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문제 정의
- 본 연구에서는 전방과 측면 방사량 조절이 가능한 광섬유 팁을 제작하였다. 펨토초 레이저를 사용하여 의료용 광섬유 끝단에 원뿔형 구조를 가공하고, 가공된 표면의 거칠기를 줄이기 위해서 CO2 레이저로 연마하였다.
제안 방법
- 레이저를 이용하여 의료용 광섬유 끝 단면을 원뿔형으로 가공하였다. 광섬유에 빔을 입사했을 때 빔이 전반사되어 다방향 조사가 가능하며 Edge 면 조절을 통하여 전방과 측면의 방사 비율조절이 가능한 광섬유 팁을 제작하고, 수치해석 결과를 비교하였다.
- 다방향 조사 광섬유 팁 제작방법은 크게 두 가지 공정과정을 통하여 제작하였다. 먼저 펨토초 레이저를 이용하여 광섬유 끝단에 원뿔형 구조를 제작하고, 가공 시 생기게 되는 원뿔 표면의 거칠기를 CO2 레이저를 이용해 표면을 연마하여 빛의 손실을 최소화하였다.
- 펨토초 레이저 가공 시 발생한 표면의 거칠기 때문에 광섬유로 전달된 빔이 산란(Scattering) 되어 반사도가 감소하고 측면으로 방사되는 빔의 손실 원인이 된다. 따라서 원뿔형 구조의 광섬유 표면에 대한 연마가 필요하며, 본 연구에서는 CO2 레이저를 이용하여 광섬유 끝단의 표면을 연마하는 동시에 광섬유 Edge 면의 폭을 CO2 레이저의 가공 조건에 의해 조절하는 실험을 진행하였다. Edge 폭을 조절하는 이유는 입사된 빔이 광섬유를 따라 끝단으로 이동하고 그 빔 들의 일부는 원뿔형 구조물의 측면에 의해 전반사 되어 측면 방사가 되고, 원뿔형 구조물에서 전반사되지 못한 일부의 빔은 그대로 광섬유 끝단의 Edge 면에서 전방 방사가 된다.
- 펨토초 레이저를 사용하여 의료용 광섬유 끝단에 원뿔형 구조를 가공하고, 가공된 표면의 거칠기를 줄이기 위해서 CO2 레이저로 연마하였다. 또한 연마 조건을 조절하여 Edge의 폭을 제어하였다.
- 다방향 조사 광섬유 팁 제작방법은 크게 두 가지 공정과정을 통하여 제작하였다. 먼저 펨토초 레이저를 이용하여 광섬유 끝단에 원뿔형 구조를 제작하고, 가공 시 생기게 되는 원뿔 표면의 거칠기를 CO2 레이저를 이용해 표면을 연마하여 빛의 손실을 최소화하였다. 이렇게 가공된 광섬유 팁을 CO2 레이저 가공을 통하여 광섬유 끝단의 폭을 조절하여 사용자가 원하는 형태의 빔이 방사되는 광섬유 팁을 제작하였다.
- 본 연구는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 펨토초 레이저와 CO2 레이저를 이용하여 의료용 광섬유 끝 단면을 원뿔형으로 가공하였다. 광섬유에 빔을 입사했을 때 빔이 전반사되어 다방향 조사가 가능하며 Edge 면 조절을 통하여 전방과 측면의 방사 비율조절이 가능한 광섬유 팁을 제작하고, 수치해석 결과를 비교하였다.
- 1(d)와 같이 연마하였다. 이처럼 펨토초 레이저 가공과 CO2 레이저 연마 기술을 이용하여 전방방사(Forward emission)와 측면방사(Side emission) 조절이 가능한 다방향 조사 광섬유 팁을 제작하였다(Fig. 1(e)).
- 이처럼 펨토초 레이저와 CO2 레이저 가공 기술을 이용하여 다방향 조사가 가능한 광섬유 팁을 제작하고 CO2 레이저 연마 조건에 의해 Edge 폭을 조절하였다. Fig.
