KR20200117004A - 라만 분광을 위한 스펙트럼 필터링 - Google Patents
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Abstract
라만 분광 시스템이 제공된다. 상기 라만 분광 시스템은 펌프 입구 및 리턴 출구를 갖는 제 1 측면과, 복수의 펌프 출구 및 복수의 리턴 입구를 갖는 제 2 측면을 포함하는 광학 스위치를 포함한다. 상기 라만 분광기 시스템은 상기 펌프 입구에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 방사선 소스, 및 상기 리턴 출구에 광학적으로 결합된 검출기를 포함한다. 상기 라만 분광 시스템은 적어도 하나의 방사선 소스와 펌프 출구 사이에 광학적으로 결합된 펌프 필터 모듈 및 검출기와 리턴 입구 사이에 광학적으로 결합된 리턴 필터 모듈을 더 포함한다. 상기 라만 분광 시스템은 복수의 프로브를 더 포함하며, 각각의 프로브는 적어도 하나의 여기 섬유에 의해 복수의 펌프 출구 중 적어도 하나에 광학적으로 연결되고 적어도 하나의 방출 섬유에 의해 리턴 입구 중 하나에 광학적으로 결합된다.
Description
본 출원은 35 U.S.C.§120 하에 2018년 2월 9일 출원된 미국 가출원 제62/628,627호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 병합된다.
본 개시는 일반적으로 광학 장치에 관한 것으로, 특히 라만 분광 (Raman spectroscopy)에 사용하기 위한 필터링 구성 요소를 포함하는 광학 스위치에 관한 것이다.
광학 스위치들은 일반적으로 광섬유 통신을 포함한 다양한 애플리케이션에 사용된다. 그와 같은 스위치들은 원하는 광 입력에서 원하는 광 출력으로 광을 지향시키는 데 사용된다. 예를 들어, 1 × N 스위치는 공통 포트와 N개 포트 중 어느 하나 간 광 커넥션을 생성하는 데, 여기서 "N"은 1보다 큰 정수이다. 종래의 광학 스위치는, 예를 들어, 움직이는 프리즘 또는 움직이는 광섬유를 기반으로 하는 마이크로 기계 시스템 및 마이크로 전자기계 시스템 (MEM)을 포함할 수 있다. 마이크로 기계 스위치의 상업적인 예로는 Agiltron (미국 메사추세츠 워번)에서 제조 한 LightBend™ 시리즈가 있다.
라만 분광은 광을 전송 및 수신하기 위해 광섬유를 이용할 수 있는 애플리케이션의 일 예이다. 라만 분광은 수성 및 다른 액체 환경에 적합한 것으로 고려되는 샘플을 분석할 뿐만 아니라 고체, 겔, 가스 및 분말을 분석하는 기술을 제공한다. 라만 분광은 광 산란을 이용하여 물질을 단색광으로 조명한 다음 그 산란된 광에서 개별 파장과 강도를 측정하여 물질 내 다양한 분자의 정체성과 농도를 결정하는 분석 기술이다.
라만 분광 시스템 (Raman spectroscopy system)은 일반적으로 광원 및 검출기에서 멀리 떨어진 샘플의 라만 스펙트럼 측정을 용이하게 하는 프로브 (probe)를 포함한다. 상기 프로브는 제 1 광섬유를 통해 광원에 광학적으로 연결되고 제 2 광섬유를 통해 검출기에 광학적으로 연결된다. 종종 상기 프로브에는 레이저 주파수를 중심으로 하는 협대역 "레이저 클린-업 (laser clean-up)" 필터 및 그러한 레이저 주파수에서 탄력적으로 산란되는 광을 선택적으로 거부하는 에지, 노치 (notch) 또는 고역-통과 필터를 포함한 광학 요소들이 포함되어 있다.
그와 같은 광학 요소가 있는 프로브는 단일 프로브 또는 제한된 수의 프로브가 있는 라만 분광 시스템에 편리하다. 그러나, 라만 분광 시스템의 프로브의 수가 증가함에 따라, 각각의 프로브에 자체 광학 요소 세트가 포함되어 시스템의 전체 비용도 증가한다.
본 발명은 라만 분광 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 개시의 구현 예에 따르면, 라만 분광 시스템이 제공된다. 상기 라만 분광 시스템은 펌프 입구 및 리턴 출구를 갖는 제 1 측면과, 복수의 펌프 출구 및 복수의 리턴 입구를 갖는 제 2 측면을 포함하는 광학 스위치를 포함한다. 상기 라만 분광기 시스템은 상기 광학 스위치의 펌프 입구에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 방사선 소스, 및 상기 광학 스위치의 리턴 출구에 광학적으로 결합된 검출기를 포함한다. 상기 라만 분광 시스템은 적어도 하나의 방사선 소스와 광학 스위치의 펌프 출구 사이에 광학적으로 결합된 펌프 필터 모듈 및 검출기와 광학 스위치의 리턴 입구 사이에 광학적으로 결합된 리턴 필터 모듈을 더 포함한다. 상기 라만 분광 시스템은 복수의 프로브를 더 포함하며, 각각의 프로브는 적어도 하나의 여기 섬유에 의해 광학 스위치의 복수의 펌프 출구 중 적어도 하나에 광학적으로 연결되고 적어도 하나의 방출 섬유에 의해 광학 스위치의 리턴 입구 중 하나에 광학적으로 결합된다.
