KR20100042127A - 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유 - Google Patents

고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-stokes Raman Scattering, CARS) 내시경 시스템 구현을 위한 새로운 광결정 광섬유(Photonic crystal fibers) 구조의 설계를 내용으로 한다. 본 발명의 광섬유는 대면적을 갖는 이중 클래딩 편광유지 광결정 광섬유로, 구체적으로 넓은 면적(코어모드의 직경 15 ㎛이상)을 가진 광결정 광섬유 코어 모드, 넓은 면적의 코어를 가지면서도 동작 영역(600~1100 nm)에서 공간적 단일 코어 모드로 동작하는 기능, 단일 모드 광결정 광섬유를 진행하는 빛의 편광 상태를 유지시키는 편광유지 도파로 구조, 마지막으로 높은 개구수(Numerical Aperture >0.5)의 이중 클래딩 광섬유 구조를 동시에 포함하고 있다.
본 발명에 의한 새로운 광결정 광섬유는 일반적인 단일모드 광섬유와 비교하여 수배~열배 이상 크기의 코어모드를 가지고 있음에도 동작영역에서 공간적 단일 모드를 유지하고 있다. 이러한 성질은 CARS 이미징에 사용되는 고출력 펌프, 스톡스 레이저 펄스의 비선형적 왜곡을 최대한 억제함으로써 도파로 진행으로 인한 CARS신호 생성 효율 저하를 막을 수 있다. 또한 도파로를 진행하는 펌프 스톡스 광의 편광상태 유지가 가능한 광섬유 설계를 통하여 바이오시료 상에서 펌프 및 스톡스 빔의 효율적인 비선형 결합을 구현할 수 있다. 동시에 높은 개구수를 가진 이중 클래딩 구조를 도입함으로써 생성된 약한 CARS 신호를 높은 효율로 수집할 수 있다.고 제안하는 광결정 광섬유를 이용하여 일반 단일모드 광섬유를 이용한 경우와 비교 할 때 매우 향상된 감도를 가지는 고성능 CAR 내시경 시스템을 구현할 수 있다.
자발 라만 산란, 간섭성 반스톡스 라만 산란, 비선형 광학 내시경, 광결정 광섬유

Description

고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유{Polarization Maintaining Photonic Crystal Fiber with Large Scale for High Efficienty Coherent Anti-stokes Raman Scattering Endoscope}
본 발명은 CARS 내시경을 구성하는 핵심 요소인 광결정 광섬유의 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게 CARS 신호를 만들기 위한 펌프, 스톡스 빔을 왜곡 없이 전달하고, 생성된 CARS 신호를 고효율로 수집 할 수 있는 새로운 광결정 광섬유의 설계 및 전산모사에 관한 것이다.
전통적으로 일반 광학 현미경은 투명한 바이오 시료(세포 혹은 조직) 및 세포내의 다양한 구조들에 대한 형태적, 화학적 분포영상을 습득하는데 어려움이 있는데 이는 관찰 대상과 배경 물질들의 빛의 선형적 특성이 거의 유사하여 광학적 대비(Optical contrast)가 생기지 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 졌으나 형광물질이 바이오 시료의 특성 자체를 변화 시키거나 시간이 지남에 따라 형광 특성이 저하되어 온전한 시료의 분포 영상 이미지를 얻는데 어려움이 있었다.
최근 형광 표지자 없이 물질 자체의 고유한 특성을 검출하여 세포 영상을 취득하는 기술이 주목받고 있는데 대표적으로 라만 산란(Raman scattering) 분광법 등이 미세 구조에 대한 분자영상 측정에 이용되고 있다. 라만 현미경은 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 살아있는 생체 시료 등에서 세포의 동적 특성을 관찰하는데 한계가 있었다.
