KR20180068668A - 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈 - Google Patents

라만 신호를 제거한 광섬유 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유의 N.A. 값과 형상을 이용하여 광섬유에서 출력되는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명은 광섬유; 및 상기 광섬유에서 출력되는 광이 일정 범위의 파장에서 통과되도록 필터링하는 필터를 포함하고, 상기 광섬유는 N.A.(Numerical Aperture) 값이 0.05 ~ 0.5 중 적어도 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 광섬유의 N.A. 값과 형상을 이용하여 광섬유에서 출력되는 라만 신호를 제거할 수 있고, 라만 신호가 출력되는 일정 파장의 빛과 이 수직방향으로 출력되지 않고 측면으로 산란되어 필터를 투과하는 것을 차단할 수 있는 장점이 있다.

Description

라만 신호를 제거한 광섬유 모듈{RAMAN SIGNAL ELIMINATED OPTICAL FIBER MODULE}
본 발명은 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 광섬유의 N.A.값과 형상을 이용하여 광섬유에서 출력되는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈에 관한 것이다.
라만 광섬유(Raman fiber)는 어떤 물질에 주파수 f의 단색광을 입사시키면, 산란광으로는 주파수 f 이외에 f±FR, f±2FR 등의 주파수 산란광이 나타나는데 이러한 현상을 라만 효과라 한다.
라만 효과는 물질의 분자운동이나 격자 운동과 광자와의 사이에 있어, 에너지를 주고받은 것에 의한 것으로, 물질이 에너지를 흡수하여 광의 진동수가 작아진 산란 광은 스토크스선, 반대로 물질에서 에너지를 얻어 진동수가 커진 산란광을 반 스토크스선이라 한다.
라만 분광법은 단색광의 비탄성 또는 라만 산란을 사용하는 기술로서, 종래의 단색광 공급원은 가시광 또는 근적외선 (“NIR”) 범위 내의 레이저이다. 산란된 광자들의 에너지가 상기 광자들의 파장을 변화시키는, 발광 물질 내의 진동 모드 또는 여기(excitations)와의 상호 작용에 대한 응답에서 위 또는 아래로 시프트 됨으로써, 산란된 광으로부터의 스펙트럼들이 상기 산란하는 물질에 관한 정보를 제공할 수 있다.
다수의 장기 내 생체의 전암 및 암세포 및 조직의 특성화 및 진단을 위한 잠재적인 기술로서 NIR 라만 분광법을 사용하는 것이 알려져 있다.
이러한 기술은 생체조직검사 또는 다른 조직의 제거가 필요하지 않고, 비-침습적 또는 최소한으로 침습적일 수 있기 때문에 바람직하다.
인체 내의 조직을 검사하기 위해서는 광섬유를 통하여 레이저를 조사하고 라만 산란광을 수집하는 라만 광섬유가 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 라만 분광장치를 나타낸 블록도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 라만 분광장치(20)는 일정 파장범위의 출력 파장을 공급하는 레이저(21)와, 상기 레이저(21)로부터의 광이 일정 범위의 반치전폭(full width half max)을 갖는 파장에서 중앙에 놓인 협대역-통과 필터(22)와, 광섬유(23)와, 내시경(10)을 통해 수집 광섬유(23)에 의해 되돌아오는 산란 광이 일정 범위의 컷오프를 갖는 프록시멀 인라인 수집 장파장-통과 필터(24)와, 상기 수집 광섬유(23)로부터 산란되어 되돌아온 광이 전송 회절격자를 포함하는 격자 상에서 회절하도록 하는 분광기(25)와, 분광된 광이 입사하게 되는 이미지센서(25a)와, 상기 레이저(21)와 분광기(25)를 제어하는 라만 분광 제어기(26)를 포함하여 구성된다.
그러나 이러한 라만 분광장치는 광섬유를 통해 출력되는 레이저 신호와 광섬유에 의한 라만 신호도 함께 출력되어 노이즈의 원인이 되는 문제점이 있다.
도 2는 종래의 광섬유에서 레이저 파장과 광섬유에서 발생하는 라만 신호가 혼재되어 출력되는 것을 나타낸 예시도로서, 광섬유(23)는 클래딩(23a)과 코어(23b)로 이루어져 있으며, 광섬유(23)를 통해 신호가 함께 전송되어 왔기 때문에 말단에는 필터(30)를 설치하여 광섬유(23)에서 출력되는 레이저 파장만 샘플로 입사되도록 하고, 불필요한 다른 신호는 노이즈로써 차단될 수 있도록 한다.
