KR20100083992A - Method for menufacturing a photonic device using optical fibers, photonic device using optical fibers and optical tweezer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 특히, 광섬유를 이용하여 제조되고 비회절성 베셀빔을 형성하는 광소자, 그 제조 방법 및 그 응용에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to optical devices, and more particularly, to optical devices fabricated using optical fibers and forming non-diffractive Bessel beams, methods of manufacturing the same, and applications thereof.
광섬유는 투명한 막대봉으로써 보통 유리 또는 투명한 플래스틱으로 만들어지고 봉을 통해 빛이 전파된다. 빛 신호는 광 파이프라 불리는 이 봉을 통해 송신기에서 수신기로 진행하고, 섬유 내에 손실이 크지 않으면 봉의 수신 끝단에서 쉽게 검출된다. 광섬유는 광 막대봉인 코어를 클래딩으로 코팅된 형태로 구성되며 코어와 크래딩은 서로 다른 광 특성을 갖는다.The optical fiber is a transparent rod, usually made of glass or transparent plastic, and light propagates through the rod. Light signals travel from the transmitter to the receiver through these rods, called light pipes, and are easily detected at the receiving end of the rod unless there is a large loss in the fiber. The optical fiber is composed of a cladding coated core of an optical rod, and the core and the cladding have different optical properties.
크래드되지 않은 경우 빛 에너지의 일부만이 봉에 보존되고 나머지는 주변에 누출된다. 반면에 크래드된 경우는 휠씬 더 효과적으로 빛을 전송하는 매체임을 알 수 있다. 광섬유를 진행함에 따라 발생하는 빛 에너지의 손실은 크래드가 있는 경우가 크래드가 없는 경우에 비해 휠씬 작다. 광섬유에서 발생되는 빛의 손실과 광 펄스의 왜곡이 과거의 광 통신 길술에서 가장 어려운 두 가지 문제였으나, 현재 저 손실, 저 펄스 왜곡이 광섬유의 가장 큰 장점이 되었다.If it is not clad, only part of the light energy is retained in the rod and the rest leaks to the surroundings. On the other hand, it can be seen that the cladding is a medium that transmits light more effectively. The loss of light energy generated by the progress of the optical fiber is much smaller with the crad than with the clad. Although the loss of light and the distortion of optical pulses generated by optical fibers have been the two most difficult problems in the past optical communication techniques, low loss and low pulse distortion are the biggest advantages of optical fibers.
본래 모든 빛은 근원으로부터 생성된 이후 주변으로 퍼져나가는 회절현상을 보이게 된다. 그러나 J.Durnin은 이 회절현상 자체를 이용해서 빛의 퍼짐이 일어나지 않는 빛을 제안했으며 그 형태가 베셀함수(Bessel function)과 같아 베셀빔이라고 하고 환형 구멍 (aperture)을 이용해서 베셀빔을 실제로 구현했다. G.Indebetouw가 액시콘(Axicon)을 이용해서 빛의 퍼짐이 이전 보다 더욱 즐어든 베셀빔을 만드는데 성공했다. 또 다른 기술은 홀로그램 (hologram)을 이용한 베셀빔을 형성하는 것으로 컴퓨터로 제어한다는 장점이 있으며, 페브리-페로 공동 (Fabry-Perot cavity)과 환형 구멍을 결합한 시스템도 개발됐다. 최근에는 레이저 공동 안에 아르콘 이온을 넣거나 액시콘 렌즈를 집어넣어서 레이저에서 베셀빔이 나오도록 하는 시스템도 개발되었다. Inherently, all light is diffracted from the source and then spread around. However, J. Durin proposed the light that does not spread by using the diffraction phenomenon itself, and its shape is like the Bessel function, called the Bessel beam, and the bezel beam is actually realized by using the annular aperture. did. G.Indebetouw succeeded in using Axicon to create a Bessel beam with more light spread than before. Another technique is to form a Bessel beam using holograms, which has the advantage of computer control. A system that combines a Fabry-Perot cavity and an annular hole has also been developed. In recent years, a system has been developed in which an Arcon ion or an axicon lens is inserted into a laser cavity to produce a Bessel beam from a laser.
