KR20070074900A - 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기 및 이를 이용한의료용 진단기기 - Google Patents

연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기 및 이를 이용한의료용 진단기기 Download PDF

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Abstract

저가형 멀티모드 반도체 레이저를 펌핑광으로 사용하며, 희토류 첨가 광섬유와 고비선형 광섬유를 링 공진기 구조에 적용함으로서 연속 파형 초광대역 광원을 구현할 수 있는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기 및 이를 이용한 의료용 진단기기에 관하여 개시한다. 본 발명은 펌핑광을 공진기 내로 입력하는 펌핑광 결합기와 상기 펌핑광을 받아 소정 파장 대역의 시드 빛으로 변환하는 희토류 첨가 광섬유와 상기 희토류 첨가 광섬유에 의해 변환되어 공진기 내에서 오실레이션되는 빛을 연속 파형 초광대역의 레이저 광원으로 변환시키는 고비선형 광섬유 및 상기 고비선형 광섬유에서 발생되는 초광대역의 레이저 광원을 출력하는 커플러를 포함하여 형성되는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기로 구성된다. 따라서, 간단하고 저가형이면서도 연속 파형의 초광대역 레이저 광원을 구현할 수 있다.

Description

연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기 및 이를 이용한 의료용 진단기기{Continnuous Wave Supercontinuum Laser Source Resonator and Medical diagnostic Apparatus using the same}
도 1은 일반적인 희토류 광섬유의 증폭된 자기 발광 현상(ASE:Amplified Spontaneous Emission)을 이용한 광대역 광원의 구조도이다.
도 2는 도 1의 구조에서 펌핑광의 세기를 증가시킬 때 출력광의 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 일반적인 광섬유 레이저 광원 링공진기의 구조도이다.
도 4는 도 3의 구조에서 펌핑광의 세기를 증가시킬 때 출력광의 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연속 파형 초광대역 레이저 광원 링공진기의 구조도이다.
도 6은 도 5의 구조에서 펌핑광의 세기를 증가시킬 때 출력광의 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1과 도 5의 구조에서 펌핑광 세기를 조절함에 따른 출력광 세기의 변화를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연속 파형 초광대역 레이저 광원 패브리페로(Fabry-Perot) 공진기의 구조도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
10 : 희토류 첨가 광섬유 20 : 고비선형 광섬유
30 : 펌핑광 결합기 40 : 커플러
50 : 아이솔레이터 60 : 멀티모드 레이저 다이오드
본 발명은 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기에 관한 것으로서, 구체적으로 저가형 멀티모드 반도체 레이저를 펌핑광으로 사용하며, 희토류 첨가 광섬유와 고비선형 광섬유를 링 공진기 구조에 적용함으로서 연속 파형 초광대역 광원을 구현할 수 있는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기 및 이를 이용한 의료용 진단기기에 관한 것이다.
현재, 의료 분야에는 다양한 형태의 진단용 기기가 사용되고 있으며, 이러한 진단용 기기 중에 광학 센서를 사용하는 기기들이 주목받고 있다.
생체 조직에 대해 비접촉, 비침습적 방식으로 깊이 수 mm까지의 미세조직 관찰이 가능한 신 기술인 광 결맞음성 단층 촬영술(Optical Coherent Tomography: OCT)은 레이저 빛의 경로차 간섭현상을 이용하여 3차원의 영상을 제공한다.
이러한 영상 제공을 위하여 필수적으로 고려되는 사항으로서 목적에 따라 알맞은 특성을 가지는 레이저 광원의 개발과 구현이 핵심 기술이다. 일반적으로 레이저는 그 시간적 특성에 따라 펄스 모드(Pulse Mode)와 연속 모드(Continuous Mode)로 구분되고, 결맞음성 길이에 따라 고 결맞음성(High Coherence)과 저 결맞음성(Low Coherence)으로 구분되며, 파장에 따라 자외선(UV), 가시광선(Visual) 및 적외선(IR) 등으로 분류가 가능하다.
특히, 광결맞음성 단층 촬영술(OCT)에 사용되기 위해서는 아래 수학식 1에서와 같이 저 결맞음성(Low Coherence)의 빛을 사용할수록 더 적은 분해능의 정밀한 영상을 얻을 수 있으므로 초광대역의 광스펙트럼이 요구된다.
lC = 0.44λ0/ㅿλ
여기서, lC 는 결맞음성 길이(Coherence length)이고, λ0 는 중심 파장이며, ㅿλ는 대역폭이다.
