KR20200131923A - Method and Apparatus for Selective Suppression of Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Signal - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법 및 장치에 관한 것이다.The present application relates to a method and apparatus for suppressing selective coherent anti-Stokes Raman scattering signals.
최근 표지자 없이 물질 자체의 고유한 특성을 검출하여 세포 영상을 취득하는 기술이 주목받고 있으며, 예를 들어 라만 산란(Raman scattering) 분광법이 미세 구조에 대한 분자영상 측정에 이용되고 있다. Recently, a technology for acquiring a cell image by detecting a characteristic characteristic of a substance itself without a marker is attracting attention. For example, Raman scattering spectroscopy is used to measure a molecular image of a microstructure.
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 걸리므로 살아있는 생체 시료 등에서 세포의 동적 특성을 관찰하는데 한계가 있다.The Raman microscope has the advantage that it is easy to select a laser light source and simple operation because it can use any single wavelength light source regardless of the molecular vibration frequency. However, since the intensity of the Raman scattering signal is extremely weak and it takes a long time to acquire an image, there is a limitation in observing the dynamic characteristics of cells in living biological samples.
가간섭성 반스톡스 라만산란(CARS; Coherent Anti-stokes Raman scattering) 현미경은 이러한 한계를 극복하기 위하여 고안된 것으로 빛의 라만 비선형 효과를 이용하여 입사된 3개의 레이저 빔이 시료 내에서 상호작용하여 하나의 CARS 신호광을 생성하는 원리를 이용한다. The coherent anti-stokes Raman scattering (CARS) microscope is designed to overcome this limitation.Three laser beams incident by using the Raman nonlinear effect of light interact within the sample to create one Use the principle of generating CARS signal light.
CARS 현미경은 라만 산란 현미경과 비교하여 매우 높은 측정감도를 기반으로 빠른 영상 취득속도를 얻을 수 있다는 장점을 가지며, CARS 신호의 세기는 시료와 입사된 빛의 3차 비선형 상호작용에 의하여 결정되므로 빛의 세기를 증가시킴으로써 CARS 신호의 세기를 훨씬 증폭시킬 수 있다.The CARS microscope has the advantage of obtaining a fast image acquisition speed based on a very high measurement sensitivity compared to the Raman scattering microscope. The intensity of the CARS signal is determined by the third-order nonlinear interaction between the sample and the incident light. By increasing the intensity, the intensity of the CARS signal can be further amplified.
또한, CARS 현미경은 표지자를 사용하지 않으며 비파괴적 측정 방법이라는 장점이 있으나, 서브 회절 제한에 의해 공간 분해 능력에는 한계가 있다.In addition, the CARS microscope does not use a marker and has the advantage of being a non-destructive measurement method, but has a limitation in spatial resolution capability due to sub-diffraction limitation.
따라서, 당해 기술분야에서는 CARS 현미경에서 회절 한계를 극복하여 비표지 초고분해 이미징이 가능하도록 하기 위한 방안이 요구되고 있다.Therefore, there is a need in the art to overcome the diffraction limit in the CARS microscope to enable label-free ultra-high resolution imaging.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention provides a method for selectively coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression.
상기 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법은, 3빔 경쟁 유도라만 산란(SRS; Stimulated Raman Scattering)을 이용한 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란(CARS; Coherent anti-Stokes Raman scattering) 신호 억제 방법에 있어서, 3개의 빔이 입사되는 단계; 입사된 상기 3개의 빔에 의해 제1 CARS 신호 및 제2 CARS 신호가 발생되는 단계; 상기 제1 CARS 신호 및 제2 CARS 신호에 의해 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정이 유발되는 단계; 및 상기 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정의 경쟁에 의해 상기 제1 CARS 신호를 억제하는 단계를 포함할 수 있다.The selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression method is a selective coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) signal suppression method using 3-beam competition-induced Raman scattering (SRS). In the step, three beams are incident; Generating a first CARS signal and a second CARS signal by the three incident beams; Inducing a first SRS process and a second SRS process by the first and second CARS signals; And suppressing the first CARS signal by competition between the first SRS process and the second SRS process.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 장치를 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides an apparatus for selectively coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression.