간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-stokes Raman scattering, CARS) 현미경은 이러한 한계를 극복하기 위하여 고안된 방법으로 빛의 라만 비선형 효과를 이용하여 입사된 3개의 레이저빔이 시료 내에서 상호작용하여 하나의 CARS 신호광을 생성하는 사광파 혼합의 원리를 이용하고 있다. 도 1은 라만천이를 이용한 CARS 분광법의 원리를 보여주고 있다. 시료 특정분자의 라만천이(Raman shift) 만큼 주파수 차이가 있는 2개의 입사 레이저 (펌프빔과 스톡스빔)가 맥놀이를 일으키면서 이 파형에 결맞는(coherent) 분자진동(forced harmonic oscillation)을 강제 유도한다. 이때 위상이 일치된 진동을 하는 분자들에 3번째 레이저 광(탐색광)이 입사되면, 상호작용 후 레이저 파장이 짧아지는 반스톡스(anti-Stokes) 라만 산란이 일어나면서 동일한 위상을 갖고 특정 진행방향을 갖는 가간섭(coherent) 신호광이 출력된다. 이러한 비선형 광학적 신호를 시료 공간상에서 정밀하게 고속 맵핑(mapping)하면 CARS 현미경 영상이 얻어진다.
CARS 현미경의 장점은 라만 산란 현미경과 비교하여 매우 높은 측정감도를 기반으로 빠른 영상 취득속도를 얻을 수 있다는 것이다. 또한 CARS 신호의 세기는 바이오 시료와 입사된 빛의 3차 비선형 상호작용에 의하여 결정되므로 빛의 세기를 증가시킴으로써 CARS 신호의 세기를 훨씬 증폭 시킬 수 있다. 따라서 빛의 비선형 효과를 극대화하기 위해서 일반적으로 높은 첨두출력(high peak power)의 펄스 레이저를 이용한다. CARS 현미경은 빛의 집속과 스캔을 통하여 시료 내부에 대한 3차원 영상을 높은 공간 분해능으로 얻을 수 있으며, 레이저 상호작용 후 측정 시료에 어떠한 레이저 에너지도 남기지 않는 프로세스이기 때문에, 레이저에 의한 시료 열 손상을 원리적으로 피할 수 있는 비침습적 측정법이다.
이러한 CARS 기반의 바이오 영상 기술을 이용하여 살아있는 생물의 조직영상 실시간으로 관찰하거나 임상 진단 등 의,약학 분야에 적극적으로 활용하기 위해서는 이를 현미경 형태가 아닌 내시경 형태로 구현하는 것이 필요하다.
내시경 형태의 광학 영상 취득은 고전적인 광학 현미경에서는 성공적으로 구현되어 왔으며 최근 광대역 광원의 간섭을 이용한 광 가간섭 단층촬영 (Optical cohrence tomography), 단일 혹은 이광자 형광 (Single or two photon fluorescence) 영상 그리고 이차 조화파 생성(Second harmonic generation) 영상법 등의 분야에서도 내시경 기반의 영상 취득이 이루어지고 있다. 그러나 광 가간섭 단층 촬영은 시료의 선형 굴절률 차이에만 기반을 두고 있고 나머지 비선형 기반의 내시경들도 CARS 현미경과 비교하여 응용의 한계를 가지고 있다. 최근 일반 단일 모드 광섬유를 이용한 CARS 내시경이 원리적으로 제안 되었으나 단일 모드 광섬유의 도파 특성으로 인하여 내시경으로 구현하는데 어려움이 있었다.
도 2는 CARS 내시경을 구현하기 위한 개요도를 보여주고 있다. 도면에서와 같이 내시경 구성을 위하여 강한 세기의 펌프, 스톡스 레이저 펄스를 도파 시켜 반대편에서 시료에 집속 시킨 후 생성된 CARS 신호를 효율적으로 수집할 수 있는 광섬유 도파로를 사용해야 한다. 그러나 CARS 현미경의 동작 영역인 800~1000 nm 대역에서 동작하는 일반 단일 모드 광섬유는 한정된 코어모드의 크기(코어 모드의 직경 6mm 이하)로 인하여 도파로 내를 진행하는 고출력 펄스 레이저(펌프 및 스톡스)의 비선형 왜곡을 쉽게 유발하고 이는 CARS 신호 생성의 효율을 크게 저하시킬 수 있다. 또한 CARS 내시경은 그 구조의 특성상 후방산란 CARS 신호를 이용해야 하는데, 일반적으로 후방산란 신호의 세기가 작고, 산란각이 넓어 개구수가 낮은 일반 단일 모드 광섬유를 이용하여 생성된 CARS신호를 수집하기에 어려움이 많다. 따라서 감도가 높고 효율적인 CARS 내시경 구현을 위하여 새로운 형태의 광섬유 도파로가 요구되어 왔다.
