[논문]음향광학 파장선택 필터 기반 파장훑음 레이저를 이용한 시간-인코딩 된 근적외선 흡광도 측정 비교 연구

장한솔; 김경훈; 한가희; 조재두; 김창석

doi:10.3807/kjop.2017.28.1.022

초록
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본 논문에서는 음향광학 파장선택 필터(acousto-optic tunable filter) 기반의 파장훑음 레이저(wavelength swept laser)를 이용한 시간-인코딩 근적외선 분광 기술(time-encoded near-infrared spectroscopy)을 제안하였다. 파장훑음 레이저는 800 nm 근처 영역에서 이득 스펙트럼을 가지는 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier)를 기반으로 제작되었으며, 음향광학 파장선택 필터를 공진기 내부에 삽입함으로써 음향광학 파장선택 필터에 인가되는 전기적 라디오주파수에 따라 출력 파장을 선택할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 종래의 기술인 백색광 분광기 기반의 검출부 분광 근적외선 분광 기술과 제안된 파장훑음 레이저 기반의 광원부 분광 근적외선 분광 기술을 각각 이용하여 근적외선 흡수 염료 샘플의 흡광도를 각기 측정하여 실험적으로 비교함으로써 본 연구에서 제안하는 음향광학 파장선택 필터 기반 파장훑음 레이저를 이용한 근적외선 분광 기술의 특성을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Time-encoded near-infrared spectroscopy (NIRS) system is proposed, based on a near-infrared (NIR) swept laser source, for comparison to the conventional NIRS method using a detector-type spectrometer. The cavity of the NIR swept laser source consists of a semiconductor optical amplifier (SOA) with a...

Time-encoded near-infrared spectroscopy (NIRS) system is proposed, based on a near-infrared (NIR) swept laser source, for comparison to the conventional NIRS method using a detector-type spectrometer. The cavity of the NIR swept laser source consists of a semiconductor optical amplifier (SOA) with a gain region around 800 nm, and several fiber-optic components. To change the output wavelength in time using an applied electric radio-frequency signal, an acousto-optic tunable filter (AOTF) is introduced in the fiber ring cavity configuration. To demonstrate the feasibility of an NIR swept laser source for NIRS imaging, the spectroscopic comparison of two kinds of absorbance-measuring systems a detector-type spectrometer using a white light source, and a source-type spectrometer using an NIR swept laser is successfully performed with an NIR-absorbing dye.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^[12]음향광학 파장선택 필터의 경우 가시광 또는 근적외선 영역 에서 넓은 파장에 걸쳐 이용될 수 있다는 장점으로 인해 통 상적으로 광대역 광원과 함께 검출부 분광 방식의 근적외선 분광 기술에 예로부터 자주 이용되어 왔다.^[9] 본 연구에서는 종래의 기술인 백색광 분광기 기반의 검출부 분광 근적외선 분광 기술과 제작된 파장훑음 레이저 기반의 광원부 분광 근 적외선 분광 기술을 각각 이용하여 근적외선 흡수 염료 샘플의 흡광도를 각기 측정하여 실험적으로 비교함으로써 본 연구에서 제안하는 음향광학 파장선택 필터 기반 파장훑음 레이저를 이용한 근적외선 분광 기술의 특성을 확인해보았다.
본 논문에서는 800 nm 근처에서 52.3 nm의 파장훑음 범위 를 지닌 음향광학 파장선택 기반의 파장훑음 레이저를 제작 하였으며, 이를 이용하여 시간-인코딩된 근적외선 분광 기술에 대한 적용 가능성을 확인해보았다. 제작된 파장훑음 레 이저 기반 시간-인코딩 된 근적외선 분광 시스템은 종래의 백색광 분광기 기반 근적외선 분광 시스템과의 비교를 통하 여 특성 분석을 시도하였으며, 근적외선 흡수 염료 기반 샘플에 대한 흡광도 측정을 통하여 그 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 음향광학 파장선택 필터 기반의 파장훑음 레이저를 이용한 시간-인코딩 된 근적외선 분광 기술을 실험적으로 비교 제안하였다. 음향광학 파장선택 필터는 음향광학 현상을 이용하여 인가되는 전기적 라디오주파수에 따라 선택적으로 파장을 선택하여 광을 통과시키는 소자이다.