가우시안 라이트 빔 (gaussian light beams)을 사용하는 종래의 광 트위저 (optical tweezer)는 빔의 중심에서 수 마이크로 미터만 벗어나도 입자를 포획할 수 없었다. 이는 입자에 의한 빔 디스토션 (beam distortion)과 초점 평면 (focal plane)으로부터의 강한 다이버젼스 때문이다. Conventional optical tweezers using Gaussian light beams were unable to capture particles even if they were only a few micrometers away from the center of the beam. This is due to beam distortion by the particles and strong divergence from the focal plane.
베셀빔을 사용하는 광 트위저는 이러한 다이버젼스를 줄일 수 있다. 그러나, 종래 기술들은 벌크(bulk) 광학시스템을 이용해서 베셀빔을 생성하는 것으로서, 부피가 크고 무게도 무거웠으며, 이멀젼 시스템에 사용하기 어려운 점이 있다. 또한, 그 크기에 비해 베셀빔의 형성거리는 빈약했으며 사용환경의 제약 역시 컸다. Optical tweezers using Besselbeam can reduce this divergence. However, the prior art uses a bulk optical system to generate a Bessel beam, which is bulky and heavy, and difficult to use in an emulsion system. In addition, the formation distance of the Bessel beam was poor compared to its size, and the use environment was also large.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 광섬유를 이용하여 비회절성 베셀빔을 형성하는 광소자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing an optical device for forming a non-diffraction Bessel beam using an optical fiber.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 광섬유를 이용하여 비회절성 베셀빔을 형성하는 광소자를 제공하는 데 있다.A second technical object of the present invention is to provide an optical device for forming a non-diffraction Bessel beam using an optical fiber.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는, 상기의 비회절성 베셀빔을 형성하는 광소자를 이용하여 입자들을 광포획할 수 있는 광 트위저를 제공하는 데 있다.A third technical object of the present invention is to provide an optical tweezer that can optically capture particles by using the optical device for forming the non-diffraction vessel beam.
상기의 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 광소자 제조 방법은, 단일모드 광섬유와 중공 광섬유를 접속하는 단계; 상기 중공 광섬유에 코어 없는 광섬유를 접속하는 단계; 및 상기 코어 없는 광섬유의 잘린 단면에 액체 폴리머를 올려 폴리머 렌즈를 제작하는 단계를 포함한다.In order to achieve the first technical problem, an optical device manufacturing method using an optical fiber according to an embodiment of the present invention, the step of connecting a single mode optical fiber and a hollow optical fiber; Connecting an optical fiber without a core to the hollow optical fiber; And preparing a polymer lens by placing a liquid polymer on the cut end face of the coreless optical fiber.
바람직하게는, 상기 단일모드 광섬유와 중공 광섬유를 접속하는 단계는, 상기 중공 광섬유의 한쪽 끝단을 서서히 좁게 만들어 상기 중공 광섬유의 공기구멍의 지름을 줄인 후 상기 단일모드 광섬유와 융착 접속하는 단계일 수 있다.Preferably, the step of connecting the single-mode optical fiber and the hollow optical fiber, may be a step of fusion-connected with the single-mode optical fiber after reducing the diameter of the air hole of the hollow optical fiber by gradually narrowing one end of the hollow optical fiber. .
바람직하게는, 상기 중공 광섬유의 길이는, 상기 단일모드 광섬유의 빛이 전달되어 중공 광섬유 내에서 모드변환이 일어나는 길이일 수 있다.Preferably, the length of the hollow optical fiber may be a length at which the light of the single mode optical fiber is transferred to cause a mode conversion in the hollow optical fiber.