1990년대 후반 처음 실험적으로 제안된 광결정 광섬유는 도파로 길이를 따라 제작된 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 동작하거나, 양극단적인 비선형성을 구현 할 수 있어 비선형 광학 분야에 큰 관심을 보여 왔다. 그러나 CARS 내시경 연구에서 앞서 언급한 단일모드 광섬유의 한계를 획기적으로 극복하는 광결정 광섬유는 아직 제시되지 않고 있으며, 최근 기존 광결정 광섬유를 이용하여 CARS 내시경을 위한 레이저빔 전달 특성을 실험적으로 조사한 수준에 그치고 있다. 따라서 고감도 CARS 내시경 구현을 위하여 새로운 광결정 광섬유의 설계가 시급하다.
본 발명은 효율적인 CARS 내시경 장치를 구성하기 위하여 일반 단일 모드 광섬유와 비교하여 5~10배 큰 면적의 광섬유 코어모드를 가지는 광결정 광섬유를 설계함으로써 종래의 일반 단일 모드 광섬유를 이용할 경우 생길 수 있는 비선형 위상 변조 효과로 인한 비선형 왜곡을 최대한 감소시키는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 광섬유에서 공간적 단일 모드와 진행하는 빛의 편광상태를 유지시켜 도파로를 진행하는 펌프광과 스톡스광의 공간모드 사이의 간섭을 방지하고 도파로를 따라 선형 편광상태를 유지하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 생성된 CARS 신호가 사방으로 산란될 때 이를 높은 개구수의 광섬유를 이용하여 효율적으로 집속함으로써 후방산란 CARS 신호를 고감도로 수집할 수 있도록 하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유는 스톡스광과 펌프광이 겹쳐진 빔을 측정시료로 전달하며 측정시료로부터 재 반사된 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering : CARS) 신호를 광 검출기로 전달하는 고성능 간섭 성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유(100)에 있어서, 실리카로 되고, 중심에 위치하며 삼각형 형상으로 된 코어(110)와, 실리카로 되고, 상기 코어(110)의 외부에 형성되며, 내측 부위에 다수의 공기구멍(121)이 상기 코어(110)를 중심으로 일정간격으로 육각형 형상을 이루어 광섬유의 길이방향으로 길게 형성된 내부 클래드(120)와, 상기 내부 클래드(120) 외곽을 감싸는 환형 테두리 형상으로 된 외부 클래드(130)와, 상기 외부 클래드(130) 외측을 감싸서 지지하는 지지용 외부 실리카(140)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 클래드(120)에 형성된 공기구멍(121) 사이의 거리(L)는 6~10 ㎛이고, 공기구멍(121)의 직경(d)과 거리(L)와의 비는 0.2~0.3인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 코어(110)는 상기 내부 클래드(120) 구조에서 중심에 위치한 세 개의 공기구멍이 제거되어 형성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 코어(110)의 중심에 0.4~1.5 ㎛의 장축과 1.2~2.5의 이심율(장축/단축)을 가지는 타원형 공기구멍(111)이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부 클래드(130)는 공기층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 CARS 현미경을 내시경으로 구현하는데 필요한 새로운 광결정 광섬유 구조를 제안하고 있다. 발명에서 제안하는 대면적 편광유지 광결정 광섬유는 일반적인 광섬유와 비교하여 볼 때 도파로를 진행하는 고출력 레이저 펄스의 스펙트 럼 상 비선형 왜곡을 줄일 수 있어 광섬유를 통과한 펌프와 스톡스 광이 초기 레이저 펄스와 유사한 특성으로 시료 상에 도달할 수 있도록 해준다. 동시에 넓은 동작 영역에서 광결정 광섬유가 단일모드로 동작함으로써 광섬유 진행시 빛의 모드 간 간섭 효과로 인한 신호의 왜곡을 줄일 수 있다. 이러한 특성은 초기 레이저의 펌프, 스톡스 광을 비선형 효과 혹은 간섭으로 인한 스펙트럼상의 왜곡 없이 시료까지 안전하게 도달시키는 효과를 가져다준다. 또한 광섬유 진행에 따라 펌프와 스톡스 빔의 편광 상태를 유지시킴으로써 시료에 동일한 편광상태의 펌프, 스톡스 빔이 입사되어 안정적인 CARS 신호를 발생시킬 수 있게 해준다. 이와 더불어, 발생된 후방산란 CARS 신호를 높은 개구수를 가지는 이중 클래딩 구조를 이용하여 효율적으로 수집함으로써 내시경의 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제안한 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 라만 내시경의 구성도를 보여주고 있다. CARS 라만 내시경은 임의의 주파수대를 갖는 스톡스광 및 시료를 들뜬 상태로 만드는 펌프광을 발생시키는 광원(1); 상기 광원(1)으로부터 발생된 신호들을 동시에 전달하며 시료에서 생성된 후방산란 CARS 신호(epi-CARS 신호)를 수집하는 광섬유(100); 광섬유(100)로부터 전달된 두 신호를 시료에 집속하고 공간적으로 스캔하는 스캔장치(2); 상기 광섬유 를 통해 검출된 후방산란 CARS 신호만을 필터링하는 대역투과 필터(3)와 이를 증폭시켜 검출하는 광전증배관(PMT: Photomultiplier Tube)으로 구성된 광검출기(4)로 되어 있다.