- 전방과 측면의 전체 방사량 측정방법은 조리개의 크기를 최대로 개방하여(조리개 직경: 12 mm) 광섬유 팁에서 방사되는 모든 빔을 측정하였으며 전체 방사량은 2.7 mW이고, 조리개를 800 µm 의 직경으로 조절하여 측면 방사 빔을 완전히 차단 후 측정한 전방 방사량은 각각 1.12 mW와 1.23 mW이다.
- 집광된 CO2 레이저 빔의 초점 크기는 약 50 µm 정도이며 직경440 µm의 광섬유를 연마하기 위하여 Z축을 5 mm 정도 상승시켜 Defocusing 된 빔을 이용하여 가공하였다.
- 본 연구에서는 전방과 측면 방사량 조절이 가능한 광섬유 팁을 제작하였다. 펨토초 레이저를 사용하여 의료용 광섬유 끝단에 원뿔형 구조를 가공하고, 가공된 표면의 거칠기를 줄이기 위해서 CO2 레이저로 연마하였다. 또한 연마 조건을 조절하여 Edge의 폭을 제어하였다.
대상 데이터
- 4는 연마 후의 원뿔형 광섬유 팁에 대한 100배율의 현미경 측정 이미지이다. 같은 광섬유의 직경과 원뿔 크기의 샘플에 CO2 레이저의 가공 조건을 조절하여 제작하였다. Fig.
- 광섬유 가공을 위해 사용된 펨토초 레이저의 펄스 에너지는 3.6 µJ로 20배율을 가지는 Objective lens (NA = 0.4)를 사용하여 레이저빔을 샘플에 집속하고, X-Y-Z stage를 구동하여 70도의 꼭지각을 갖는 원뿔을 제작하였다.
- 본 실험에서는 코어(Core)와 클래드(Clad)의 직경이 각각 400 µm와 440 µm인 의료용 광섬유를 사용하였다(Fig.
- 먼저 펨토초 레이저를 이용하여 광섬유 끝단에 원뿔형 구조를 제작하고, 가공 시 생기게 되는 원뿔 표면의 거칠기를 CO2 레이저를 이용해 표면을 연마하여 빛의 손실을 최소화하였다. 이렇게 가공된 광섬유 팁을 CO2 레이저 가공을 통하여 광섬유 끝단의 폭을 조절하여 사용자가 원하는 형태의 빔이 방사되는 광섬유 팁을 제작하였다.
- 44를 적용하였다. 이렇게 설계된 광섬유의 끝단에 70도의 꼭지각을 갖는 원뿔 구조물을 Modeling 하였다. 광섬유의 외부는 공기의 굴절률 1을 대입하여 시뮬레이션을 진행한 결과, 입사된 빔은 광섬유 내부의 원뿔형 구조물과 Edge의 폭에 따라 전방과 측면의 방사량이 조절되는 것을 광선을 통해 확인할 수 있었다.
- 제작된 광섬유의 사이즈는 실제 실험과 동일한 Core와 Clad 각각 400 µm, 440 µm이며 굴절률 또한 1.457과 1.44를 적용하였다.
- Z축 Ballscrew 스테이지는 50 mm의 이동 범위를 가지며 X, Y축 스테이지와 독립적으로 구동 된다. 펨토초 레이저에 의해 가공된 원뿔 구조의 광섬유 표면 연마와 Edge 제어를 위하여 7.8 W의 파워를 사용하였으며, Convex lens(f = 50 mm)를 통하여 집광하였다. 집광된 CO2 레이저 빔의 초점 크기는 약 50 µm 정도이며 직경440 µm의 광섬유를 연마하기 위하여 Z축을 5 mm 정도 상승시켜 Defocusing 된 빔을 이용하여 가공하였다.
이론/모형
- 다방향 조사가 가능한 원뿔형 구조를 가지는 광섬유 가공을 위하여 광주과학기술원 고등광기술연구소에서 보유하고 있는 펨토초 레이저 가공 시스템(Cyber Laser, IFRIT)을 사용하였다. 이 펨토초 레이저시스템의 사양은 785 nm의 중심파장, 185 fs의 펄스 폭과 1 kHz의 반복률을 가지며, 최대 출력은 1 W이다.
