator)
110 : 패러데이 아이솔레이터(Faraday Isolator)
120 : 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Gating)
135 : 처프 미러 세트(Chirped Mirror Sst)
165 : SPF(Short Pass Filter)
170 : 분광기(Spectrometer)

Claims (10)

  1. 펄스 레이저를 생성하는 광원;
    상기 광원에서 생성된 펄스를 정형하는 광섬유 브래그 격자;
    상기 정형된 펄스를 반복적으로 반사시키는 처프 미러 세트; 및
    상기 처프 미러 세트에서 출사되는 정형된 펄스가 조사된 시료에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 계측하는 분광기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광섬유 브래그 격자는,
    상기 광원에서 생성된 펄스에서 특정 파장대를 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 분광 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광섬유 브래그 격자는,
    상기 광원에서 생성된 펄스를 노치 정형하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원과 상기 광섬유 브래그 격자에 마련되어, 상기 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 펄스를 차단하는 아이솔레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원에서 생성된 펄스를 상기 광섬유 브래그 격자에 포커싱하는 제1 렌즈; 및
    상기 광섬유 브래그 격자에서 출사되는 정형된 펄스를 평행하게 변환하는 제2 렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은,
    타이사파이어 펨토초 광원인 것을 특징으로 하는 분광 시스템.
  8. 광원이, 펄스 레이저를 생성하는 단계;
    광섬유 브래그 격자가, 상기 생성단계에서 생성된 펄스를 정형하는 단계;
    처프 미러 세트가, 상기 정형단계에서 정형된 펄스를 반복적으로 반사시키는 단계;및
    분광기가, 상기 처프 미러 세트에서 출사되는 정형된 펄스가 조사된 시료에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 계측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 정형 단계는,
    상기 생성단계에서 생성된 펄스에서 특정 파장대를 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 분광 계측 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 정형 단계는,
    상기 생성단계에서 생성된 펄스를 노치 정형하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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