바람직하게는, 상기 폴리머 렌즈를 제작하는 단계는, 상기 액체 폴리머에 자외선을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, manufacturing the polymer lens may include irradiating the liquid polymer with ultraviolet rays.
상기의 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 광소자는, 단일모드 광섬유; 상기 단일모드 광섬유에 한쪽 끝이 접속된 중공 광섬유; 상기 중공 광섬유에 한쪽 끝이 접속된 코어 없는 광섬유; 및 상기 코어 없는 광섬유의 다른 한쪽 끝의 단면에 형성된 폴리머 렌즈를 포함한다.In order to achieve the second technical problem, an optical device using an optical fiber according to an embodiment of the present invention, a single mode optical fiber; A hollow optical fiber having one end connected to the single mode optical fiber; A coreless optical fiber having one end connected to the hollow optical fiber; And a polymer lens formed at a cross section of the other end of the coreless optical fiber.
바람직하게는, 상기 중공 광섬유는, 상기 단일모드 광섬유와 접속하는 끝단을 서서히 좁게 만들어 내부의 공기구멍의 지름이 줄어든 형태일 수 있다.Preferably, the hollow optical fiber may have a shape in which the diameter of the air hole therein is reduced by gradually narrowing the end connecting to the single mode optical fiber.
바람직하게는, 상기 중공 광섬유의 길이는, 상기 단일모드 광섬유의 빛이 전달되어 중공 광섬유 내에서 모드변환이 일어나는 길이일 수 있다.Preferably, the length of the hollow optical fiber may be a length at which the light of the single mode optical fiber is transferred to cause a mode conversion in the hollow optical fiber.
상기의 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 광 트위저는, 빛을 발생시키는 광원; 및 상기 광원에 한쪽 끝이 연결되어 상기 빛을 입력받고, 다른 한쪽 끝의 폴리머 렌즈를 통해 비회절성 베셀빔을 출력하는 광소자를 포함한다. 상술한 바와 같이, 상기 광소자는 단일모드 광섬유; 상기 단일모드 광섬유에 한쪽 끝이 접속된 중공 광섬유; 상기 중공 광섬유에 한쪽 끝이 접속된 코어 없는 광섬유; 및 상기 코어 없는 광섬유의 다른 한쪽 끝의 단면에 형성된 폴리머 렌즈를 포함한다.In order to achieve the third technical problem, the optical tweezer using the optical fiber according to an embodiment of the present invention, a light source for generating light; And an optical device having one end connected to the light source to receive the light and outputting a non-diffraction Bessel beam through a polymer lens at the other end. As described above, the optical device comprises a single mode optical fiber; A hollow optical fiber having one end connected to the single mode optical fiber; A coreless optical fiber having one end connected to the hollow optical fiber; And a polymer lens formed at a cross section of the other end of the coreless optical fiber.
바람직하게는, 상기 중공 광섬유의 길이는, 상기 단일모드 광섬유의 빛이 전달되어 중공 광섬유 내에서 모드변환이 일어나는 길이일 수 있다.Preferably, the length of the hollow optical fiber may be a length at which the light of the single mode optical fiber is transferred to cause a mode conversion in the hollow optical fiber.
바람직하게는, 상기 광소자 제조 방법, 광소자, 광 트위저에서, 상기 코어 없는 광섬유의 길이는, 다음의 수학식 
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 단일모드광섬유, 중공 광섬유와 코어 없는 광섬유를 연속을 접합하고 그 위에 폴리머 렌즈를 형성함으로써, 소자의 크기가 작고, 크기에 비해 베셀빔의 형성거리를 크게 향상시킬 수 있으며, 빛이 광섬유로 진행되기 때문에 사용환경의 제약이 매우 적어 최근 광학분야의 이슈인 이멀젼 시스템을 쉽게 도입할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, by bonding a single mode optical fiber, a hollow optical fiber and a coreless optical fiber in series and forming a polymer lens thereon, the size of the device is small, and the formation distance of the Bessel beam can be greatly improved compared to the size. In addition, since light travels through the optical fiber, the use environment is very limited, so an emulsion system, which is an issue in the optical field, can be easily introduced.