제안 방법

자사태 광다이오드(avalanche photodiode, Hamamatsu), 샘플 단, 그리고 데이터 처리를 위한 컴퓨터로 이루어져 있다. 그 림 5(a)에서 파장훑음 레이저 내부의 음향광학 파장선택 필 터는 함수발생기로 제어되며, 동시에 함수발생기에서 발생되 는 트리거 신호를 통하여 시간-파장 동기화를 실시하였다. 본 실험에서 제작된 파장훑음 레이저는 1 kHz의 파장훑음 속도로 작동되었다.
근적외선 영역에서 광 출력을 획득하기 위하여 800 nm 근처 영역에서 3 dB 밴드 폭이 약 50 nm (@ 150 mA, 25°C)인 증폭된 자발 방출(amplified spontaneous emission) 스펙트럼을 지니는 반도체 광 증폭기를 이용하였다.
흡광도 측정을 위한 샘플은 조성에 따라 두 가지 종류가 제작되었다. 샘플 1은 파장훑음 레이저의 파장 출력 및 분광 특성을 파악하기 위하여 782 nm에서 최대 흡수점을 지니는 근적외선 흡수 염료(QCR Solutions)를 물에 희석시켜 제작하 였으며, 샘플 2는 생체와 같이 다중 산란으로 인해 유발되는 저광도(low light level) 상황을 모사하기 위하여 첫 번째 샘 플에 추가적으로 인트라리피드(intralipid, Sigma Aldrich)를 첨가하여 생체조직과 유사한 1 mm^-1의 감소 산란계수(reduced scattering coefficient) 조건을 조성하였다. 추가적으로 물과 큐벳(cuvette)으로 인한 흡광도 변화를 배제하기 위하여 기준이 되는 샘플을 제작하였으며, 기준 샘플로는 샘플 1의 경우 물을, 샘플 2의 경우 근적외선 흡수 염료를 넣지 않고 인트 라리피드만을 물에 희석시켜 1 mm^-1의 산란계수를 지닌 기준 샘플을 이용하였다.
두 개의 편광 조절기는 각각 편 광 특성을 지닌 반도체 광 증폭기와 음향광학 파장선택 필터 이전에 위치하며, 편광 조절을 통하여 파장훑음 레이저의 출력 특성을 최적화 하는 역할을 한다. 음향광학 파장선택 필터를 광섬유 공진기 내부에 배치함으로써 음향광학 파장선택 필터에 인가되는 전기적 라디오주파수에 따라 반도체 광 증 폭기의 이득 범위 내에서 출력광의 파장을 선택적으로 증폭 출력 가능하도록 하였다. 광섬유 공진기 내부에서 증폭된 광 중 절반은 50:50 광 결합기를 통하여 외부로 출력되게 된다.
3 nm의 파장훑음 범위 를 지닌 음향광학 파장선택 기반의 파장훑음 레이저를 제작 하였으며, 이를 이용하여 시간-인코딩된 근적외선 분광 기술에 대한 적용 가능성을 확인해보았다. 제작된 파장훑음 레 이저 기반 시간-인코딩 된 근적외선 분광 시스템은 종래의 백색광 분광기 기반 근적외선 분광 시스템과의 비교를 통하 여 특성 분석을 시도하였으며, 근적외선 흡수 염료 기반 샘플에 대한 흡광도 측정을 통하여 그 가능성을 확인하였다. 제안하는 파장훑음 레이저 기반의 광원부 분광 방식 근적외 선 분광 기술은 통상적인 광대역 광원 기반 검출부 분광 방 식의 근적외선 분광 기술과 달리 민감도가 높은 단일 픽셀 광 검출기를 사용할 수 있기 때문에 심층 조직 영상(deep tissue imaging)에 있어서 훨씬 높은 신호 대비 잡음비(signal to noise ratio)의 데이터를 획득할 수 있을 것으로 보인다.
샘플 1은 파장훑음 레이저의 파장 출력 및 분광 특성을 파악하기 위하여 782 nm에서 최대 흡수점을 지니는 근적외선 흡수 염료(QCR Solutions)를 물에 희석시켜 제작하 였으며, 샘플 2는 생체와 같이 다중 산란으로 인해 유발되는 저광도(low light level) 상황을 모사하기 위하여 첫 번째 샘 플에 추가적으로 인트라리피드(intralipid, Sigma Aldrich)를 첨가하여 생체조직과 유사한 1 mm^-1의 감소 산란계수(reduced scattering coefficient) 조건을 조성하였다. 추가적으로 물과 큐벳(cuvette)으로 인한 흡광도 변화를 배제하기 위하여 기준이 되는 샘플을 제작하였으며, 기준 샘플로는 샘플 1의 경우 물을, 샘플 2의 경우 근적외선 흡수 염료를 넣지 않고 인트 라리피드만을 물에 희석시켜 1 mm^-1의 산란계수를 지닌 기준 샘플을 이용하였다. 제작된 샘플은 각기 다른 10mm 길 이의 큐벳에 담긴 상태로 측정되었다.
파장훑음 레이저 기반 광원부 분광 방식 시간-인코딩 된 근적외선 분광 시스템의 특성을 파악하기 위해 근적외선 흡 수 염료를 희석시켜 제작된 샘플의 흡광도(absorbance)를 측 정하였다. 그림 5는 흡광도 측정을 위한 두 가지 근적외선 분광 시스템의 모식도를 나타내고 있다.