상기 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 장치는, 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔을 제공하는 광원; 상기 펌프 빔 및 고갈 빔의 샘플 도달 시간을 각각 지연시키는 제1 및 제2 시간 지연부; 상기 고갈 빔을 도넛 형으로 성형하는 빔 성형부; 동일 선상으로 결합된 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔을 샘플에 집속하는 제1 대물렌즈 및 상기 샘플로부터 생성된 CARS(Coherent anti-Stokes Raman scattering) 신호를 수집하는 제2 대물렌즈를 포함하는 렌즈부; 및 상기 제2 대물렌즈에 의해 수집된 CARS 신호를 검출하는 검출기를 포함할 수 있다.The selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression apparatus includes: a light source providing a pump beam, a Stokes beam, and a depletion beam; First and second time delay units for delaying sample arrival times of the pump beam and the exhaust beam, respectively; A beam shaping unit for shaping the depleted beam into a donut shape; A lens unit including a first objective lens that focuses a pump beam, a Stokes beam, and a depletion beam combined in a collinear manner onto a sample, and a second objective lens that collects a CARS (Coherent anti-Stokes Raman scattering) signal generated from the sample ; And a detector for detecting the CARS signal collected by the second objective lens.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.In addition, the solution to the above-described problem does not enumerate all the features of the present invention. Various features of the present invention and advantages and effects thereof may be understood in more detail with reference to the following specific embodiments.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3빔 경쟁 SRS을 이용하여 CARS 신호를 선택적으로 억제함으로써 CARS 현미경에서 회절 한계를 극복하여 비표지 초고분해 이미징이 가능하도록 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by selectively suppressing the CARS signal using a 3-beam competitive SRS, it is possible to overcome the diffraction limit in a CARS microscope to enable label-free ultra-high resolution imaging.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법의 효과를 확인하기 위한 실험 설정의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고갈 빔에 의한 펌프 빔과 스톡스 빔의 강도 변화를 비교하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강한 고갈 빔에 의한 CARS 억제 효과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 장치의 구성도이다.1 is a flowchart of a method of suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining a principle of suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an experimental setup for confirming the effect of a method for suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for comparing intensity changes of a pump beam and a Stokes beam due to a depletion beam according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a CARS inhibition effect by a strong depletion beam according to an embodiment of the present invention.
6 is a block diagram of an apparatus for suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. However, in describing a preferred embodiment of the present invention in detail, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for portions having similar functions and functions.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part is said to be'connected' to another part, it is not only'directly connected', but also'indirectly connected' with another element in the middle. Include. In addition, "including" a certain component means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법의 흐름도이다.1 is a flowchart of a method of suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법은 3빔 경쟁 유도라만 산란(SRS; Stimulated Raman Scattering)을 이용하여 선택적으로 가간섭성 반스톡스 라만산란(CARS; Coherent anti-Stokes Raman scattering) 신호를 억제할 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to an embodiment of the present invention is selectively coherent anti-Stokes Raman by using 3-beam contention-induced Raman scattering (SRS). Scattering (CARS; Coherent anti-Stokes Raman scattering) signal can be suppressed.
우선, 3개의 빔이 입사될 수 있다(S110). 여기서, 3개의 빔은 주파수 순으로 펌프 빔(Pump), 스톡스 빔(Stokes) 및 고갈 빔(Depletion)을 포함할 수 있으며, 펌프 빔 및 스톡스 빔은 가우시안 형(Gaussian shape)을 사용하고, 고갈 빔은 도넛 형(donut shape)을 사용할 수 있다. 고갈 빔은 빔 성형 장치에 의해 도넛 형으로 성형될 수 있다.First, three beams may be incident (S110). Here, the three beams may include a pump beam, a Stokes beam, and a depletion beam in order of frequency, and the pump beam and the Stokes beam use a Gaussian shape, and a depletion beam Can use a donut shape. The depleted beam can be shaped into a donut shape by a beam shaping device.
일 예에 따르면, 바이오 이미징을 위해서 레이저 파장은 NIR(near infrared)을 사용할 수 있으나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.According to an example, a laser wavelength for bio-imaging may use near infrared (NIR), but is not limited thereto.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 CARS 신호를 억제하기 위해서는 분자 진동모드와 일치시킬 필요가 있으므로, 이에 따라 파장 튜닝이 가능한 광원을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, in order to suppress the CARS signal according to an embodiment of the present invention, it is necessary to match the molecular vibration mode, so it is preferable to use a light source capable of wavelength tuning accordingly.