또한, 베셀빔을 통해 빔의 광조작(Optical manipulation)을 일으키면 입자의 광포획 실험이 가능한데, 기존 광포획 실험은 매우 얇은 하나의 단면에 대해서만 광포획이 가능했던 반면, 베셀 빔을 이용할 경우 여러 층에 대해 동시에 광포획 실험이 가능하게 된다.In addition, the optical manipulation of the beam through the Bessel beam enables the light capture experiment of the particles. While the conventional light capture experiment was possible to capture the light only for a very thin section, the Bessel beam used the multiple layers. At the same time, light capture experiments are possible.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, embodiments of the present invention illustrated below may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
본 발명의 일 실시 예에서는 광섬유를 이용하여 기존 베셀빔 형성 시스템보다 저렴하고 간단하면서 여러 환경에서 사용 가능한 광소자를 제조한다.In one embodiment of the present invention by using an optical fiber to manufacture an optical device that is cheaper and simpler than the conventional Bessel beam forming system can be used in various environments.
먼저, 도 1과 같이, 단일모드 광섬유(Single Mode Fiber)(110)와 중공 광섬유(Hollow Optical Fiber)(120)를 접속 (Splicing)한다. 양쪽 광섬유(110, 120)를 접속면(115) 방향으로 힘을 가하는 상태에서 접속면(115)에 광섬유 접속용 장비를 이용하여 열을 가하면, 두개의 광섬유(110, 120)가 접속된다. First, as shown in FIG. 1, a single mode
단일모드 광섬유는 광섬유코어의 직경을 작게하고, 코어와 클래드의 비굴절률차도 줄여 하나의 모드만 도파하도록 한 광섬유이다. 단일모드 광섬유는 초광대역 전송특성을 가지고 있으나 코어 직경이 약 9㎛정도로 아주 작아 광섬유 제조시 코어의 동심성을 유지시키는 것과 함께 단일모드 광섬유간의 접속에 상당한 어려움이 있다. 이러한 광섬유로는 분산천이 광섬유 (Dispersion Shift Fiber)와 분산보상 광섬유(Dispersion Compansation Fiber)가 있다. 분산천이 광섬유란 일반 단일모드광섬유의 분산이 0이 되는 파장이 1.3㎛근처인데 비해, 분산이 0이 되는 파장이 1.55㎛근처로 이동된 광섬유를 말하며, 초고속 (예를 들어, 10G이상) 전송로에 사용된다. 분산보상 광섬유란 광섬유의 분산이 일반 단일모드 광섬유와는 다른 부호를 갖게 하여 분산을 보상해 주는 광섬유를 말한다.Single-mode fiber is a fiber that is designed to guide a single mode by reducing the diameter of the fiber core and reducing the refractive index difference between the core and the clad. Single-mode fiber has ultra-wideband transmission characteristics, but the core diameter is very small, about 9 μm, which keeps the core concentric and makes it difficult to connect single-mode fiber. Such optical fibers include Dispersion Shift Fibers and Dispersion Compansation Fibers. The dispersion transition optical fiber refers to an optical fiber whose wavelength of which the dispersion of the general single mode optical fiber becomes 0 is around 1.3 μm, whereas the wavelength of which the dispersion becomes 0 is moved to 1.55 μm, and the ultra-high speed (for example, 10G or more) transmission path Used for A distributed compensation fiber is an optical fiber that compensates for dispersion by having a different dispersion of the optical fiber than a general single mode fiber.