대상 데이터

그 림 5(a)에서 파장훑음 레이저 내부의 음향광학 파장선택 필 터는 함수발생기로 제어되며, 동시에 함수발생기에서 발생되 는 트리거 신호를 통하여 시간-파장 동기화를 실시하였다. 본 실험에서 제작된 파장훑음 레이저는 1 kHz의 파장훑음 속도로 작동되었다. 그림 5(b)는 비교를 위하여 제작한 백색 광 분광기의 모식도이며, 백색광 분광기는 광대역 텅스텐 할 로겐(tungsten halogen) 광원, 샘플단, 분광기(OceanOptics), 그리고 컴퓨터로 이루어져 있다.
그림 1은 제안하는 근적외선 파장훑음 레이저의 모식도이 다. 제작된 근적외선 파장훑음 레이저는 반도체 광 증폭기 (semiconductor optical amplifier), 광 아이솔레이터(optical isolator), 두 개의 편광 조절기(polarization controller), 50:50 광 결합기(optical coupler), 그리고 음향광학 파장선택 필터로 구 성되어 있다. 근적외선 영역에서 광 출력을 획득하기 위하여 800 nm 근처 영역에서 3 dB 밴드 폭이 약 50 nm (@ 150 mA, 25°C)인 증폭된 자발 방출(amplified spontaneous emission) 스펙트럼을 지니는 반도체 광 증폭기를 이용하였다.

이론/모형

표 1은 본 실험에서 사용된 두 가지 근적외선 분광 시스템 의 광학적 특성을 나타낸 것이다. 검출기 분광 방식 근적외 선분광 시스템으로는 회절 격자 기반 백색광 분광기(USB 2000+, Ocean Optics)가 사용되었다. 백색광 분광기 시스템의 경우 회절 격자로부터 분해된 파장을 다중 픽셀 광 검출기의 각 픽셀로 나누어 받아들이는 시스템으로, 본 실험에서 사용된 파장 영역인 770 nm에서 820 nm까지 50 nm 파장 대역에서 0.

성능/효과

또한, 파장훑음 레이저의 경우 수 mW 이상의 단위 파장 대비 광 출력을 가지며, 이는 동일한 광 출력의 광대역 광원에 비해 월등히 높은 수준으로 이 또한 측정 신호의 신호 대비 잡 음비 향상에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서 제안한 광원부 분광 방식 근적외선 분광 시스템의 파장 대역은 약 50 nm로, 비교 대상이 된 검출부 분광 방식 근적 외선 분광 시스템의 파장 대역인 400 nm에 비하여 상대적으로 좁다는 문제가 있다. 하지만 이러한 문제는 서로 다른 파장 대역을 지닌 반도체 광 증폭기 여러 개를 병렬로 사용함 으로써 어느 정도 해결할 수 있을 것으로 판단된다.
첫 번째 요소는 파장훑음 레이저의 파장 선폭으로 이 파장 선폭이 좁을수록 높은 파장 해상도를 가지 게 된다. 둘째로, 파장 해상도는 파장선택 필터의 훑음 정밀 도에 따라 결정되게 되며, 마지막으로 검출단의 데이터 샘플 링 개수에 따라 결정지어진다.