이후, 입사된 3개의 빔에 의해 제1 CARS 신호 및 제2 CARS 신호가 발생될 수 있다(S120). 여기서, 제1 CARS 신호는 3개의 빔 중에서 펌프 빔 및 스톡스 빔에 의해 발생되고, 제2 CARS 신호는 3개의 빔 중에서 펌프 빔 및 고갈 빔에 의해 발생될 수 있다. Thereafter, a first CARS signal and a second CARS signal may be generated by the three incident beams (S120). Here, the first CARS signal may be generated by a pump beam and a Stokes beam among the three beams, and the second CARS signal may be generated by a pump beam and a depletion beam among the three beams.
또한, 제1 CARS 신호의 파장은 샘플 내의 특정 분자 진동모드와 일치시키고, 제2 CARS 신호의 파장은 샘플 또는 주위의 다른 분자 진동모드와 일치시킬 수 있다. 이로써, 후술하는 바와 같은 샘플 또는 주위의 다른 분자 진동모드와 유도라만 산란을 이용하여 샘플 내의 특정 분자 진동모드로부터 발생하는 제1 CARS 신호를 제거할 수 있다.In addition, the wavelength of the first CARS signal may be matched with a specific molecular vibration mode in the sample, and the wavelength of the second CARS signal may be matched with another molecular vibration mode in the sample or surrounding. Accordingly, the first CARS signal generated from the specific molecular vibration mode in the sample may be removed by using the sample or other molecular vibration modes and induced Raman scattering around the sample as described below.
이후, 제1 CARS 신호 및 제2 CARS 신호에 의해 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정이 유발될 수 있다(S130).Thereafter, the first SRS process and the second SRS process may be induced by the first CARS signal and the second CARS signal (S130).
이후, 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정의 경쟁에 의해 제1 CARS 신호를 억제할 수 있다(S140). 이 경우, 펌프 빔과 고갈 빔 사이의 비트 주파수가 샘플 또는 주위의 다른 분자 진동모드의 주파수와 일치하도록 제어하여 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정의 경쟁을 유도할 수 있다. Thereafter, the first CARS signal may be suppressed by competition between the first SRS process and the second SRS process (S140). In this case, it is possible to induce competition between the first SRS process and the second SRS process by controlling the beat frequency between the pump beam and the depletion beam to coincide with the frequency of the sample or other molecular vibration mode around it.
또한, 고갈 빔의 강도를 제어하여 제1 CARS 신호를 선택적으로 억제할 수 있다. 일 예에 따르면, 고갈 빔의 강도를 높여서 펌프 빔의 에너지를 감소시켜 제1 CARS 신호를 급격하게 감소시킬 수 있다.In addition, it is possible to selectively suppress the first CARS signal by controlling the intensity of the depleted beam. According to an example, the energy of the pump beam may be reduced by increasing the intensity of the depleted beam, thereby rapidly reducing the first CARS signal.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 억제 원리 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a signal suppression principle and effect according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 5.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 원리를 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining a principle of suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to an embodiment of the present invention.
도 2의 (a)는 종래의 2 빔 CARS 신호를 도시하는 것으로, 2개의 레이저 빔, 즉 주파수가 ωP인 펌프 빔과 주파수가 ωS인 스톡스 빔을 사용하여 펌프 빔과 스톡스 빔 간의 주파수 차이(ωv1)가 다원자 분자의 진동 주파수와 동일할 때 주파수 ωCARS = 2ωP - ωS에서 공진적으로 향상된 CARS 신호를 생성할 수 있다.Figure 2 (a) shows a conventional two-beam CARS signal, the frequency difference between the pump beam and the Stokes beam using two laser beams, that is, a pump beam with a frequency of ω P and a Stokes beam with a frequency of ω S When (ω v1 ) is equal to the vibration frequency of the polyatomic molecule, it is possible to generate a resonantly enhanced CARS signal at the frequency ω CARS = 2ω P -ω S.