상기 광원(1)은 스톡스광(Stokes beam), 펌프광(Pump beam) 및 탐색광(Probe beam)을 포함하고 있는데 측정하고자 하는 샘플의 효율적인 라만 신호생성을 위하여 일반적으로 높은 세기(high peak power)의 펄스 레이저를 이용한다. 일반적으로 첨두출력이 수 내지 수십 kW인 레이저 펄스가 내시경을 구성하는 광섬유에 입사되어 진행하게 된다.
광섬유를 구성하는 실리카 매질 자체는 상대적으로 작은 비선형성을 가지고 있으나 빛이 광섬유의 긴 길이를 따라 진행하면 비선형 효과가 효율적으로 축적되기 때문에 높은 세기의 빛에 대하여 무시할 수 없는 비선형 상호작용이 일어나게 된다. 광섬유와 같은 도파로에서 비선형 특성은 일반적으로 다음과 같은 비선형 계수(γ)로 정의할 수 있다.
Figure 112008071835376-PAT00001
여기서 n2는 매질의 비선형 상수이고 Aeff는 주어진 파장(l)에서 도파로를 진행하는 빛의 단면 크기(혹은 유효면적)를 나타낸다. 상기 비선형 계수 값과 진행하는 빛의 피크세기(peak power)를 곱한 역수를 다음의 식과 같이 비선형 길이(LN)로 정의 한다.
Figure 112008071835376-PAT00002
주어진 도파로와 빛의 세기에 대하여 계산된 비선형 길이 LN이 도파로의 실제 길이와 비교하여 충분히 길면 비선형 효과가 발생하지 않는다고 생각 할 수 있다. 일반적으로 실리카에서 n2 값은 약
Figure 112008071835376-PAT00003
이며 이에 따른 일반적인 단일 모드 광섬유에서의 비선형 계수 g는 1000 nm의 중심파장의 빛에 대하여 약 2~4 /W/km가 된다.
위에서 정의된 비선형 계수로부터, 도파로를 진행하는 빛의 비선형 특성을 빛의 유효면적인 Aeff로 조절할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 Aeff가 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 현상이 일어나고 시료에서 최대의 비선형 효과가 발생되어야 하므로 도파로가 가능한 큰 Aeff를 가지는 것이 유리하다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 대면적 편광유지 광결정 광섬유의 구조의 단면 모습을 보여주고 있다. 도3(a)에서는 제안하는 광결정 광섬유의 전체 구조를 보여주고 있는데 도면에서 검은 부분은 실리카, 하얀 부분은 공기를 나타낸다. 본 광섬유(100)는 크게 ① 코어, ② 내부 클래드, ③ 외부 클래드의 부분으로 구성되어 있다. 광섬유의 코어모드는 대면적, 편광유지, 단일 공간 모드의 특성을 보이고 있는 데 이러한 특성에 대해서는 도3(b)~(d)와 함께 자세히 기술하도록 한다. 처음 입사된 펌프, 스톡스 빛은 광섬유 중심의 코어(110)를 둘러싼 내부 클래드(120)에 의하여 도파된다. 외부 클래드(130)는 환형 테두리 형태의 공기 구조를 가지고 있고 이를 얇은 지지용 외부 실리카(140)가 지지하고 있는 형태이다. 외부 클래드(130)는 코어(110)와 내부 클래드(120)가 포함된 실리카 부분과 큰 굴절률 차이를 가지고 있다. 내부 클래드(120)의 실리카 부분의 평균 굴절률을 고려하였을 때 외부 클래드(130)에 의하여 도파되는 빛의 개구수(Numerical Aperture)는 0.5 이상의 큰 값으로 이는 도 2에서 시료에서 산란되는 후방산란 CARS 신호(epi CARS 신호)를 효율적으로 집속, 도파 시켜주는 역할을 한다.