중공 광섬유는 특수 광섬유로서 코어, 코어를 둘러싸고 있는 클래딩으로 구성된 일반 광섬유와 같이 코어와 클래딩으로 구성되어 있으나, 코어의 중앙에 클래딩 역할을 하는 공기 구멍(air hole)을 가지고 있다. 중공 광섬유에서 빛은 코어와 클래딩 영역, 코어와 공기 영역에서 전반사하면서 계속 진행한다. 한편, 중공 광섬유는 일반 광섬유보다 부피가 작다.Hollow fiber is a special fiber and consists of a core and cladding like a common fiber composed of a core and a cladding surrounding the core, but has an air hole serving as a cladding in the center of the core. In a hollow fiber, light continues to totally reflect in the core and cladding regions, and in the core and air regions. On the other hand, hollow optical fibers are smaller in volume than ordinary optical fibers.
예를 들어, 모델명이 HI1060인 단일모드 광섬유를 절단(Cleaving)한 후 중공 광섬유(코어 크기 8 ~ 10um)와 접속할 수 있다. 접속에는 스미토모 전기(sumitomo electric)사의 type-37se를 접속용 장비로 사용할 수 있다. 이 접속에 사용되는 파라미터의 예는 표 1과 같다.For example, a single mode optical fiber whose model name is HI1060 may be cleaved and then connected to a hollow optical fiber (core size of 8 to 10 μm). Sumitomo electric company's type-37se can be used for the connection. Examples of parameters used for this connection are shown in Table 1.
(높을수록 강함)Discharge amount
(Higher is stronger)
한편, 단일모드 광섬유(110)로부터 중공 광섬유(120)로 광 신호를 전송할 때 두 광섬유의 모드 패턴이 상이하기 때문에 직접 결합시 큰 결합손실이 발생할 수 있다. 따라서, 단일모드 광섬유(110)로부터 중공 광섬유(120)로 효과적인 광 신호 전달을 위해 중공 광섬유(120)의 끝단(115)을 서서히 좁게 만들어 중공 광섬유의 공기구멍의 지름을 줄인 후 융착 접속(fused splicing)한다. 중공 광섬유의 길이는 단일모드 광섬유의 빛이 전달되어 중공 광섬유 내에서 모드변환이 일어나는 길이로 정하는 것이 바람직하다. 특히, 단일모드 광섬유에서 중공 광섬유로 빛이 전파될 때 중공광섬유 특유의 빔모드로 전환되기 위해 중공광섬유의 길이를 최소 20cm이상으로 하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the optical signal is transmitted from the single mode
그 다음, 도 2와 같이, 상기 중공 광섬유(120)와 코어 없는 광섬유(Coreless Silica Fiber)(130)를 접속한다. 양쪽 광섬유(120, 130)를 접속면(125) 방향으로 힘을 가하는 상태에서 접속면(125)에 광섬유 접속용 장비를 이용하여 열을 가하면, 두개의 광섬유(120, 130)가 접속된다. 중공 광섬유와 코어 없는 광섬유를 접속할 때, 접속면(125)에서 중공 광섬유의 내부 구멍이 붕괴되지 않도록 접속해야 한다. 중공 광섬유와 코어 없는 광섬유를 접속하는데 접속 파라미터의 예는 표 2와 같다. Next, as shown in FIG. 2, the hollow
(높을수록 강함)Discharge amount
(Higher is stronger)
마지막으로, 도 3과 같이, 코어 없는 광섬유(130)의 깨끗이 잘린 단면에 폴리머 랜즈(140)를 형성한다. 이를 위해 먼저, 코어 없는 광섬유(130)의 잘린 단면에 액체 폴리머를 올린다. 폴리머는 자체 표면장력 때문에 둥근형태를 유지한다. 예를 들어, 렌즈를 만들기 위한 폴리머로서 노랜드 (Norland) 사의 광학 접착제 (optical adhesive) 81번을 사용할 수 있다. 이 폴리머를 자외선에 노출시킴으로서 굳혀 렌즈(140)를 제작한다. Finally, as shown in FIG. 3, the
도 4는 코어 없는 광섬유(130)의 길이와 폴리머 렌즈(140)의 곡률을 결정하기 위한 관계식을 도출하는 과정을 도시한 것이다.4 illustrates a process of deriving a relationship for determining the length of the coreless
코어 없는 광섬유에서 빛이 퍼져나가기 시작하는 위치를 렌즈의 끝으로부터의 거리로 나타내면, So 이다. 렌즈를 빠져나온 빛이 모이게 되는 위치를 렌즈의 끝으로부터의 거리로 나타내면, Si 이다.The position at which light begins to spread in a fiber without a core is expressed as distance from the end of the lens. The position at which light exiting the lens collects is Si from the end of the lens.