도 2의 (b)는 경쟁하는 다른 SRS 과정(펌프 빔 및 고갈 빔)을 도시한다.2(b) shows another competing SRS process (pump beam and exhaustion beam).
도 2의 (c)는 본 발명의 실시예에 따라 (a) 및 (b) 과정을 결합할 때 경쟁하는 SRS 과정으로 인해 CARS 신호가 선택적으로 억제됨을 도식적으로 도시하는 것으로, 입사된 3개의 빔, 즉 고갈 빔, 스톡스 빔 및 펌프 빔과, 생성된 펌프-스톡스-펌프(p-s-p) CARS 신호의 스펙트럼을 도시한다.2(c) schematically shows that the CARS signal is selectively suppressed due to the competing SRS process when the processes (a) and (b) are combined according to an embodiment of the present invention. That is, it shows the spectrum of the exhaust beam, the Stokes beam and the pump beam, and the generated pump-stokes-pump (psp) CARS signal.
여기서, 펌프 빔의 실질적인 유도 라만 손실(SRL; stimulated Raman loss)은 펌프 빔 및 고갈 빔에 의한 SRS 공정에 의해 발생한다. 펌프 빔은 CARS 및 SRS 공정에서 동시에 사용되므로, 약한 필드 한계에서 대략 펌프 빔 강도의 제곱에 비례하는 CARS 신호(마젠타)는 경쟁 p-d SRS 과정의 시작으로 인한 펌프 빔의 큰 SRL로 인해 상당히 감소될 수 있다. 반면, 스톡스 빔은, 스톡스 빔과 고갈 빔 사이에 SRS 과정이 없을 뿐만 아니라 펌프 광자의 대부분이 지배적인 p-d SRS 과정에 의해 고갈 광자와 진동 여기로 변환되기 때문에 거의 변화하지 않는다.Here, the actual induced Raman loss (SRL) of the pump beam is generated by the SRS process by the pump beam and the depletion beam. Since the pump beam is used simultaneously in the CARS and SRS process, the CARS signal (magenta), which is approximately proportional to the square of the pump beam intensity at weak field limits, can be significantly reduced due to the large SRL of the pump beam due to the start of the competitive pd SRS process. have. On the other hand, the Stokes beam hardly changes because there is no SRS process between the Stokes beam and the depleted beam, as well as most of the pump photons are converted into depleted photons and oscillatory excitation by the dominant p-d SRS process.
도 2의 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따라 액체 벤젠 샘플을 사용하는 경우로서 벤젠의 링 호흡 모드(ωv1 = 992cm-1)가 제1 CARS 신호(p-s-p-CARS)와 관련된 진동 모드이고, C-H 스트레칭 모드(ωv2 = 3062cm-1)가 제2 CARS 신호와 관련된 진동 모드인 예를 도시한다. Figure 2 (d) is a case of using a liquid benzene sample according to an embodiment of the present invention, the ring breathing mode (ω v1 = 992cm -1 ) of benzene is a vibration mode related to the first CARS signal (psp-CARS) And the CH stretching mode (ω v2 = 3062cm -1 ) is a vibration mode related to the second CARS signal.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법의 효과를 확인하기 위한 실험 설정의 일 예를 도시하는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an experimental setup for confirming the effect of a method for suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 재생 앰프(RA; regenerative amplifier)는 중심 파장이 1028 nm, 펄스 지속 시간이 200~250 fs, 반복률이 100 kHz인 펨토초 재생 앰프가 사용될 수 있다.Referring to FIG. 3, as a regenerative amplifier (RA), a femtosecond regenerative amplifier having a center wavelength of 1028 nm, a pulse duration of 200 to 250 fs, and a repetition rate of 100 kHz may be used.
RA의 출력은 빔 스플리터(BS; beam splitter)에 의해 세 개의 빔으로 분할되며, 이 중 두 개는 펌프(중심 파장이 781 nm) 및 스톡스(중심 파장이 842 nm)에 대한 광원을 생성하는 동일 선상 및 비 동일 선상의 광학 파라메트릭 증폭기(COPA 및 NOPA; collinear and non-collinear optical parametric amplifier)를 펌핑하는데 사용될 수 있다.The output of the RA is split into three beams by a beam splitter (BS), two of which are identical to create a light source for the pump (
COPA 및 NOPA 각각의 출력 빔과 RA의 잔류 빔은 각각 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔(중심 파장이 1026.5 nm)으로 사용될 수 있다.The output beam of COPA and NOPA respectively and the residual beam of RA can be used as a pump beam, a Stokes beam and a depletion beam (center wavelength is 1026.5 nm), respectively.