- 집광된 CO2 레이저 빔의 초점 크기는 약 50 µm 정도이며 직경440 µm의 광섬유를 연마하기 위하여 Z축을 5 mm 정도 상승시켜 Defocusing 된 빔을 이용하여 가공하였다. 이렇게 연마된 광섬유 팁의 Edge 조절 방법은 CO2 레이저를 이용하여 원뿔형 구조물 연마 시 반복 수와 레이저 노출 시간을 조절하는 방법을 사용하였다.
- 이렇게 제작된 다방향 조사 광섬유 팁에 대해 Modern HighTech 사의 광학 설계 프로그램인 LightTools 7.2를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. LightTools 프로그램은 Ray casting에 기반을 두어 컴퓨터 그래픽의 영상화 기법 중 하나이다.
성능/효과
- (a) 동일한 0도부터 ±40도 영역의 전방 방사량은 1.76 mW로 Edge 폭에 따라 전방과 측면의 방사량에 차이가 있는 것을 그래프로 확인하였다.
- (a)의 전체 방사량은 3.09 mW이고, 전방방사 빔과 측면 방사 빔의 경계인 ±40도를 기준으로 0도부터 ±40도 영역의 전방 방사량은 1.25 mW였다.
- Edge 폭을 각각 40µm, 60 µm로 제작된 샘플들을 현미경으로 측정한 이미지에서 확인할 수 있듯이 Edge의 폭이 넓어짐에 따라 백색광의 방사되는 면적 또한 넓어지는 것을 확인할 수 있다.
- 이렇게 설계된 광섬유의 끝단에 70도의 꼭지각을 갖는 원뿔 구조물을 Modeling 하였다. 광섬유의 외부는 공기의 굴절률 1을 대입하여 시뮬레이션을 진행한 결과, 입사된 빔은 광섬유 내부의 원뿔형 구조물과 Edge의 폭에 따라 전방과 측면의 방사량이 조절되는 것을 광선을 통해 확인할 수 있었다.
- 그 결과 직선으로만 방사되던 일반 광섬유 팁은 전방과 측면으로 각각 방사되었으며 Edge 폭 조절을 통해서 그 빔들의 방사량을 조절할 수 있었다. 앞선 실험 조건들을 적용하여 광학 설계 프로그램인 LightTools 7.
- 시뮬레이션 결과 Edge 사이즈에 따라 전방과 측면의 방사 비율이 차이가 나는 이유는 Edge가 넓어짐에 따라 방사되는 코어의 면적이 넓어져 전방으로 나오는 빔이 늘어나게 되고 사이드로 방사되는 빔은 줄어들기 때문이다. 또한 실제 실험 결과와 시뮬레이션 결과가 약간의 차이를 보이는 이유는 실험 중 측정 오차나 손실, 샘플 연마 시 시뮬레이션과는 달리 약간의 굴곡이나 거칠기가 남아 결과 값의 차이가 있는 것 판단된다.
- 그 결과 직선으로만 방사되던 일반 광섬유 팁은 전방과 측면으로 각각 방사되었으며 Edge 폭 조절을 통해서 그 빔들의 방사량을 조절할 수 있었다. 앞선 실험 조건들을 적용하여 광학 설계 프로그램인 LightTools 7.2로 설계하여 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과 전방과 측면 방사량이 조절된다는 것을 확인할 수 있었다.
- 측면 방사량 값은 전체 방사량에서 전방 방사량 값을 빼고 계산하였을 때, Edge 폭이 40 µm, 60 µm인 샘플에서 각각 1.84 mW, 1.53 mW 이였으며, 전방 방사 빔과는 달리 Edge의 폭이 넓어질수록 측면 방사량은 감소하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 이와 같이 다방향으로 조사가 가능한 원뿔형 구조의 광섬유 팁은 구조가 간단하며 광섬유와 일체형이기 때문에 기존의 공정을 단순화, 소형화하여 경제적이면서 체계적으로 변화시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 사용자가 원하는 빔의 방향과 형태를 자유롭게 조절이 가능하여 보다 편리하고 효율적인 시술이 가능할 것으로 생각되며, 이러한 다방향 조사 광섬유 팁은 하지 정맥류, 전립선 비대증, 국소 지방분해뿐만 아니라 유방암 치료 등 다방향 측면 레이저 시술 시 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
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