내부 클래드(120) 및 코어(110)의 구조는 도 3(b)~(d)에 도시하였다. 도 3(b)에 도시된 내부 클래드 구조는 일반적인 광결정 광섬유 구조에서 많이 쓰이는 삼각형 격자 구조(triangular lattice)로써 도면과 같이 실리카 내에 직경 d의 공기 구멍(121)이 60ㅀ 회전대칭, L 길이의 간격으로 뚫려 있는 모양을 가진다. 첫 번째 클래딩의 광학적 특성은 직경 d와 길이 L에 의하여 결정된다. 이러한 구조의 클래딩에 도 3의 (c)와 같이 세 개의 공기 구멍을 제거하면 이 부분이 광결정 광섬유의 중심 코어 부분이 된다.
본 발명에서 L은 6~10 mm, d/L은 0.2~0.3 사이의 값을 가지도록 설계하여 세 개의 구멍이 제거된 중심 코어로 진행하는 빛이 동작영역(700 nm~1500 nm)에서 단일 모드를 유지할 수 있도록 한다.
동시에 상기의 값에서 진행하는 빛이 큰 유효 면적 Aeff (150 ~ 300 mm2)을 가짐으로써 매우 작은 비선형 계수 값을 가지게 된다.
또한 세 개의 구멍을 제거한 광결정 광섬유의 코어는 한 개의 구멍을 제거한 경우와 비교하여 같은 유효 면적에 대하여 진행하는 빛의 구부림 손실이 작기 때문에, 같은 구부림 손실에 대하여 상대적으로 큰 유효 면적을 가진 도파로를 구현할 수 있는 장점을 가진다.
도 3의 (c)에서 보여주고 있는 광섬유 코어(110)는 삼각형 모양을 가지고 있고 이러한 삼각형 코어(110)는 구조의 대칭성으로 인하여 본질적으로 복굴절을 가지고 있지 않는다. 따라서 광섬유에 복굴절을 인가하기 위하여 도3(d)와 같은 새로운 구조를 삽입한다. 도 3의 (d)는 삼각형 코어 구조의 내부에 타원형의 공기구멍(111)이 삽입된 구조이다. 도면에서 a,b는 타원형 공기구멍(111)의 단축과 장축을 나타내는데 장축b 길이는 0.4~1.5 mm 영역의 값을 가지며 이심률(b/a)은 1.2~2.5의 값을 갖는다. 이렇게 삽입된 구조는 진행하는 빛의 편광에 따른 경계조건을 변화시켜 광섬유에 복굴절을 유도하게 된다.
결국 도 3의 (a)와 같은 이중 클래딩 구조에 도 3의 (d)와 같은 코어를 가진 광결정 광섬유는 펌프, 스톡스 신호의 왜곡 없는 전달 및 CARS 신호의 효율적인 수집에 적합한 최적화된 구조가 된다.