상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단지 예시일 뿐이며, 청구범위의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 기초를 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다. 수반된 도면은 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다. 그러한 도면은 하나 이상의 구현 예 (들)를 예시하고, 설명과 함께 다양한 구현 예의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 라만 분광 시스템을 제공할 수 있다.
본 개시는 비-제한적인 실시 예로서 순전히 주어진 다음의 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 명확하게 이해될 것이다:
도 1a는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 1b는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 2a는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 2b는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 3은 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 펌프 필터 모듈을 나타내며;
도 4는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 리턴 필터 모듈을 나타낸다.
도 1a는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 1b는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 2a는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 2b는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타내고;
도 3은 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 펌프 필터 모듈을 나타내며;
도 4는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 리턴 필터 모듈을 나타낸다.
이제 본 구현 예 (들)에 대한 참조가 상세하게 이루어질 것이며, 그 실시 예 (들)는 수반되는 도면에 나타나 있다. 가능한 한, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용될 것이다.
단수 형태 "하나", "한" 및 "그러한"은 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 동일한 특성을 나타내는 모든 범위의 끝점은 독립적으로 결합 가능하며 인용된 끝점을 포함한다. 모든 참고 문헌은 여기에 참고로 포함된다.
본원에서 사용된 바와 같이, "갖는다", "갖는", "포함한다", "포함하는", "구비하다", "구비하는" 등은 개방형 의미로 사용되며, 일반적으로 "포함하지만 이에 제한되지 않는다"를 의미한다.
본원에서 사용되는 모든 과학 및 기술 용어는 달리 명시되지 않는 한 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 의미를 갖는다. 본원에 제공된 정의들은 본원에서 자주 사용되는 특정 용어들의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것을 의미하지 않는다.
본 개시는 아래에서, 처음에 일반적으로, 이어서 몇몇 예시의 구현 예에 기초하여 상세하게 설명된다. 각각의 예시의 구현 예에서 서로 결합하여 도시된 특징은 모두 실현될 필요는 없다. 특히, 개별적인 특징들은 또한 생략되거나 동일한 예시의 구현 예 또는 다른 예시의 구현 예의 다른 특징에 도시된 다른 특징과 다른 방식으로 결합될 수 있다.
본 개시 내용의 구현 예들은 적어도 하나의 방사선 소스에 광학적으로 결합된 펌프 입구 및 검출기에 광학적으로 결합된 리턴 출구를 갖는 제 1 측면을 포함하는 광학 스위치를 포함하는 라만 분광 시스템을 제공한다. 그러한 광학 스위치는 복수의 펌프 출구 및 복수의 프로브에 광학적으로 결합된 복수의 리턴 입구를 갖는 제 2 측면을 더 포함한다. 본원에 기술된 분광 시스템은 적어도 하나의 방사선 소스로부터 전달된 모든 방사선이 프로브로 전달되기 전에 펌프 필터 모듈을 통과하도록 적어도 하나의 방사선 소스와 복수의 펌프 출구 사이에 배치된 펌프 필터 모듈을 더 포함한다. 추가로, 본원에 기술된 분광 시스템은 또한 프로브로부터 전달된 모든 방사선이 검출기로 전달되기 전에 리턴 필터 모듈을 통과하도록 검출기와 복수의 리턴 입구 사이에 배치된 리턴 필터 모듈을 포함한다. 본원에 기술된 분광 시스템은 복수의 프로브 각각에 종래의 프로브 광학 구성 요소들을 제공하지 않고도 복수의 프로브로 전달된 방사선의 필터링 및 복수의 프로브로부터 전달된 방사선의 필터링을 유리하게 허용한다. 따라서, 본원에 기술된 시스템들은 다수의 프로브가 있는 다수의 샘플 또는 다수의 프로브가 있는 한 샘플의 다수의 부분 분석과 관련된 비용을 줄인다.