이때, 광신호 추출을 위하여 최소한 수 mW급의 평균 광출력 파워가 요구되지만, 순간 출력에 의한 세포조직의 손상을 피하기 위하여 펄스 모드(Pulse Mode) 보다는 연속 모드(Continuous Mode) 출력 형태가 선호된다.
또한, 장파장의 빛일수록 레일리 산란(Rayleigh Scattering)의 효과가 줄어들어 빛의 조직 내부 침투가 용이 하지만 멜라닌, 수분, 헤모글로빈 등의 다양한 구성성분을 가지는 각각의 생체 조직을 고려할 때에 800nm ~ 2000nm 적외선(IR) 영역내의 다양한 파장 대역에 대하여 각각의 레이저의 개발이 요구된다.
도 1은 일반적인 희토류 광섬유의 증폭된 자기 발광 현상(ASE)을 이용한 광대역 광원의 구조도이고, 도 2는 도 1의 구조에서 펌핑광의 세기를 증가시킬 때 출력광의 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 희토류 광섬유의 증폭된 자기 발광 현상(ASE)을 이용한 광대역 광원은 희토류 첨가 광섬유(Er/Yb Codoped Double Clad Fiber, 10), 펌핑광 결합기(Pump Combiner, 30), 아이솔레이터(Isolator, 50) 및 멀티모드 레이저 다이오드(60)로 구성된다.
멀티모드 레이저 다이오드(60)에서 출력되는 975 nm의 펌핑광이 희토류 첨가 광섬류(10)를 통해 1560 nm 대역의 시드 빛으로 변환된다. 상기 시드 빛은 아이솔레이터(50)를 통해 출력단으로 출력된다. 이는 도 2에서 나타낸 바와 같이 전형적인 희토류 첨가 광섬유(10)의 ASE 스펙트럼이 관찰된다. 따라서, 발생되는 빛의 대역폭은 첨가된 희토류 이온 즉, 도 2에서는 Er/Yb의 발광 대역에 한정된다.
도 3은 일반적인 광섬유 레이저 광원 링공진기의 구조도이고, 도 4는 도 3의 구조에서 펌핑광의 세기를 증가시킬 때 출력광의 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일반적인 광섬유 레이저 광원 링공진기는 희토류 첨가 광섬유(Er/Yb Codoped Double Clad Fiber, 10), 펌핑광 결합기(Pump Combiner, 30), 커플러(Coupler, 40), 아이솔레이터(Isolator, 50) 및 멀티모드 레이저 다이오드(Multimode Laser Diodes, 60)로 구성된다.
멀티모드 레이저 다이오드(60)에서 출력되는 975 nm의 펌핑광이 희토류 첨가 광섬류(10)를 통해 1560 nm대역의 시드 빛으로 변환된다. 상기 시드 빛은 링공진기 내를 오실레이션하면서 여기 발광 현상(Stimulated Emission) 을 발생시키고 상기 레이저 광원은 80 대 20 커플러(40)를 통해 20% 포트로 출력된다. 이는 도 4에서와 같이 일반적인 광섬유 링레이저의 출력형태인 단일 피크 레이저 출력을 보이고 있다.
상기 도 1 내지 도 4에서 살펴본 바와 같이 종래기술의 구조에서는 전형적인 희토류 첨가 광섬유의 ASE 스펙트럼이 나오거나 일반적인 광섬유 링레이저의 출력인 단일 피크 레이저 스펙트럼이 출력될 뿐, 초광대역의 레이저 광원은 출력되지 않는다는 것을 알 수 있다.
종래의 초광대역 광원 기술은 크게 초발광 레이저 다이오드(Superluminescent Laser Diode) 와 광섬유 기반의 초광대역 광원 (Optical Fiber based Supercontinuum Light Source)로 나눌 수 있다. 먼저, 초발광 레이저 다이오드(Superluminescent Laser Diode)는 경량화와 연속 모드(Continuous Mode)의 장점이 있지만, 광출력 파워에 한계가 있고 수십 nm 대역만이 개발되어 오고 있다. 반면에 기존의 광섬유 기반의 초광대역 광원(Optical Fiber based Supercontinuum Light Source)은 수백 nm 초광대역 스펙트럼이 가능하지만 광 펌프를 위하여 펄스 모드(Pulse Mode)의 여타이/사파이어 레이저 광(Ti:Siphire)을 사용하므로 소형화와 순간 과출력 등에 한계를 지니고 있다.