그러나 광섬유(23)의 코어(23b)에서 출력되어 필터(30)로 입사하는 광의 입사각이 일정하지 않아 필터(30)에 의한 적절한 필터링이 제공되지 않는 문제점이 있다.
예를 들면, 780㎚의 레이저가 광섬유(23)를 통해 출력하는 경우, 일정 광로 길이(ℓ)를 갖는 필터(30)에 수직방향으로 입사하는 780㎚ 파장의 레이저는 투과하고, 필터(30)의 외각쪽에는 780㎚ 파장의 레이저가 통과하지 못하여 780㎚ 파장의 레이저만 통과되어야 한다.
그러나 일정량의 반치전폭을 가지는 레이저가 입사할 때 중심파장보다 짧은 파장을 가지는 레이저 및 레이저로 인해서 광섬유에서 발생한 라만신호가 입사각(θ)로 필터(30)에 입사할 경우 780㎚보다 짧은 파장의 빛은 미리 설정된 필터(30)의 광로 길이보다 긴 광로 길이(ℓθ)를 통과하므로 노이즈 신호가 통과하게 되고, 이에 따라 샘플로 입사되었다가 돌아오면 샘플 신호와 함께 검출되어 노이즈가 발생하는 문제점이 있다.
Fabry-Perot 필터의 입사각 θ에 따른 투과 파장 λθ는 하기의 수식과 같이 표현된다.
Figure pat00001
여기서, ns는 필터 주변물질의 굴절률, nf는 필름의 유효 굴절률이다.
즉 광섬유의 N.A.(Numerical Aperture) 값이 sinθ = 0.5인 경우, 광섬유(23)에서 출력되어 필터(30)로 입사되는 최대 입사각(θ)은 30도이고, 이때 레이저의 파장이 예를 들어 780㎚이고 필터의 유효 굴절률이 2.19이면, 780 ~ 759㎚영역에 존재히는 빛이 필터를 투과하게 되어 이 영역에서는 라만 노이즈가 매우 높게 발생하게 된다.
도 3은 종래 기술에 따른 광학계를 이용한 광섬유 라만 신호 제거 장치를 나타낸 예시도로서, 도 3(a)와 같이, 광섬유(23)와 필터(30)의 사이에 입사각이 평행각으로 변환되어 출력하는 광학계(40)를 설치하여 광섬유(23)에서 출력되는 빛이 필터(30)에 수직방향으로 입사될 수 있게 구성함으로써, 필터(30)에 수직방향으로 입사할 수 있도록 하였다.
그러나 도 3(b)와 같이 광학계(40)로 입사된 광은 광학계(40)를 투과하면서, 점선과 같은 반사가 발생하게 되고, 모두 평행광이 아닌 임의의 각도가 형성된 반사광을 발생시켜, 결과적으로 레이저 중심파장보다 짧은 파장의 빛이 필터(30)를 통과하게 되는 문제점이 있다.
또한, 광섬유(23)에 광학계(40)를 설치함에 따라 전체적인 크기가 증가하고, 광섬유와 광학계의 접합과 필터의 설치에 따른 정교한 접합이 요구되어 제조과정이 복잡해지는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0046132호(발명의 명칭: 라만 분광법에 관한 진단 기기 및 방법)
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광섬유의 N.A. 값과 형상을 이용하여 광섬유에서 출력되는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광섬유; 및 상기 광섬유에서 출력되는 광이 일정 범위의 파장에서 통과되도록 필터링하는 필터를 포함하고, 상기 광섬유는 N.A.(Numerical Aperture) 값이 0.05 ~ 0.5 중 적어도 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 광섬유 모듈은 측정 가능한 라만 시프트가 3cm-1 ~ 350cm-1인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 광섬유는 서로 다른 N.A. 값을 갖는 복수의 광섬유를 접합하여 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 광섬유는 광이 입사하는 입력측 광섬유의 N.A. 값이 출력측 광섬유의 N.A. 값보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 입력측 광섬유의 N.A. 값은 0.22이고, 출력측 광섬유의 N.A. 값은 0.12인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 광섬유는 광이 출력되는 코어의 말단부에 렌즈부를 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광섬유의 N.A. 값과 형상을 이용하여 광섬유에서 출력되는 라만 신호를 제거할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 라만 신호가 출력되는 일정 파장의 빛과 이 수직방향으로 출력되지 않고 측면으로 산란되어 필터를 투과하는 것을 차단할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 일반적인 라만 분광장치를 나타낸 블록도.