도 1a-1b 및 2a-2b는 본 개시의 구현 예들에 따른 예시의 라만 분광 시스템을 나타낸다. 도 1a에 나타낸 예시의 시스템 (100)은 복수의 프로브 (110) 및 이 복수의 프로브 (110) 각각을 광학 스위치 (140)의 제 1 측면 (142)에 광학적으로 연결하는 복수의 광섬유 (130, 132)를 포함한다. 복수의 프로브 (110) 각각에 대해, 적어도 하나의 여기 섬유 (130)는 광학 스위치 (140)의 제 1 측면 (142) 상의 펌프 출구 (148)에 프로브 (110)를 광학적으로 연결하고, 적어도 하나의 방출 섬유 (132)는 광학 스위치 (140)의 제 1 측면 (142) 상의 리턴 입구 (149)에 프로브 (110)를 광학적으로 연결한다. 상기 광학 스위치 (140)의 제 1 측면 (142)은 복수의 펌프 출구 (148) 및 복수의 리턴 입구 (149)를 포함한다. 적어도 하나의 방사선 소스 (152)는 펌프 필터 모듈 (166)을 통해 광학 스위치 (140)의 제 2 측면 (144) 상의 펌프 입구 (146)에 광학적으로 연결되고, 검출기 (156)는 리턴 필터 모듈 (168)을 통해 광학 스위치 (140)의 제 2 측면 (144) 상의 리턴 출구 (147)에 광학적으로 연결된다. 시스템 (100)은 제어기 (160) 및 컴퓨팅 시스템 (170)을 더 포함한다.
도 1b에 나타낸 예시의 시스템 (200)은 시스템 (100)과 유사한 시스템 구성 요소들을 포함하고 광학 스위치 (240)를 포함한다는 점에서 시스템 (100)과 다르다. 광학 스위치 (240)는 펌프 입구 (146)와 복수의 펌프 출구 (148) 사이의 광학 스위치 (240) 내에 배치된 펌프 필터 모듈 (166)을 포함한다. 광학 스위치 (240)는 또한 리턴 출구 (147)와 복수의 리턴 입구 (149) 사이의 광학 스위치 (240) 내에 배치된 리턴 필터 모듈 (168)을 포함한다. 그와 같이, 시스템 (200)에서, 적어도 하나의 방사선 소스(152)는 펌프 입구 (146)에 직접 광학적으로 연결된다. 시스템 (100)은 제어기 (160) 및 컴퓨팅 시스템 (170)을 더 포함한다.
도 2a에 나타낸 예시의 시스템 (300)은 복수의 프로브 (110), 펌프 광학 스위치 (340a) 및 리턴 광학 스위치 (340b)를 포함한다. 복수의 프로브 (110) 각각에 대해, 적어도 하나의 여기 섬유 (130)는 프로브 (110)를 펌프 광학 스위치 (340a)의 제 1 측면 (342a) 상의 펌프 출구 (348)에 광학적으로 연결하고, 적어도 하나의 방출 섬유 (132)는 프로브 (110)를 리턴 광학 스위치 (340b)의 제 1 측면 (342b) 상의 리턴 입구 (349)에 광학적으로 연결한다. 펌프 광학 스위치 (340a)의 제 1 측면 (342a)은 복수의 펌프 출구 (348)를 포함하고 리턴 광학 스위치 (340b)의 제 1 측면 (342b)은 복수의 리턴 입구 (349)를 포함한다. 적어도 하나의 방사선 소스 (152)는 펌프 필터 모듈 (166)를 통해 펌프 광학 스위치 (340a)의 제 2 측면 (344a) 상의 펌프 입구 (346)에 광학적으로 연결되고, 검출기 (156)는 리턴 필터 모듈 (168)을 통해 리턴 광학 스위치 (340b)의 제 2 측면 (344b) 상의 리턴 출구 (347)에 광학적으로 연결된다. 상기 시스템 (100)은 제어기 (160) 및 컴퓨팅 시스템 (170)을 더 포함한다.
도 2b에 나타낸 예시의 시스템 (400)은 시스템 (300)과 유사한 시스템 구성 요소들을 포함하고 펌프 광학 스위치 (440a) 및 리턴 광학 스위치 (440b)를 포함한다는 점에서 시스템 (300)과 다르다. 펌프 광학 스위치 (440a)는 펌프 입구 (346)와 복수의 펌프 출구 (348) 사이의 펌프 광학 스위치 (440a) 내에 배치된 펌프 필터 모듈 (166)을 포함한다. 리턴 광학 스위치 (440b)는 리턴 출구 (347)와 복수의 리턴 입구 (349) 사이의 리턴 광학 스위치 (440b) 내에 배치된 리턴 필터 모듈 (168)을 포함한다. 그와 같이, 시스템 (400)에서, 적어도 하나의 방사선 소스 (152)는 펌프 입구 (346)에 직접 광학적으로 연결된다.