후속연구

하지만 이러한 문제는 서로 다른 파장 대역을 지닌 반도체 광 증폭기 여러 개를 병렬로 사용함 으로써 어느 정도 해결할 수 있을 것으로 판단된다. ^[16]마지 막으로, 파장훑음 레이저 출력 광의 가간섭성(coherency)을 통해 확산 상관 분광 기술(diffuse correlation spectroscopy)과 같은 추가적인 영상 기법들과 함께 동시적인 영상 획득이 가능할 것으로 판단된다.
실제로 광 음향 파장선택 필터의 훑음 정밀도는 그림 4(b)에 나타난 측정값보다 높은 것을 확인하였으나, 광스펙트럼 분석기 해상도의 한계 및 파장훑음 레이저 출력 파장 안정성의 한계로 인해 측정할 수 없었다. 실질적으로 단일 파장에서 측정되는 흡광도는 파장 선폭 범위 내의 흡수계수(absorption coefficient) 전체의 컨볼 루션(convolution)된 값으로 나타나기 때문에 디컨볼루션(deconvolution)과 같은 모종의 데이터 처리를 통하여 더욱 정밀 한 흡광도 측정이 가능할 것으로 예상된다.
제작된 파장훑음 레 이저 기반 시간-인코딩 된 근적외선 분광 시스템은 종래의 백색광 분광기 기반 근적외선 분광 시스템과의 비교를 통하 여 특성 분석을 시도하였으며, 근적외선 흡수 염료 기반 샘플에 대한 흡광도 측정을 통하여 그 가능성을 확인하였다. 제안하는 파장훑음 레이저 기반의 광원부 분광 방식 근적외 선 분광 기술은 통상적인 광대역 광원 기반 검출부 분광 방 식의 근적외선 분광 기술과 달리 민감도가 높은 단일 픽셀 광 검출기를 사용할 수 있기 때문에 심층 조직 영상(deep tissue imaging)에 있어서 훨씬 높은 신호 대비 잡음비(signal to noise ratio)의 데이터를 획득할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 파장훑음 레이저의 경우 수 mW 이상의 단위 파장 대비 광 출력을 가지며, 이는 동일한 광 출력의 광대역 광원에 비해 월등히 높은 수준으로 이 또한 측정 신호의 신호 대비 잡 음비 향상에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생체조직에 조사된 광은 과정 중에 다중 산란으로 감소하게되는 문제를 가지는데 이와 같은 이유로 생태계측에서는 어떤 검출기를 사용하는가?	일반적으로 생체조직에 조사된 광은 다중 산란으로 인하여 생체조직을 통과하는 과정에서 그 세기가 급격하게 감소하게 된다.[3,4] 이와 같은 이유로 인해 대부분의 생체 계측에 사용되는 근적외선 분광 기술 장비들은 광전자증배관(photo multiplier tube)이나 전자사태 광다이오드(avalanche photodiode)와 같이 민감도(sensitivity)가 매우 높은 단일 픽셀 광 검출기를 이용하는 경우가 많다.[10] 따라서, 단일 픽셀 광 검 출기 기반의 근적외선 분광 기술을 효율적으로 실현하기 위해서는 시간에 따라 파장 정보를 분할하여 획득함과 더불어, 생체조직을 지난 이후의 검출부 대신 생체조직을 지나기 이전의 광원부에서 분광시키는 기술이 더 바람 직 할것으로 기대된다.
	근적외선 분광 기술이란 무엇인가?	근적외선 분광 기술(near-infrared spectroscopy)은 근적외선 영역의광을 이용하여 비침습적으로 생체 영상 및 정보를 계측하는 기술로, 최근 떠오르는 광학 영상 기술 중 하나이다.[1,2] 대부분의 생체조직은 산화 및 환원 헤모글로빈, 지질 그리고 물을 비롯한 다양한 물질들을 포함하고 있으며, 이들은 각기 다른 흡수 스펙트럼을 지니기 때문에 여러 파장에 걸쳐 정보를 획득하고 분석함으로써 생체조직의 구성 정보를 알아낼 수 있다.
	750 nm에서 1000 nm까지의 근적외선 영역은 어떤 파장 영역인가?	[1,2] 대부분의 생체조직은 산화 및 환원 헤모글로빈, 지질 그리고 물을 비롯한 다양한 물질들을 포함하고 있으며, 이들은 각기 다른 흡수 스펙트럼을 지니기 때문에 여러 파장에 걸쳐 정보를 획득하고 분석함으로써 생체조직의 구성 정보를 알아낼 수 있다.[3,4] 특히, 750 nm에서 1000 nm까지의 근적외선 영역은 헤모글로빈과 물에 대한 흡수가 적게 일어나기 때문에 생체 정보 계측에 널리 이용되고 있는 파장 영역 이다.[1] 이 중에 800 nm 대역은 산화 및 환원 헤모글로빈의 등흡수점(isosbestic point)이 위치한 파장 영역으로, 혈역학적 (hemodynamic) 정보 획득에 널리 이용되고 있다.

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