상기 문제점을 해결하고자 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 의료용 진단 기기 응용을 위한 광섬유 기반의 연속 파형 초광대역 레이저 광원을 구현하는데 있다.
또한, 간단하면서도 고성능의 광섬유 기반의 연속 파형 초광대역 레이저 광원을 구현하는데 있다.
또한, 경량 소형화이며 저가형 의료기기, 광측정 장치 또는 광센스를 구현하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기는 펌핑광을 공진기 내로 입력하는 펌핑광 결합기; 상기 펌핑광을 받아 소정 파장 대역의 시드 빛으로 변환하는 희토류 첨가 광섬유; 및 상기 희토류 첨가 광섬유에 의해 변환되어 공진기 내에서 오실레이션 되는 빛을 연속 파형 초광대역의 레이저 광원으로 변환시키는 고비선형 광섬유를 포함한다.
상기 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기는 상기 고비선형 광섬유에서 발생되는 초광대역의 레이저 광원을 출력하는 커플러 및 상기 커플러와 상기 펌핑 광 결합기 사이에 형성되어 상기 공진기 내에서 빛의 오실레이션이 방향성을 갖도록 하는 아이솔레이터를 더 포함하여 형성되는 링 공진기인 것을 특징으로 한다.
또는 상기 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기는 상기 펌핑광 결합기에 연결된 미러를 더 포함하여 형성되는 패브리페로(Fabry-Perot)형 공진기인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 희토류 첨가 광섬유는 더블 클래드 섬유(Double Clad Fiber)구조 또는 싱글 클래드 섬유(Single Clad Fiber) 구조인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 희토류 첨가 광섬유로 입사되는 펌핑광은 멀티모드 레이저 다이오드(multimode laser diodes) 또는 싱글모드 레이저 다이오드(singlemode laser diode)에서 펌핑되는 광인 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 고비선형 광섬유는 실리카 고비선형 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 또는 실리카 이외의 물질을 사용하여 제작된 비선형 광섬유 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은 펌핑광을 공진기 내로 입력하는 펌핑광 결합기; 상기 펌핑광을 받아 소정 파장 대역의 시드 빛으로 변환하는 희토류 첨가 광섬유; 상기 희토류 첨가 광섬유에 의해 변환되어 공진기 내에서 오실레이션되는 빛을 연속 파형 초광대역의 레이저 광원으로 변환시키는 고비선형 광섬유; 및 상기 고비선형 광섬유에서 발생되는 초광대역의 레이저 광원을 출력하는 커플러를 포함하여 형성되는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기를 포함하는 의료용 진단 기기에 의해서도 달성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연속 파형 초광대역 레이저 광원 링공진기의 구조도이다.
도 5를 참조하면, 연속 파형 초광대역 레이저 광원 링공진기는 희토류 첨가 광섬유(Er/Yb Codoped Double Clad Fiber, 10), 고비선형 광섬유(HNL-DSF:Highly Nonlinear Dispersion Shifted Fiber, 20), 펌핑광 결합기(Pump Combiner, 30), 커플러(Coupler, 40), 아이솔레이터(Isolator, 50) 및 멀티모드 레이저 다이오드(Multimode Laser Diodes, 60)를 포함한다.
희토류 첨가 광섬유(10)는 1535 nm의 파장에서 35dB/m의 코어(core) 어븀 흡수율을 갖고 있으며, 클래드(clad)층의 이터븀 흡수율은 975 nm 파장에서 ~5dB/m이다. 상기 희토류 첨가 광섬유(10)의 펌핑광으로는 2개의 멀티모드 반도체 레이저 다이오드(60)를 사용하며, 상기 멀티모드 레이저 다이오드(60)는 975 nm의 파장에서 ~4W의 출력을 가진다.
상기 희토류 첨가 광섬유(10)는 더블 클래드 섬유(Double Clad Fiber)구조를 가지고 설명하였지만, 싱글 클래드 섬유(Single Clad Fiber)구조를 사용할 수도 있다. 또한, 펌핑광을 넣어주는 다이오드를 도 5에서는 멀티모드 레이저 다이오드(Multimode Laser Diodes, 60)를 예를 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고 싱글 모드 레이저 다이오드(Singlemode Laser Diode)를 사용하여 펌핑광을 입력할 수도 있다.