COPA로부터의 펌프 빔은 두 개의 기울어진 협대역 통과 필터(NBF; narrow bandpass filter)에 의해 
한편, NOPA로부터의 스톡스 빔의 대역폭은 상대적으로 넓은 전송 대역폭을 갖는 대역 통과 필터(BPF; bandpass filter)를 사용하여 
RA로부터의 잔류 빔은 또 다른 두 개의 기울어진 NBF를 통과하여 대역폭이 
펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔의 펄스 에너지는 중립 밀도(ND; neutral density) 필터를 사용하여 조절될 수 있다. 일 예로, 고갈 빔의 펄스 에너지는 CARS 신호 억제 효율에 대한 고갈 빔 강도의 영향을 확인하기 위해 0에서 250nJ까지 변화될 수 있다. 반면, 펌프 빔 및 스톡스 빔의 펄스 에너지는 각각 SRL 측정을 위해 0.1 nJ 및 2 nJ로 조절되고, CARS 측정을 위해 4 nJ 및 2 nJ로 조절되었다.The pulse energy of the pump beam, the Stokes beam, and the depletion beam may be adjusted using a neutral density (ND) filter. As an example, the pulse energy of the depletion beam may be varied from 0 to 250 nJ in order to check the effect of the depletion beam intensity on the CARS signal suppression efficiency. On the other hand, the pulse energies of the pump beam and Stokes beam were adjusted to 0.1 nJ and 2 nJ for the SRL measurement, respectively, and 4 nJ and 2 nJ for the CARS measurement.
상술한 3개의 레이저 빔은 다이크로익 미러(DM1 및 DM2; dichroic mirrors)와 동일 선상으로 결합된 후, 제1 대물 렌즈(OL1, NA = 0.3, ×10)를 사용하여 벤젠 샘플(1mm 두께)에 집속될 수 있다.The three laser beams described above were combined with dichroic mirrors (DM1 and DM2; dichroic mirrors) collinearly, and then a benzene sample (1 mm thick) using a first objective lens (OL1, NA = 0.3, ×10) Can be focused on.
또한, 3개의 레이저 빔 사이의 시간적 중첩 및 시간 지연을 결정하기 위해, 샘플에서의 스톡스 빔에 대한 펌프 빔 및 고갈 빔의 도달 시간을 독립적으로 제어하기 위해 2 개의 병진 지연 스테이지(translational delay stage)가 사용될 수 있다.In addition, to determine the temporal overlap and time delay between the three laser beams, two translational delay stages are provided to independently control the arrival times of the pump and depletion beams for the Stokes beam in the sample. Can be used.
OL1 직전의 3개의 레이저 빔의 직경은 대략 4 mm(펌프 빔), 4 mm (스톡스 빔) 및 5 mm(고갈 빔)이며, 아베의 회절 한계에 근거하여 초점에서의 빔의 직경은 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔에 대해 각각 대략 3.2 μm, 3.5 μm 및 4.2 μm로 추정될 수 있다. 이와 같이 추정된 빔의 크기를 기초로 초점에서는 100 nJ의 고갈 빔의 펄스 에너지가 722 GW cm-2의 피크 강도에 해당한다고 계산될 수 있다.The diameters of the three laser beams just before OL1 are approximately 4 mm (pump beam), 4 mm (stock beam) and 5 mm (depleted beam), and based on Abbe's diffraction limit, the diameter of the beam at the focal point is the pump beam, It can be estimated to be approximately 3.2 μm, 3.5 μm and 4.2 μm, respectively, for the Stokes beam and the depleted beam. Based on the estimated beam size, it can be calculated that the pulse energy of the depleted beam of 100 nJ corresponds to a peak intensity of 722 GW cm -2 at the focus.