도 2 는 종래의 광섬유에서 레이저 파장과 광섬유에서 발생하는 라만 신호가 혼재되어 출력되는 것을 나타낸 예시도.
도 3 은 종래 기술에 따른 광학계를 이용한 광섬유 라만 신호 제거 장치를 나타낸 예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈의 제1 실시예를 나타낸 단면도.
도 5 는 본 발명에 따른 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈의 제2 실시예를 나타낸 단면도.
도 6 은 본 발명에 따른 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈의 제3 실시예를 나타낸 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
(제1 실시예)
도 4는 본 발명에 따른 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈의 제1 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에 따른 본 발명은 라만 신호가 출력되는 일정 파장의 빛과 이 수직방향으로 출력되지 않고 측면으로 산란되어 필터를 투과하는 것을 차단할 수 있도록 광섬유(110)와, 필터(120)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 광섬유(110)는 광섬유의 클래딩(cladding)을 따라 예를 들어 2 ~ 100,000개의 복수의 공기구멍이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열되어 있고 광섬유의 코아(core)에 공기구멍이 없거나 또는 광섬유의 코아에 공기구멍이 있으나 그 주변의 공기구멍들과는 크기가 서로 다른 광섬유를 포함한다.
또한, 상기 광섬유(110)는 레이저 등의 광원으로부터 주입되는 광이 광섬유의 코어(110b)에서 진행하다가 수직으로 나오지 않고 측면으로 퍼져 나가는 것이 최소화될 수 있도록 N.A.(Numerical Aperture) 값이 0.12를 갖도록 구성되며, 상기 광섬유(110)는 N.A. 값이 0.12인 단일 광섬유로 이루어지는 것이 바람직하다.
즉 상기 광섬유의 N.A.= sinθ = 0.12로 상기 N.A.값이 작은 값을 갖는 경우 최대 입사각(θ) = ~6.89도이고, 이때 레이저의 파장이 예를 들어 780㎚이면, 광섬유의 라만 신호는 780 ~ 778.8㎚까지 투과하게 되어 라만 신호에 의한 노이즈는 778.8㎚까지 줄어들게 되어 필터(120)로 라만 신호에 의한 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있게 된다.
본 실시예에서는 N.A. 값을 0.12로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 요구되는 스펙에 따라 다양한 NA 값을 갖도록 구성할 수 있다.
예를 들어, N.A.=0.05로 하면 라만 신호의 투과는 779.2㎚까지 줄어들게 되어 라만 시프트에 의한 해상도 한계가 3cm-1까지 개선할 수 있게 되고, 필요에 따라 N.A.값을 제어함으로써, 라만 시프트에 의한 해상도가 3cm-1 ~ 348cm-1에서 제어될 수 있다.
(제2 실시예)
도 5는 본 발명에 따른 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈의 제2 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 제2 실시예에 따른 본 발명은 라만 신호가 출력되는 일정 파장의 빛과 이 수직방향으로 출력되지 않고 측면으로 산란되어 필터를 투과하는 것을 차단할 수 있도록 광섬유(110')와, 필터(120)를 포함하여 구성된다.
제2 실시예에 따른 광섬유(110')는 서로 다른 N.A. 값을 갖는 제1 광섬유(110a)와 제2 광섬유(110b)를 접합하여 구성된 점에서 제1 실시예에 따른 광섬유와 차이점이 있다.
제2 실시예에 따른 광섬유(110')는 제1 실시예와 같이 낮은 N.A. 값을 갖는 광섬유에서 발생하는 높은 곡률 손실(bending loss)과, 레이저에서 광섬유로 광을 주입할 때 낮은 결합 효율(coupling efficiency)이 개선될 수 있도록 N.A.값이 다른 복수의 광섬유를 스플라이싱(splicing)하여 구성된다.