고비선형 광섬유(20)는 상기 희토류 첨가 광섬유(10)와 연결되어 15.5 W/Km의 비선형 상수를 가지고, 제로 분산 파장(zero dispersion wavelength)은 1554 nm이다. 또한, 고비선형 광섬유(20)의 분산 기울기(dispersion slope)는 0.027 ps/nm2/Km이고, 손실은 1.3 dB/Km이다. 고비선형 광섬유(20)로는 실리카 고비선형 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 또는 실리카 이외의 물질을 사용하여 제작된 비선형 광섬유 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
펌핑광 결합기(30)는 상기 멀티모드 반도체 레이저 다이오드(60)에서 나오는 펌핑광을 상기 희토류 첨가 광섬유(10)로 전달하는 역할을 한다.
커플러(40)는 상기 고비선형 광섬유와 출력단 사이에 연결되고, 80% 대 20%의 커플러를 사용하여 링공진기로부터 레이저 출력을 얻을 수 있다.
아이솔레이터(50)는 상기 커플러(40) 다음에 두어 링공진기 내에서 빛의 오실레이션이 방향성을 갖도록 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 연속 파형 초광대역 레이저 광원 링공진기의 동작을 살펴보기로 한다.
도 5에 나타난 바와 같이, 멀티모드 레이저 다이오드(60)에서 출력되는 975 nm의 펌핑광이 희토류 첨가 광섬류(10)를 통해 1560 nm대역의 시드 빛으로 변환된다. 상기 시드 빛은 링공진기 내를 오실레이션하면서 여기 발광(Stimulated Emission) 을 발생시킨다.
그 후 상기 링공진기 내에서 오실레이션 되는 빛은 고비선형 광섬유(20)에서 변조 불안정성(Modulation Instability)과 자극 라만 산란(Stimulated Raman Scattering) 을 통해 아주 넓은 대역의 초광대역(Supercontinuum)으로 변환된다.
상기 고비선형 광섬유(20)에서 출력되는 초광대역(Supercontinuum)의 레이저 광원은 80 대 20 커플러(40)를 통해 20% 포트로 출력된다. 이하, 펌핑광의 세기에 따른 출력광의 변화를 살펴보기로 한다.
도 6은 도 5의 구조에서 펌핑광의 세기를 증가시킬 때 출력광의 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 펌핑광의 세기를 증가시킴에 따라 처음에 1568 nm에서 발생된 레이저 출력이 0.49 W의 펌핑광 세기에서는 1608 nm에서 또 하나의 피크를 갖는 것을 볼 수 있다. 이것은 아주 긴 공진기 길이를 갖는 광섬유 레이저에서 흔히 볼 수 있는 모드 호핑(mode hopping)에 의한 멀티모드 오퍼레이션(multimode operation)에 기인한다.
그 후 펌핑광 세기를 크게 함으로써 그 두 파장 피크의 간격이 벌어지는데 이것은 라만(Raman) 펄스 발생 현상으로 설명될 수 있다. 0.73 W의 펌핑광 세기에서는 가운데의 시드 빛과 두 번째 피크 빛 사이에서 발생되는 four-wave mixing 현상에 의해 세 번째와 네 번째 피크 빛들이 발생 되는 것을 관찰할 수 있다.
그 후 1730 nm에서 강한 1차 라만 스토크(first-order Raman Stokes)가 발생 되면서 4.18 W의 펌핑광 세기에서는 초광대역(supercontinuum) 레이저 광원이 발생되어 최대 5W의 펌핑광 세기에서 470 nm 이상의 대역폭을 갖는 초광대역(supercontinuum) 레이저 광원을 얻을 수 있다.
도 7은 도 1과 도 5의 구조에서 펌핑광 세기를 조절함에 따른 출력광 세기의 변화를 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 펌핑광 세기가 증가함에 따라 출력광은 증가하는데, 약 4.18 W의 펌핑광을 입사했을때, 도 1의 경우 계속 출력광이 증가하지만, 본 발명의 실시예에 따른 도 5의 구조에서는 4.18 W의 펌핑광을 입사했을 때 갑작스런 출력광의 감쇄가 관찰되고, 펌핑광을 계속 증가시켜도 초광대역 레이저의 최대 출력 광세기는 약 53.4mW이다. 따라서, 레이저 광원의 순간적인 과 출력에 의한 세포 조직 손상의 우려를 해결할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연속 파형 초광대역 레이저 광원 패브리페로(Fabry-Perot) 공진기의 구조도이다.