샘플로부터 생성된 CARS 신호는 제2 대물 렌즈(OL2, NA = 0.13, Х4)로 수집 된 후 모노크로메타(monochromator) 및 1024 × 256 이미지 센서를 가진 고감도 CCD 카메라로 구성된 분광계에 의해 검출될 수 있다. The CARS signal generated from the sample may be collected with a second objective lens (OL2, NA = 0.13, Х4) and then detected by a spectrometer consisting of a high-sensitivity CCD camera with a monochromator and a 1024 × 256 image sensor. .
또한, CARS 신호 측정을 위해 OL2 후단에 단파장 통과 필터(SPF; short wavelength pass filter) 및 노치 필터(NF; notch filter)가 입사 레이저 빔 또는 SRS 신호를 제거하기 위해 사용될 수 있으며, SPF 및 NF는 펌프 및 스톡스 스펙트럼의 측정시에는 제거될 수 있다.In addition, a short wavelength pass filter (SPF) and a notch filter (NF) can be used to remove the incident laser beam or SRS signal after the OL2 for measuring the CARS signal, and SPF and NF are pumped. And can be removed when measuring the Stokes spectrum.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고갈 빔에 의한 펌프 빔과 스톡스 빔의 강도 변화를 비교하는 도면으로, 고갈 빔의 펄스 에너지(점선)를 0에서 250 nJ로 변화시킬 때의 펌프(Sp) 및 스톡스(Ss) 스펙트럼 신호 변화를 도시한다.4 is a diagram for comparing the intensity change of the pump beam and the Stokes beam due to the depletion beam according to an embodiment of the present invention. The pump (S) when the pulse energy (dotted line) of the depletion beam is changed from 0 to 250 nJ. p ) and Stokes (S s ) spectral signal changes are shown.
여기서, ΔSp (ΔSs)는 고갈 빔의 온 및 오프 시((a) 및 (c)에서의 점선)에 CCD 검출기에서 기록된 펌프(스톡스) 스펙트럼 신호의 차이를 나타낸다. ΔSp (ΔSs)는 펌프(스톡스) 빔 강도(ΔIp, ΔIs)에 비례한다. Here, ΔS p (ΔS s ) represents the difference in the pump (stock) spectral signal recorded by the CCD detector when the depleted beam is turned on and off (dotted lines in (a) and (c)). ΔS p (ΔS s ) is proportional to the pump (stock) beam intensity (ΔI p , ΔI s ).
도 4의 (b)에서 
펌프 빔의 SRL은 오직 공진 케이스, 즉 펌프 빔과 고갈 빔의 주파수 차이(ωp-d)가 정확하게 액체 벤젠의 C-H 스트레칭 모드(ωv2)와 일치할 때에만 생성됨을 알 수 있다. 이에 반해, 강한 고갈 빔 세기의 교차 위상 변조에 의한 스톡스 스펙트럼의 약간의 적색 편이를 제외하고는 비 공진 케이스에서 스톡스 강도에서 실질적인 순 변화(3 % 미만)가 관찰되지 않음을 알 수 있다.It can be seen that the SRL of the pump beam is generated only when the resonance case, that is, the frequency difference ω pd between the pump beam and the depletion beam, exactly coincides with the CH stretching mode (ω v2 ) of the liquid benzene. On the other hand, it can be seen that no substantial net change (less than 3%) in the Stokes intensity was observed in the non-resonant case except for a slight red shift in the Stokes spectrum due to cross-phase modulation of the strong depleted beam intensity.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강한 고갈 빔에 의한 CARS 억제 효과를 나타내는 도면이다.5 is a diagram showing a CARS inhibition effect by a strong depletion beam according to an embodiment of the present invention.
도 5의 (a)는 p-s-p CARS 스펙트럼을 도시하는 것으로, 고갈 펄스 에너지를 0에서 250 nJ까지 증가시킴에 따라 725 nm에서의 p-s-p CARS 신호 강도는 급격하게 감소함을 알 수 있다.5A shows the p-s-p CARS spectrum, and it can be seen that the intensity of the p-s-p CARS signal at 725 nm decreases rapidly as the depletion pulse energy is increased from 0 to 250 nJ.