도 3에서 기술한 최적화 설계된 광결정 광섬유를 진행하는 빛의 특성을 도 4에서 전산모사를 통하여 보여주고 있다. 도 4는 설계된 도파로를 진행하는 빛의 모 드 분포 특성을 여러 파장에 대하여 보여주고 있다. 전산모사에 사용된 값들은 d=1.6 mm, L=8 mm, b=1.2 mm, a=0.48 mm 이다. 도면으로부터 설계된 광결정 광섬유가 여러 파장에 걸쳐 약 200 um2 이상의 유효 면적을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 구조에서 단파장으로 갈수록 복굴절의 크기가 점차 감소하나, 약 10-5 이상의 복굴절이 동작 영역에 걸쳐 유지되는 것을 확인하였다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 광결정 광섬유를 2m 진행한 초기 펄스 레이저의 스펙트럼 및 펄스 변화 특성을 기술하고 있다. 비교를 위하여 800 nm 근처에서 동작하는 일반 단일 모드 광섬유(Aeff~20 mm2)의 스펙트럼 및 펄스의 변화 특성을 같이 보여주고 있다. 전산모사에서 200 mW의 평균세기, 76 MHz 반복율, 0.4 nm 의 스펙트럼 선폭을 가지는 변환 한계의 펄스 레이저를 사용하였다. 제안하는 광결정 광섬유에서 레이저 펄스는 도 5의 왼쪽 그림과 같이 2m의 길이의 진행 후 스펙트럼 및 펄스 특성에 큰 변화가 거의 없는 것을 알 수 있다. 매우 작은 스펙트럼 특성 변화는 본 발명에서 제안한 광결정 광섬유의 최소화된 비선형성에 기인한다. 또한 주어진 파장에서 광결정 광섬유는 비교적 큰 분산값(group velocity dispersion~ -100 ps/nm/km at 800 nm)을 가지고 있으나 넓은 펄스폭과 짧은 광섬유 길이로 인하여 분산으로 인한 펄스의 변화가 크기 않음을 확인할 수 있다. 반면 도 5의 오른쪽 그림과 같이 일반적인 단일 모드 광섬유는 2 m 길이 진행 후 비선형 자기위상 변조 효과에 의하여 스펙트럼이 심각하게 넓어지는 것을 알 수 있다. 또한 도파로 의 비선형 효과와 분산특성의 상호작용으로 인하여 펄스폭이 넓어지고 세기가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 넓어진 스펙트럼 폭이 라만 선폭보다 크게 되면 효율적인 CARS 신호를 생성하지 못하게 되며 이는 CARS 내시경의 심각한 감도 저하를 야기한다.
도 1은 에너지 레벨에서 CARS 광신호 생성의 원리를 나타낸 개략도.
도 2는 CARS 광결정 광섬유를 포함하는 CARS 내시경의 구성모식도.
도 3은 (a) CARS 내시경 구현을 위한 새로운 광결정 광섬유 개략도 (b) 광섬유의 안쪽 클래딩 구조 (c) 세 개의 공기구멍이 제거된 코어 구조 (d) 타원모양 공기구멍이 삽입된 최종 광섬유 코어 구조를 각각 나타낸 도면.
도 4는 전산모사를 기반으로 한 광결정 광섬유를 진행하는 빛의 분포 특성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의한 광결정 광섬유(왼쪽)와 일반 단일 모드 광섬유(오른쪽)를 진행하는 빛의 스펙트럼 및 펄스 특성 비교를 나타낸 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 광섬유 110: 코어
111: 타원형 공기구멍 120: 내부 클래드
121: 공기 구멍 130: 외부 클래드
140: 지지용 외부 실리카

Claims (5)

  1. 스톡스광과 펌프광이 겹쳐진 빔을 측정시료로 전달하며 측정시료로부터 재 반사된 간섭성 반스톡스 라만산란(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering : CARS) 신호를 광 검출기로 전달하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유(100)에 있어서,
    실리카로 되고, 중심에 위치하며 삼각형 형상으로 된 코어(110)와,
    실리카로 되고, 상기 코어(110)의 외부에 형성되며, 내측 부위에 다수의 공기구멍(121)이 상기 코어(110)를 중심으로 일정간격으로 육각형 형상을 이루어 광섬유의 길이방향으로 길게 형성된 내부 클래드(120)와,
    상기 내부 클래드(120) 외곽을 감싸는 환형 테두리 형상으로 된 외부 클래드(130)와,
    상기 외부 클래드(130) 외측을 감싸서 지지하는 지지용 외부 실리카(140)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 클래드(120)에 형성된 공기구멍(121) 사이의 거리(L)는 6~10 ㎛이고, 공기구멍(121)의 직경(d)과 거리(L)와의 비는 0.2~0.3인 것을 특징으로 하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어(110)는 상기 내부 클래드(120) 구조에서 중심에 위치한 세 개의 공기구멍이 제거되어 형성된 것을 특징으로 하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어(110)의 중심에 0.4~1.5 ㎛의 장축과 1.2~2.5의 이심율(장축/단축)을 가지는 타원형 공기구멍(111)이 형성된 것을 특징으로 하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 클래드(130)는 공기층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고성능 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경용 대면적 편광유지 광결정 광섬유.
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