도 8을 참조하면, 도 8의 경우 도 5의 링공진기 중에서 아이솔레이터와 커플러를 제외한 패브리페로(Fabry-Perot) 공진기를 나타낸 구조이다.
도 8은 펌핑광 결합기(30) 뒤에 미러를 형성함으로서, 링공진기와 같은 효과를 나타낸 구조이다. 따라서, 멀티모드 레이저 다이오드(60)에서 출력되는 펌핑광이 희토류 첨가 광섬유(10)를 통해 고비선형 광섬유(20)에서 초광대역 레이저 광원 을 발생할 수 있다.
위와 같은 구성의 본 발명의 실시예에 따르면, 저가형 멀티모드 레이저 다이오드를 펌핑광으로 사용하고 단순한 링공진기 구조에 희토류 첨가 광섬유와 고비선형 광섬유를 사용함으로서, 연속 파형의 초광대역 레이저 광원을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 저가형 멀티모드 레이저 다이오드를 펌핑광으로 사용하고 단순한 링공진기 구조에 희토류 첨가 광섬유와 고비선형 광섬유를 사용함으로서 제작이 간단하고 저가형 구현이 가능하다.
또한, 출력광이 연속 파형이므로 의료용 진단기기 응용에 있어서 문제가 되는 펄스 모드 초광대역 광원의 순간 과출력에 의한 세포 조직 손상의 우려를 해결 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 펌핑광을 공진기 내로 입력하는 펌핑광 결합기;
    상기 펌핑광을 받아 소정 파장 대역의 시드 빛으로 변환하는 희토류 첨가 광섬유; 및
    상기 희토류 첨가 광섬유에 의해 변환되어 공진기 내에서 오실레이션 되는 빛을 연속 파형 초광대역의 레이저 광원으로 변환시키는 고비선형 광섬유를 포함하는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기는,
    상기 고비선형 광섬유에서 발생되는 초광대역의 레이저 광원을 출력하는 커플러 및 상기 커플러와 상기 펌핑광 결합기 사이에 형성되어 상기 공진기 내에서 빛의 오실레이션이 방향성을 갖도록 하는 아이솔레이터를 더 포함하여 형성되는 링 공진기인 것을 특징으로 하는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기는,
    상기 펌핑광 결합기에 연결된 미러를 더 포함하여 형성되는 패브리페로(Fabry-Perot)형 공진기인 것을 특징으로 하는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 희토류 첨가 광섬유는 더블 클래드 섬유(Double Clad Fiber)구조 또는 싱글 클래드 섬유(Single Clad Fiber) 구조인 것을 특징으로 하는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 희토류 첨가 광섬유로 입사되는 펌핑광은 멀티모드 레이저 다이오드(multimode laser diodes) 또는 싱글모드 레이저 다이오드(singlemode laser diode)에서 펌핑되는 광인 것을 특징으로 하는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고비선형 광섬유는 실리카 고비선형 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 또는 실리카 이외의 물질을 사용하여 제작된 비선형 광섬유 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기.
  7. 펌핑광을 공진기 내로 입력하는 펌핑광 결합기;
    상기 펌핑광을 받아 소정 파장 대역의 시드 빛으로 변환하는 희토류 첨가 광섬유;
    상기 희토류 첨가 광섬유에 의해 변환되어 공진기 내에서 오실레이션되는 빛을 연속 파형 초광대역의 레이저 광원으로 변환시키는 고비선형 광섬유; 및
    상기 고비선형 광섬유에서 발생되는 초광대역의 레이저 광원을 출력하는 커플러를 포함하여 형성되는 연속 파형 초광대역 레이저 광원 공진기를 포함하는 의료용 진단 기기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 희토류 첨가 광섬유는 더블 클래드 섬유(Double Clad Fiber)구조 또는 싱글 클래드 섬유(Single Clad Fiber) 구조인 것을 특징으로 하는 의료용 진단 기기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 희토류 첨가 광섬유로 입사되는 펌핑광은 멀티모드 레이저 다이오드(multimode laser diodes) 또는 싱글모드 레이저 다이오드(singlemode laser diode)에서 펌핑되는 광인 것을 특징으로 하는 의료용 진단 기기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 고비선형 광섬유는 실리카 고비선형 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 또는 실리카 이외의 물질을 사용하여 제작된 비선형 광섬유 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 의료용 진단 기기.
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