진동적으로 공진하는 p-s-p CARS 신호 강도는 
도 5의 (b)는 고갈 펄스 에너지에 따른 CARS 신호 강도(검은색 원) 및 추정된 CARS 신호 억제 효율(파란색 사각형)을 도시한다. 도 5의 (b)로부터 CARS 신호 억제 효율은 250 nJ의 고갈 펄스 에너지에서 97 %에 달함을 알 수 있다.FIG. 5B shows the CARS signal intensity (black circle) and the estimated CARS signal suppression efficiency (blue square) according to the depletion pulse energy. From (b) of FIG. 5, it can be seen that the CARS signal suppression efficiency reaches 97% at 250 nJ of depleted pulse energy.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 장치의 구성도이다.6 is a block diagram of an apparatus for suppressing a selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 선택적 CARS 신호 억제 장치(200)는 광원(210), 시간 지연부(221, 222), 빔 성형부(230), 스캐너(240), 렌즈부(250) 및 검출기(261, 262)를 포함하여 구성될 수 있다.6, the selective CARS signal
광원(210)은 선택적 CARS 신호 억제를 위해 사용되는 3개의 빔, 즉 펌프 빔(211), 스톡스 빔(212) 및 고갈 빔(213)을 제공하기 위한 것이다.The
예를 들어, 광원(210)은 도 3을 참조하여 상술한 실험 설정과 동일하게 구현될 수 있으나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다. 즉, 광원(210)은 분자 진동모드와 일치하도록 파장 튜닝이 가능한 광원이라면 제한없이 사용될 수 있다.For example, the
시간 지연부(221, 222)는 광원(210)으로부터 입사된 펌프 빔 및 고갈 빔의 샘플 도달 시간을 제어하기 위한 것으로, 스톡스 빔에 대한 펌프 빔 및 고갈 빔의 도달 시간을 지연시킬 수 있다. 예를 들어, 시간 지연부(221, 222)는 빔의 도달 시간이 지연되도록 추가적인 지연 선로로 구현될 수 있다.The
빔 성형부(230)는 시간 지연부(222)를 통과한 고갈 빔을 도넛 형으로 성형하기 위한 것으로, 통상의 기술자에게 알려진 다양한 빔 성형 장치를 채용하여 구현될 수 있다.The
상술한 구성을 통과한 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔은 예를 들어 다이크로익 미러에 의해 동일 선상으로 결합된 후, 스캐너(240)로 입사될 수 있다.The pump beam, the Stokes beam, and the depletion beam that have passed through the above-described configuration may be combined in the same line by a dichroic mirror, for example, and then may be incident on the
스캐너(240)는 입사된 빔을 가공하기 위한 것으로, 예를 들어 갈바노 미러 스캐너(Galvano mirror scanner) 등으로 구현될 수 있다.The
렌즈부(250)는 제1 대물렌즈(251) 및 제2 대물렌즈(252)를 포함할 수 있으며, 제1 대물렌즈(251)는 스캐너(240)를 통과한 빔을 샘플(S)에 집속하기 위한 것이고, 제2 대물렌즈(252)는 샘플(S)로부터 생성된 CARS 신호를 수집하기 위한 것이다.The
제1 검출기(261)는 CARS 전체 스펙트럼을 검출하기 위한 것으로, 예를 들어 모노크로메타 및 CCD 카메라가 결합된 형태로 구현될 수 있다.The
제2 검출기(262)는 CARS 이미지를 검출하기 위한 것으로, 예를 들어 광을 증폭시켜 검출하는 광전증배관(PMT; Photomultiplier Tube) 등으로 구현될 수 있다.The
도 6에 도시된 선택적 CARS 신호 억제 장치(200)의 각 구성요소의 구체적인 기능은 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 바와 동일하므로 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.Since the specific functions of each component of the selective CARS signal
도 6을 참조하여 상술한 선택적 CARS 신호 억제 장치(200)는 가간섭성 반스톡스 라만산란 현미경으로 구현될 수 있다.The selective CARS signal
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, that components according to the present invention can be substituted, modified, and changed within the scope of the technical spirit of the present invention.
200: 선택적 CARS 신호 억제 장치
210: 광원
221, 222: 시간 지연부
230: 빔 성형부
240: 스캐너
250: 렌즈부
261, 262: 검출기200: selective CARS signal suppression device
210: light source
221, 222: time delay unit
230: beam forming unit
240: scanner
250: lens unit
261, 262: detector
Claims (8)
3개의 빔이 입사되는 단계;
입사된 상기 3개의 빔에 의해 제1 CARS 신호 및 제2 CARS 신호가 발생되는 단계;
상기 제1 CARS 신호 및 제2 CARS 신호에 의해 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정이 유발되는 단계; 및
상기 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정의 경쟁에 의해 상기 제1 CARS 신호를 억제하는 단계를 포함하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법.