본원에 기술된 바와 같은 적어도 하나의 방사선 소스 (152)는, 예를 들어 약 200 nm 내지 약 1550 nm의 출력 파장을 갖는 상업적으로 이용 가능한 레이저일 수있다. 그러한 출력 파장은 약 200 nm 내지 약 400 nm의 전자기 스펙트럼, 예를 들어 약 244 nm, 약 257 nm, 약 266 nm, 약 325 nm 또는 약 364 nm의 전자기 스펙트럼의 자외선 영역에 있을 수 있다. 그러한 출력 파장은 약 400 nm 내지 약 700 nm의 전자기 스펙트럼, 예를 들어 약 457 nm, 약 473 nm, 약 488 nm, 약 514 nm, 약 532 nm, 약 633 nm 또는 약 660 nm의 전자기 스펙트럼의 가시 영역에 있을 수 있다. 그러한 출력 파장은 약 700 nm 내지 약 1500 nm의 전자기 스펙트럼, 예를 들어 약 785 nm, 약 830 nm, 약 980 nm 또는 약 1064 nm의 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역에 있을 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 바와 같은 적어도 하나의 방사선 소스 (152)는 약 400 nm 내지 약 850 nm의 출력 파장을 가질 수 있다. 적어도 하나의 방사선 소스 (152)의 출력 파장은 시스템 (100, 200, 300, 400)으로 분석되는 재료에 기초하여 선택될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 약 850 nm와 같은 상대적으로 긴 파장은 형광을 발하는 경향이 있는 액체를 분석하는 데 더 적합할 수 있는 반면, 약 660 nm 또는 785 nm와 같은 상대적으로 짧은 파장은 라만 산란 프로세스의 높은 효율을 원할 경우 재료를 분석하는 데 더 적합할 수 있다.
도 3은 본원에 기술된 펌프 필터 모듈을 나타낸다. 본 개시의 구현 예들에 따르면, 그러한 펌프 필터 모듈 (166)은 제 1 단부에 입력부 (512)를 갖는 하우징 (510) 및 제 1 단부로서 상기 하우징 (510)의 대향 단부인 제 2 단부에 출력부 (514)를 포함할 수 있다. 하우징 입력부 (512)는 적어도 하나의 방사선 소스 (152)에 광학적으로 결합될 수 있다. 시스템 (100)에서, 하우징 출력부 (514)는 광학 스위치 (140)의 펌프 입구 (146)에 광학적으로 결합될 수 있다. 유사하게, 시스템 (300)에서, 하우징 출력부 (514)는 펌프 광학 스위치 (340a)의 펌프 입구 (346)에 광학적으로 결합될 수 있다. 시스템 (200)에서, 하우징 출력부 (514)는 복수의 펌프 출구 (148)의 방향으로 방사선을 전달하는 광학 스위치 (240) 내의 광 커넥션에 광학적으로 결합될 수 있다. 유사하게, 시스템 (400)에서, 하우징 출력부 (514)는 복수의 펌프 출구 (348)의 방향으로 방사선을 전달하는 펌프 광학 스위치 (440a) 내의 광 커넥션에 광학적으로 결합될 수 있다. 하우징 입력부 (512)와 하우징 출력부 (514) 사이에서, 펌프 필터 모듈 (166)은 콜리메이터 (502; collimator)와 포커싱 렌즈 (506) 사이에 위치된 대역-통과 필터 (504)를 포함한다. 그러한 대역 통과 필터 (504)는 여기 파장만 통과하도록 매칭된 임의의 적절한 파장에서 동작 가능할 수 있지만, 일 예로서 785 nm 파장의 방사선만 통과하도록 선택된다. 상기 콜리메이터 (502)는 그것이 대역-통과 필터 (504)에 들어가기 전에 방사선을 시준한다. 상기 대역-통과 필터 (504) 후에, 포커싱 렌즈 (506)는 하우징 출구 (514)에 결합된 광 커넥션에 방사선을 포커싱한다. 선택적으로, 그리고 도 3에 나타낸 바와 같이, 펌프 필터 모듈 (166)은 하우징 입력부 (512)와 콜리메이터 (502) 사이에 위치된 제 2 포커싱 렌즈 (508)를 포함할 수 있다. 그러한 제 2 포커싱 렌즈 (508)는 적어도 하나의 방사선 소스 (152)로부터의 방사선을 콜리메이터 (502)로 포커싱하기 위해 포함될 수 있다.