이를 코어 없는 광섬유(130)와 폴리머 렌즈(140)의 굴절률 n1, 공기층의 굴절률 n2와 연관시키면, 수학식 1의 관계식을 얻을 수 있다.By correlating this with the refractive index n 1 of the coreless
여기서, R은 렌즈의 곡률 반경이다. 이때, So가 무한대로 커진다고 가정하면, Si는 도 5의 fi로 나타낼 수 있다. fi는 이미지 초점 길이(Image focal length)를 의미하는다. 이를 수식으로 나타내면, 수학식 2가 된다.Where R is the radius of curvature of the lens. In this case, assuming that So increases infinity, Si may be represented by fi of FIG. 5. fi means an image focal length. If this is expressed as an equation, it is expressed as
반대로, Si가 무한대로 커진다고 가정하면, So는 도 6의 fo로 나타낼 수 있다. 이를 수식으로 나타내면, 수학식 3이 된다.Conversely, assuming that Si grows infinity, So can be represented by fo in FIG. If this is expressed by an equation, it is expressed by Equation 3.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광소자는 비회절성 베셀빔 (non-diffraction bessel beam)을 형성하여야 하므로, 코어 없는 광섬유(130)의 길이를 수학식 3의 fo와 동일하게 하는 것이 바람직하다. 즉, 코어 없는 광섬유(130)의 길이와 폴리머 렌즈(140)의 곡률은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.Since the optical device according to the embodiment of the present invention should form a non-diffraction bessel beam, it is preferable to make the length of the coreless
폴리머 렌즈의 곡률은 또한 사용되는 액체 폴리머의 물성에 따라 결정되는데, 수학식 4의 관계에서 적절한 값의 재료 및 조건을 선택해야 한다.The curvature of the polymer lens is also determined by the physical properties of the liquid polymer used, and an appropriate value of material and conditions must be selected in the relation of Equation 4.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광소자는 광포획 분야에 응용될 수 있다. Ashkin에 의해 광포획 기술이 알려진 이후, 원자나 유전체에 작용하는 복사력에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광 트위저는 이러한 광포획 기술 중 하나이다. On the other hand, the optical device according to an embodiment of the present invention can be applied to the field of light capture. Since light capture technology is known by Ashkin, research on the radiative force acting on atoms and dielectrics has been actively conducted. Optical tweezers are one such light trapping technology.
광포획을 위하여, 입자에 작용하는 반력은 광과 입자 사이의 운동량 전달이다. 중성입자에 작용하는 힘을 정확히 계산하기 위해서는 주어진 시스템에 대해 적당한 경계조건을 가진 전자기장에 대한 맥스웰 방정식을 풀어야한다. 광포획의 이론적인 접근에서 두 가지 극한의 경우가 있다.For light capture, the reaction to the particles is the transfer of momentum between the light and the particles. To accurately calculate the force acting on the neutral particles, we need to solve the Maxwell's equation for the electromagnetic field with the appropriate boundary conditions for a given system. There are two extreme cases in the theoretical approach of light capture.