In the selective coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) signal suppression method using 3-beam competition-induced Raman scattering (SRS),
3 beams are incident;
Generating a first CARS signal and a second CARS signal by the three incident beams;
Inducing a first SRS process and a second SRS process by the first and second CARS signals; And
Selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression method comprising the step of suppressing the first CARS signal by competition between the first SRS process and the second SRS process.
상기 3개의 빔은 주파수 순으로 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법.
The method of claim 1,
The selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression method, characterized in that the three beams include a pump beam, a Stokes beam, and a depleted beam in order of frequency.
상기 제1 CARS 신호는 상기 펌프 빔 및 상기 스톡스 빔에 의해 발생되고, 상기 제2 CARS 신호는 상기 펌프 빔 및 상기 고갈 빔에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법.
The method of claim 2,
The first CARS signal is generated by the pump beam and the Stokes beam, and the second CARS signal is generated by the pump beam and the depletion beam.Selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression method, characterized in that .
상기 제1 CARS 신호의 파장은 샘플 내의 특정 분자 진동모드와 일치시키고, 상기 제2 CARS 신호의 파장은 샘플 또는 주위의 다른 분자 진동모드와 일치하도록 제어하여 상기 제1 SRS 과정 및 제2 SRS 과정의 경쟁을 유도하는 것을 특징으로 하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법.
The method of claim 3,
The wavelength of the first CARS signal coincides with a specific molecular vibration mode in the sample, and the wavelength of the second CARS signal is controlled to coincide with the sample or other molecular vibration modes in the vicinity of the first SRS process and the second SRS process. Selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression method, characterized in that inducing competition.
상기 고갈 빔의 강도를 제어하여 상기 제1 CARS 신호를 선택적으로 억제하는 것을 특징으로 하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 방법.
The method of claim 3,
Selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression method, characterized in that by controlling the intensity of the exhausted beam selectively suppressing the first CARS signal.
상기 펌프 빔 및 고갈 빔의 샘플 도달 시간을 각각 지연시키는 제1 및 제2 시간 지연부;
상기 고갈 빔을 도넛 형으로 성형하는 빔 성형부;
동일 선상으로 결합된 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔을 샘플에 집속하는 제1 대물렌즈 및 상기 샘플로부터 생성된 CARS(Coherent anti-Stokes Raman scattering) 신호를 수집하는 제2 대물렌즈를 포함하는 렌즈부; 및
상기 제2 대물렌즈에 의해 수집된 CARS 신호를 검출하는 검출기를 포함하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 장치.
A light source providing a pump beam, a Stokes beam, and a depletion beam;
First and second time delay units for delaying sample arrival times of the pump beam and the exhaust beam, respectively;
A beam shaping unit for shaping the depleted beam into a donut shape;
A lens unit including a first objective lens that focuses a pump beam, a Stokes beam, and a depletion beam combined in a collinear manner onto a sample, and a second objective lens that collects a CARS (Coherent anti-Stokes Raman scattering) signal generated from the sample ; And
Selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression device comprising a detector for detecting the CARS signal collected by the second objective lens.
동일 선상으로 결합된 펌프 빔, 스톡스 빔 및 고갈 빔이 입사되며, 입사된 빔을 가공하는 스캐너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 장치.
The method of claim 6,
A selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression apparatus, characterized in that the pump beam, the Stokes beam, and the depleted beam are incident on the same line, and a scanner for processing the incident beam.
상기 CARS 신호의 전체 스펙트럼을 검출하는 제1 검출기; 및
상기 CARS 신호의 이미지를 검출하는 제2 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 가간섭성 반스톡스 라만산란 신호 억제 장치.The method of claim 6, wherein the detector,
A first detector for detecting the entire spectrum of the CARS signal; And
Selective coherent anti-Stokes Raman scattering signal suppression device, characterized in that it comprises a second detector for detecting the image of the CARS signal.
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