도 4는 본원에 기술된 바와 같은 리턴 필터 모듈을 나타낸다. 본 개시의 구현 예들에 따르면, 리턴 필터 모듈 (168)은 제 1 단부에 입력부 (612)를 갖는 하우징 (610) 및 제 1 단부로서 하우징 (610)의 대향 단부인 제 2 단부에 출력부 (614)를 포함할 수 있다. 하우징 출력부 (614)는 검출기 (156)에 광학적으로 결합될 수 있고, 시스템 (100)에서, 하우징 입력부 (614)는 광학 스위치 (140)의 리턴 출구 (147)에 광학적으로 결합될 수 있다. 유사하게, 시스템 (300)에서, 하우징 입력부 (614)는 리턴 광학 스위치 (340b)의 리턴 출구 (347)에 광학적으로 결합될 수 있다. 시스템 (200)에서, 하우징 출력부 (614)는 복수의 리턴 입구 (149)로부터의 방사선을 전달하는 광학 스위치 (240) 내의 광학 커넥션에 광학적으로 결합될 수 있다. 유사하게, 시스템 (400)에서, 하우징 출력부 (614)는 복수의 리턴 입구 (349)로부터의 방사선을 전달하는 펌프 광학 스위치 (440b) 내의 광 커넥션에 광학적으로 결합될 수 있다. 하우징 입력부 (612)와 하우징 출력부 (614) 사이에서, 리턴 필터 모듈 (168)은 콜리메이터 (602)와 포커싱 렌즈 (606) 사이에 위치된 필터 (604)를 포함한다. 필터 (604)는, 예를 들어 에지 필터, 롱-패스(long-pass) 또는 노치 필터일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 필터 (604)가 에지 필터 또는 롱-패스 필터인 경우, 필터 (604)는 여기 신호 파장을 차단하지만 보다 긴 파장 또는 보다 짧은 파장의 방사선이 통과할 수 있도록 선택된다. 필터 (604)가 노치 필터인 경우, 필터 (604)는 여기 신호 파장을 차단하지만 보다 긴 파장 및 보다 짧은 파장 모두에서 방사선이 통과할 수 있도록 선택된다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "여기 신호"는 적어도 하나의 방사선 소스 (152)에 의해 복수의 프로브 (110)에 전달되는 방사선을 지칭하고, "여기 신호 파장"은 적어도 하나의 방사선 소스 (152)에 의해 복수의 프로브 (110)에 전달되는 방사선의 파장을 지칭한다. 예를 들어, 적어도 하나의 방사선 소스 (152)가 785 nm의 파장을 갖는 방사선을 전달하는 경우, 롱-패스 필터는 785 nm 파장의 방사선이 통과하는 것을 차단하도록 구성된다. 콜리메이터 (602)는 롱-패스 필터 (604) 이전에 방사선을 시준한다. 롱-패스 필터 (604) 이후, 포커싱 렌즈 (606)는 하우징 출구 (614)에 결합된 광 커넥션에 방사선을 포커싱한다. 선택적으로, 그리고 도 4에 나타낸 바와 같이, 리턴 필터 모듈 (168)은 하우징 입력부 (612)와 콜리메이터 (602) 사이에 위치된 제 2 포커싱 렌즈 (608)를 포함할 수 있다. 제 2 포커싱 렌즈 (608)는 복수의 프로브 (110)로부터의 방사선을 콜리메이터 (602)로 포커싱하기 위해 포함될 수 있다.
본 개시의 구현 예들에 따르면, 시스템 (100, 200)은 펌프 입구 (146)를 통해 적어도 하나의 방사선 소스 (152)로부터의 방사선을 광학 스위치 (140, 240)로 전달하도록 동작한다. 제어기 (160)로부터의 제어 신호에 응답하여, 광학 스위치 (140, 240)는, 방사선이 광학 스위치 (140, 240)로부터 적어도 하나의 여기 섬유 (130)를 통해 복수의 프로브 (110) 중 적어도 하나로 전달되도록, 펌프 입구 (146)와 복수의 펌프 출구 (148) 중 적어도 하나 사이에 커넥션을 형성한다. 복수의 프로브 (110)는 적어도 하나의 방사선 소스 (152)로부터의 방사선을 샘플로 전달하고, 샘플에 의해 산란된 방사선은 복수의 프로브 (110)에 의해 수집되고 적어도 하나의 방출 섬유 (132)를 통해 광학 스위치 (140, 240)의 복수의 리턴 입구 (149)로 리턴된다. 제어기 (160)로부터의 제어 신호에 응답하여, 광학 스위치 (140, 240)는 복수의 리턴 입구 (149) 중 적어도 하나와 리턴 출구 (147) 사이에 커넥션을 형성하여 방사선이 광학 스위치 (140, 240)에서 검출기 (156)로 전달되게 한다.
본 개시의 구현 예들에 따르면, 시스템 (300, 400)은 적어도 하나의 방사선 소스 (152)로부터 펌프 입구 (346)를 통해 펌프 광학 스위치 (340a, 440a)로 방사선을 전달하도록 동작한다. 제어기 (160)로부터의 제어 신호에 응답하여, 펌프 광학 스위치 (340a, 440a)는, 방사선이 펌프 광학 스위치 (340a, 440a)로부터 적어도 하나의 여기 섬유 (130)를 통해 복수의 프로브 (110) 중 적어도 하나로 전달되도록, 펌프 입구 (346)와 복수의 펌프 출구 (348) 중 적어도 하나 사이에 커넥션을 형성한다. 복수의 프로브 (110)는 적어도 위의 방사선 소스 (152)로부터의 방사선을 샘플로 전달하고, 샘플에 의해 산란된 방사선은 복수의 프로브 (110)에 의해 수집되고 하나의 방출 섬유 (132)를 통해 리턴 광학 스위치 (340b, 440b)의 복수의 리턴 입구 (349)로 리턴된다. 제어기 (160)로부터의 제어 신호에 응답하여, 리턴 광학 스위치 (340b, 440b)는, 방사선이 리턴 광학 스위치 (340b, 440b)로부터 검출기 (156)로 전달되도록, 복수의 리턴 입구 (349) 중 적어도 하나와 리턴 출구 (347) 사이에 커넥션을 형성한다.