만약 입자의 직경 a가 레이저 빔의 파장 λ 보다 상당히 크다면(a ≫λ), Mie 산란을 만족하는 영역이 된다. 따라서, 전자기파가 국소적으로 평면파인 기하광학으로 설명될 수 있으며, 이러한 극한에서 회절은 무시할 수 있다. 빛은 진행방향으로 에너지에 비례하는 운동량을 가지고 움직이기 때문에, 입자 예컨대, 유전체 구의 경계면에서의 반사와 굴절은 빛의 운동량을 변화시킨다. 만약 빛의 운동량이 △p 만큼 변하면, 운동량 보존법칙에 의해 유전체는 같은 크기이며 방향이 반대인 -△p 만큼 변해야 한다. 유전체 구에 작용하는 합성력은 단위시간당 운동량 변화이다. 입자의 굴절률이 주변 물질의 굴절률 보다 크면, 굴절에 의해 발생하는 광력은 광세기 기울기 방향으로 작용한다. 반대의 경우, 입자의 굴절률이 주변 물질의 굴절률보다 크면 광력은 광세기 기울기의 반대방향으로 작용한다. 산란력은 포획된 물체의 흡수와 반사에 의해 발생한다. 입자가 균일한 구 형상으로 된 경우 광력은 레이-옵틱스(rayoptics) 영역에서 직접 계산할 수 있다. 빔의 가장자리 부분은 축 상의 기울기력으로 작용하고, 중심부분은 주로 산란력으로 작용한다.If the diameter a of the particle is considerably larger than the wavelength [lambda] of the laser beam (a > [lambda]), it becomes an area that satisfies Mie scattering. Thus, the electromagnetic waves can be described as geometric optics, which are locally planar waves, and at these extremes diffraction can be ignored. Because light moves with momentum proportional to energy in the direction of travel, reflections and refractions at the interface of particles, such as dielectric spheres, change the momentum of light. If the momentum of light changes by Δp, the law of conservation of momentum should change the dielectric by the same magnitude and opposite direction -Δp. The synthetic force acting on the dielectric sphere is the change in momentum per unit time. If the refractive index of the particle is larger than that of the surrounding material, the light force generated by the refraction acts in the direction of the light intensity gradient. In the opposite case, if the refractive index of the particle is greater than the refractive index of the surrounding material, the light force acts in the opposite direction of the light intensity gradient. Scattering force is generated by the absorption and reflection of captured objects. If the particles have a uniform spherical shape, the light force can be calculated directly in the rayoptics region. The edge of the beam acts as an axial tilt force, and the central part mainly acts as a scattering force.
매우 작은 입자의 경우(a ≫λ), 레일리 영역에서 입자 직경에 대한 순간적인 전기장은 균일하다고 할 수 있다. 입자는 조화 전기장내에서 단순히 진동하는 유도 쌍극자로 다룰 수 있다. 입자에 작용하는 운동량 전달은 전기장과 쌍극자의 작용으로 계산할 수 있다. 복사력은 기하광학이나 레일리에서 유사하게 기술된다. 이 두 영역에서 입자에 작용하는 힘은 산란력과 기울기력으로 나눌 수 있다. 산란력은 흡수와 쌍극자에 의한 빛의 재방출에 의한 것으로, 입사 빛의 진행방향을 향하며 광세기에 비례한다. For very small particles (a''λ), the instantaneous electric field with respect to the particle diameter in the Rayleigh region can be said to be uniform. Particles can be treated as inductive dipoles that simply vibrate in a harmonic electric field. Momentum transfer on the particles can be calculated by the action of the electric field and dipole. Emissivity is similarly described in geometric optics or Rayleigh. The forces acting on the particles in these two regions can be divided into scattering and gradient forces. The scattering force is due to absorption and re-emission of light by the dipole, which is directed toward the direction of incident light and is proportional to the light intensity.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광소자를 광 트위저에 적용한 예를 도시한 것이다.7 illustrates an example in which an optical device according to an embodiment of the present invention is applied to an optical tweezer.