즉 제2 실시예에 따른 상기 광섬유(110')는 광이 입사하는 입력측의 제1 광섬유(110a)의 N.A.값은 출력측의 제2 광섬유(110b)의 N.A.값보다 큰 값을 갖도록 구성함으로써, 낮은 N.A.값을 갖는 광섬유의 곡률 손실과 결합 효율이 개선될 수 있도록 한다.
예를 들어, 입력측에 설치되는 제1 광섬유(110a)의 N.A.값은 0.22로 구성하고, 출력측에 설치되는 제2 광섬유(110b)의 N.A.값은 0.12로 구성하면, 광원에서 광섬유로 전송되는 빛의 효율은 개선할 수 있고, 광섬유에서 출력되는 빛의 발산을 감소시킬 수 있게 된다.
따라서 상기 광섬유의 N.A.= sinθ = 0.12로 제2 광섬유(110b)의 N.A.값이 작은 값을 갖도록 구성하면, 최대 입사각(θ) = ~6.89도이고, 이때 레이저의 파장이 예를 들어 780㎚이면, 광섬유의 라만 신호는 780 ~ 778.8㎚까지 투과하게 되어 라만 신호에 의한 노이즈는 778.8㎚까지 줄어들게 되어 필터(120)로 입력되는 라만 신호에 의한 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있게 되어 라만 시프트에 의한 해상도 한계가 19cm-1까지 개선할 수 있게 된다.
(제3 실시예)
도 6은 본 발명에 따른 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈의 제3 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 제3 실시예에 따른 광섬유(100")는 광이 출력되는 코어의 말단부에 렌즈부(111)를 형성하여 측면으로 발산되는 라만 신호를 평행광으로 변환시켜 출력되게 함으로써, 필터(120)에 수직방향으로 입사될 수 있도록 한다.
상기 광섬유(110")는 N.A.값이 0.05 ~ 0.5 사이의 적어도 하나의 값을 갖는 단일 광섬유로 이루어진다.
상기 렌즈부(111)는 광섬유(110")의 말단부에 볼록렌즈 형상으로 설치되어 코어를 통과하여 출력되는 라만 신호의 광 경로를 평행광이 되도록 변경시켜 출력되게 하여 필터(120)에 수직방향으로 입사될 수 있도록 한다.
본 실시예에서는 상기 렌즈부(110)의 형상을 볼록렌즈 형상으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 구면 또는 비구면의 다양한 형상으로 변경하여 구성할 수 있으며, 광섬유의 내측에 설치되는 코어와, 상기 코어의 외측에 설치되는 클래딩에 따라 변형하여 구성할 수도 있다.
따라서 라만 신호에 의한 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있고, 라만 시프트에 의한 해상도를 3cm-1 ~ 348cm-1에서 제어할 수 있게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
10 : 내시경
20 : 라만 분광장치
21 : 레이저
22 : 협대역 통과 펄터
23 : 광섬유
23a : 클래딩
23b : 코어
24 : 장파장 통과 필터
25 : 분광기
25a : 이미지센서
26 : 라만 분광 제어기
30 : 필터
40 : 광학계
100, 100', 100" : 광섬유 모듈
110, 110', 110" : 광섬유
110a : 제1 광섬유
110b : 제2 광섬유
111 : 렌즈부
120 : 필터

Claims (6)

  1. 광섬유(110, 110', 110"); 및
    상기 광섬유(110, 110', 110")에서 출력되는 광이 일정 범위의 파장에서 통과되도록 필터링하는 필터(120)를 포함하고,
    상기 광섬유(110, 110', 110')는 N.A.(Numerical Aperture) 값이 0.05 ~ 0.5 중 적어도 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 모듈은 측정 가능한 라만 시프트가 3cm-1 ~ 350cm-1인 것을 특징으로 하는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유(110')는 서로 다른 N.A. 값을 갖는 복수의 광섬유(110a, 110b)를 접합하여 구성한 것을 특징으로 하는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광섬유(110')는 광이 입사하는 입력측 광섬유의 N.A. 값이 출력측 광섬유의 N.A. 값 보다 큰 것을 특징으로 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입력측 광섬유의 N.A. 값은 0.22이고, 출력측 광섬유의 N.A. 값은 0.12인 것을 특징으로 하는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유(110")는 광이 출력되는 코어의 말단부에 렌즈부(111)를 형성한 것을 특징으로 하는 라만 신호를 제거한 광섬유 모듈.
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