본원에 기술된 광학 스위치 (140, 240, 340a, 340b, 440a, 440b)는 당 업계에 알려진 임의의 광학 스위치일 수 있다. 예를 들어, 그러한 광학 스위치 (140, 240, 340a, 340b, 440a, 440b)는 미국특허 제4,239,330호, 미국특허 제4,239,331호, 미국특허 제4,322,126호 및 미국특허 제4,239,330호에 기술된 것과 같은 기계적 광학 스위치일 수 있으며, 상기 문헌의 내용은 그 전체가 본원에 참고로 병합된다. 선택적으로, 광학 스위치 (140, 240, 340a, 340b, 440a, 440b)는 미국특허 제4,634,239호에 기술된 바와 같은 다수의 광섬유 전자기계식 스위치일 수 있으며, 상기 문헌의 내용은 그 전체가 본원에 참조로 병합된다. 선택적으로, 광학 스위치 (140, 240, 340a, 340b, 440a, 440b)는 미국특허 제5,361,315호에 기술된 바와 같은 굴절 요소 광학 전송 스위치일 수 있으며, 상기 문헌의 내용은 그 전체가 본원에 참조로 병합된다.
본 개시의 구현 예들은 여기 방사선을 샘플로 지향시키고 샘플에 의해 산란된 방사선을 수집하도록 구성된 광학 헤드 어셈블리 (112)를 각각 갖는 복수의 프로브 (110)를 포함할 수 있다. 상기 광학 헤드 어셈블리 (112)는 여기 신호가 적어도 하나의 방사선 소스 (152)으로부터 지향되는 적어도 하나의 여기 섬유 (130)에 광학적으로 연결된다. 상기 광학 헤드 어셈블리 (112)는 적어도 하나의 방출 섬유 (132)에 추가로 광학적으로 연결된다. 여기 신호에 응답하여 샘플에 의해 산란된 방사선은 광학 헤드 어셈블리 (112)에서 수집되어 적어도 하나의 방출 섬유 (132)로 전달된다.
본 개시의 구현 예들에 따르면, 상기 광학 헤드 어셈블리 (112)는 입력 및 그 입력과 별개의 출력을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 여기 섬유 (130)는, 예를 들어 광섬유 커넥터에 의해 광학 헤드 어셈블리 (112)의 입력에 광학적으로 연결될 수 있고, 적어도 하나의 방출 섬유 (132)는, 예를 들어 광섬유 커넥터에 의해 광학 헤드 어셈블리 (112)의 출력에 광학적으로 연결될 수 있다. 대안으로, 상기 광학 헤드 어셈블리 (112)는 광섬유 다발에 광학적으로 연결된 포트를 포함할 수 있다. 상기 광섬유 다발은, 예를 들어 광섬유 커넥터에 의해 광학 헤드 어셈블리 (112)의 포트에 광학적으로 결합될 수 있다. 일 예로서, 상기 광섬유 다발은 하나 이상의 여기 섬유 (130) 및 그 하나 이상의 여기 섬유 (130)의 원주 주위에 복수의 방출 섬유 (132)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 광섬유 다발 내의 방출 섬유 (132)의 수가 많을 수록 복수의 프로브 (110)로부터 검출기 (156)로 전달될 수 있는 산란된 방사선의 양이 더 많다는 것이 이해된다. 본원에 기술된 광섬유 다발은 임의의 수의 방출 섬유 (132)를 포함할 수 있지만, 본원에 기술된 바와 같은 광섬유 다발은 2개 이상의 방출 섬유 (132), 예를 들어 약 2개 내지 약 10개의 방출 섬유 (132), 또는 약 3개 내지 약 8개의 방출 섬유 (132) 및 이들 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. 더욱이, 복수의 프로브 (110)로부터 검출기 (156)로 전달될 수 있는 산란된 방사선의 양은 광섬유 다발의 섬유들 간 분리가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 본원에 기술된 광섬유 다발은 광섬유 다발 내의 섬유들 간 간격을 최소화하는 구성을 포함한다. 예를 들어, 광섬유가 광학 헤드 어셈블리 (112)에 연결되는 섬유들의 단부는 서로 직접 접촉할 수 있다.