광원(200)에서 나오는 빛은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광소자(100)로 입사된다. 입사된 빛은 중공 광섬유와 코어 없는 광섬유의 접속면(125)에서 퍼졌다가 렌즈의 끝에서 모아져서 비회절성 베셀빔으로 변환된다. 실제 실험에서도 가운데의 빔이 거의 퍼지지 않고 일직선 상으로 진행하는 것을 관찰 할 수 있었다. Light emitted from the
이와 같이, 비회절성 베셀빔이 출력되면, 입자에 대한 광조작현상에 의해 입자들이 비회절성 베셀빔 주변으로 모여들게 된다.As such, when the non-diffraction Bessel beam is output, particles are gathered around the non-diffraction Bessel beam by light manipulation of the particles.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시 예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그리고, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정 한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations may be made therefrom. And, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
가장 가까운 시장적용 가능분야는 광 트위저 분야로서, 몇몇 광학 전문회사에 상용제품을 내놓았고 그 시장 규모는 점차 커지고 있다. 하지만 기존 광포획 기술은 매우 얇은 단일층에 대해서만 포획이 가능하다는 단점이 있었다. 베셀빔 기술을 도입할 경우 여러층에 광포획이 가능해지면서 응용성과 시장성이 기하급수적으로 커지게 될 것이다. The closest applicable market is the optical tweezers, which has been commercialized by several optical companies, and its market is growing. However, the conventional light trapping technology has a disadvantage that it can be captured only for a very thin single layer. The introduction of Besselbeam technology will enable the capturing of light on multiple layers, which will increase the applicability and marketability exponentially.
현재 베셀빔을 이용해서 여러 분야에 응용 가능성이 높다. 입자에 대한 광조작 현상으로 광포획 및 광트위저에 응용할 수 있다. 원자 광학 분야에서는 보즈-아인슈타인 응축현상에 응용하여 광포획을 할 수 있다. 또한 베셀빔은 비선형 광학분야 및 펄스 베셀빔까지 응용이 확장되는 효과가 기대된다. 특히 광포획 트위저는 상용제품이 생물공학 분야에서 널리 쓰이고 있으며, 그 쓰임새는 점차 확대되는 추세이다.Currently, there is a high possibility of application to various fields using Besselbeam. It can be applied to light trapping and light tweezers by the light manipulation phenomenon of particles. In atomic optics, light trapping can be applied to the condensation of Boze-Einstein. In addition, the Bessel beam is expected to extend the application to non-linear optics and pulsed Bessel beam. In particular, the light capture tweezers are widely used in the field of biotechnology, and their use is gradually increasing.
도 1은 단일모드 광섬유와 중공 광섬유가 접속된 형태의 예를 도시한 것이다.1 illustrates an example in which a single mode optical fiber and a hollow optical fiber are connected.
도 2는 도 1의 중공 광섬유와 코어 없는 광섬유가 접속된 형태의 예를 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates an example in which the hollow optical fiber of FIG. 1 and the optical fiber without a core are connected.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 도 2의 코어 없는 광섬유의 한쪽 단면에 폴리머 랜즈를 형성한 예를 도시한 것이다.3 illustrates an example in which a polymer lens is formed on one end surface of the coreless optical fiber of FIG. 2, according to an embodiment of the present disclosure.
도 4는 도 3에서 코어 없는 광섬유의 길이와 폴리머 렌즈의 곡률을 결정하기 위한 관계식을 도출하는 과정을 도시한 것이다.FIG. 4 illustrates a process of deriving a relationship for determining the length of a coreless optical fiber and the curvature of a polymer lens in FIG. 3.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광소자에서 이미지 초점 거리를 도시한 것이다.5 illustrates an image focal length in an optical device according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광소자에서 물체 초점 거리를 도시한 것이다.6 illustrates an object focal length in an optical device according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광소자를 광 트위저에 적용한 예를 도시한 것이다.7 illustrates an example in which an optical device according to an embodiment of the present invention is applied to an optical tweezer.
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