본 개시의 구현 예들에 따르면, 시스템 (100, 200, 300, 400)은 검출기 (156)를 포함할 수 있다. 상기 검출기 (156)는 리턴 필터 모듈 (168)을 통해 리턴 출구 (147, 347)에 광학적으로 연결되어 샘플로부터 산란된 방사선이 검출기 (156)의 슬릿으로 전송되게 할 수 있다. 상기 검출기 (156)는 상이한 파장에서 강도의 어레이로서 스펙트럼 데이터를 양자화 및 출력하는 전하 결합 소자 (CCD; charged coupled device) 기반 센서일 수 있다. 다른 예시의 검출기는 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 검출기와 같은 초점면 어레이 검출기, Si 검출기 및 InGaAs 검출기와 같은 포토 다이오드 어레이 검출기를 포함할 수 있다.
본 개시의 구현 예들에 따르면, 시스템 (100, 200, 300, 400)은 시스템 (100, 200, 300, 400)의 다양한 구성 요소를 개인용 컴퓨터와 같은 컴퓨팅 시스템에 연결하기 위한 인터페이스를 제공하도록 구성된 제어기 (160)를 더 포함할 수 있다. 제어기 (160)는 시스템 (100, 200, 300, 400)의 다양한 구성 요소들의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템 (100, 200)에서 제어기 (160)는 광학 스위치 (140, 240)를 제어하도록 구성되거나 또는 시스템 (300, 400)에서 제어기는 펌프 광학 스위치 (340a, 440a) 및 리턴 광학 스위치 (340b, 440b)를 제어하도록 구성된다. 제어기 (160)는 방사선이 전달되는 적어도 하나의 여기 섬유 (130)를 지정하는 광학 스위치 (140, 240, 340a, 440a)의 내장형 컴퓨터에 제어 신호를 전달한다. 제어 신호에 응답하여, 광학 스위치 (140, 240, 340a, 440a)는, 방사선이 광학 스위치 (140, 240, 340a, 440a)로부터 적어도 하나의 여기 섬유 (130)를 통해 복수의 프로브 (110) 중 적어도 하나로 전달되도록, 펌프 입구 (146, 346)와 복수의 펌프 출구 (148, 348) 중 적어도 하나 사이에 커넥션을 형성한다. 유사하게, 제어기 (160)는 산란된 방사선이 전달될 적어도 하나의 방출 섬유 (132)를 지정하는 광학 스위치 (140, 240, 340b, 440b)의 내장형 컴퓨터에 제어 신호를 전달한다. 제어 신호에 응답하여, 광학 스위치 (140, 240, 340b, 440b)는, 방사선이 광학 스위치 (140, 240, 340b, 440b)로부터 검출기 (156)로 전달되도록, 복수의 리턴 입구 (149, 349) 중 적어도 하나와 리턴 출구 (147, 347) 사이에 커넥션을 형성한다.
예를 들어, 제어기 (160)는 적어도 하나의 방사선 소스 (152)의 출력 전력을 제어할 뿐만 아니라 적어도 하나의 방사선 소스 (152)를 켜고 끄도록 적어도 하나의 방사선 소스 (152)를 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 제어기 (160)는 또한 검출기를 켜고 끄고 그리고 라만 스펙트럼 데이터를 판독할 뿐만 아니라 스펙트럼 데이터 신호를 수신하기 위해 검출기 (156)에 대한 전력을 제어하도록 구성될 수 있다. 추가로, 상기 제어기 (160)는 추가 처리 및 분석을 위해 라만 스펙트럼 데이터를 컴퓨팅 시스템으로 전달하기 위해 검출기 (156)에 제어 신호를 전송할 수 있다. 상기 광학 스위치 (140, 240, 340a, 340b, 440a, 440b), 적어도 하나의 방사선 소스 (152) 및/또는 검출기 (156)는 USB (Universal Serial Bus)와 같은 유선 인터페이스, Firewire, 직렬 (RS232) 또는 병렬 인터페이스를 통해 제어기 (160)에 직접 연결될 수 있거나, 또는 Wi-Fi, Blue Tooth 또는 ZigBee와 같은 무선 인터페이스를 통해 제어기 (160)와 연결될 수 있다.
상기 제어기 (160)는 주문형 집적 회로 (ASIC), 프로그램 가능 어레이 또는 프로그램 가능 마이크로 제어기에 기초한 전용 장치일 수 있다. 대안으로, 상기 제어기 (160)는 시스템의 구성 요소와 컴퓨팅 시스템 사이의 전송을 위해 신호를 제어하고 변환하는 인터페이스일 수 있다. 상기 제어기 (160)는 검출기 (156)로부터의 라만 스펙트럼 신호를 컴퓨팅 시스템으로 전송되는 디지털 데이터 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환 기능을 포함할 수 있다.
상기 컴퓨팅 시스템 (170)은 CPU 또는 프로세서 및 프로그램을 저장 및 실행하고 데이터를 저장하기 위한 RAM, ROM, 휘발성 및 비-휘발성 메모리를 포함하는 관련 메모리를 포함할 수 있다. 상기 컴퓨팅 시스템 (170)은 검출기 (156)로부터 수신된 라만 스펙트럼 데이터를 판독, 저장 및 표시하고, 라만 스펙트럼 데이터의 분석 및 처리를 수행하며, 수신된 라만 스펙트럼 데이터를 저장된 라만 스펙트럼 데이터와 비교하기 위한 프로그램을 포함할 수 있다. 그러한 라만 스펙트럼 데이터는 그래프 및 표 형식으로 표시될 수 있다.
본 개시는 제한된 수의 구현 예를 포함하지만, 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 다른 구현 예들이 안출될 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (19)
- 펌프 입구 및 리턴 출구를 갖는 제 1 측면과, 복수의 펌프 출구 및 복수의 리턴 입구를 갖는 제 2 측면을 포함하는 광학 스위치;
상기 광학 스위치의 펌프 입구에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 방사선 소스;
상기 광학 스위치의 리턴 출구에 광학적으로 결합된 검출기;
상기 적어도 하나의 방사선 소스와 광학 스위치의 펌프 출구 사이에 광학적으로 결합된 펌프 필터 모듈;
상기 검출기와 광학 스위치의 리턴 입구 사이에 광학적으로 결합된 리턴 필터 모듈; 및
복수의 프로브를 포함하며,
각각의 상기 프로브는 적어도 하나의 여기 섬유에 의해 광학 스위치의 복수의 펌프 출구 중 적어도 하나에 광학적으로 연결되고 적어도 하나의 방출 섬유에 의해 광학 스위치의 리턴 입구 중 하나에 광학적으로 결합되는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1에 있어서,
광학 스위치는 펌프 광학 스위치 및 리턴 광학 스위치를 포함하고, 상기 펌프 광학 스위치는 펌프 입구 및 복수의 펌프 출구를 포함하며, 리턴 광학 스위치는 복수의 리턴 입구 및 리턴 출구를 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
펌프 필터 모듈은 적어도 하나의 방사선 소스와 광학 스위치의 펌프 입구 사이에 배치된 하우징을 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
리턴 필터 모듈은 검출기와 광학 스위치의 리턴 출구 사이에 배치된 하우징을 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 방사선 소스는 레이저를 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 5에 있어서,
레이저는 약 200 nm 내지 약 1500 nm의 출력 파장을 갖는, 라만 분광 시스템. - 청구항 5 또는 6에 있어서,
레이저는 약 670 nm 내지 약 850 nm의 출력 파장을 갖는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
펌프 필터 모듈은 콜리메이터와 포커싱 렌즈 사이에 배치된 대역-통과 필터를 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 8에 있어서,
펌프 필터 모듈은 제 2 포커싱 렌즈를 더 포함하며, 콜리메이터는 대역-통과 필터와 제 2 포커싱 렌즈 사이에 배치되는, 라만 분광 시스템. - 청구항 4에 있어서,
리턴 필터 모듈은 콜리메이터와 포커싱 렌즈 사이에 배치된 롱-패스 (long-pass) 필터를 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 10에 있어서,
리턴 필터 모듈은 제 2 포커싱 렌즈를 더 포함하고, 콜리메이터는 롱-패스 필터와 제 2 포커싱 렌즈 사이에 배치되는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1에 있어서,
적어도 하나의 여기 섬유의 원주 주위에 복수의 방출 섬유를 갖는 광섬유 다발을 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 12에 있어서,
광 섬유 다발은 2개 이상의 방출 섬유를 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 12에 있어서,
광 섬유 다발은 약 2개 내지 약 10개의 방출 섬유를 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
검출기는 전하 결합 소자 (CCD) 기반 센서를 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
제어기를 더 포함하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 16에 있어서,
제어기는 제어 신호를 광학 스위치에 전달하며, 제어 신호에 응답하여, 상기 광학 스위치는 (a) 펌프 입구와 복수의 펌프 출구 중 적어도 하나 사이에 커넥션을 형성하거나 (b) 복수의 리턴 입구 중 적어도 하나와 리턴 출구 사이에 커넥션을 형성하는, 라만 분광 시스템. - 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 방사선 소스로부터의 방사선은 펌프 입구를 통해 광학 스위치로 전달되고, 적어도 하나의 여기 섬유 중 하나를 통해 복수의 펌프 출구 중 하나로부터 복수의 프로브 중 적어도 하나로 더 전달되는, 라만 분광 시스템. - 청구항 18에 있어서,
샘플에 의해 산란된 방사선은 복수의 프로브 중 하나에서 수집되고 복수의 리턴 입구 중 하나를 통해 광학 스위치로 전달되고 리턴 출구에서 검출기로 더 전달되는, 라만 분광 시스템.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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