[논문]상온에서 동작하는 근접장 광학현미경을 이용한 자외선-가시광선 영역 분광계획의 구성

임상엽; 최문구; 박정근; 조규만; 박승한

[국내논문] 상온에서 동작하는 근접장 광학현미경을 이용한 자외선-가시광선 영역 분광계획의 구성
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임상엽 (연세대학교 물리학과) , 최문구 (연세대학교 물리학과) , 박정근 (연세대학교 물리학과) , 조규만 (서강대학교 물리학과) , 박승한 (연세대학교 물리학과)

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문제 정의

근접장 현미경은 기존의 광 현미경이 근본적으로 지니고 있는 회절한계를 넘어서는 분해능으로 광 형상을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 근접장 광학 현미경의 제작과, 자외선-가시광선 영역에서 감도가 좋은 분광계의 구성, 그리고 미약한 광신호를 검출하기 위한 단일광자 계수장치 부착을 통해 단일 양자점이나 단일 분자의 분광 연구를 수행하기 위한 분광계를 구성하였다

제안 방법

. 또한 탐침을 시료에 가까이 가져가고, 평면 방향으로 미세한 변위로 scan하기 위하여 PZT tube를 사용하였다. PZT tube scanner는 변형계수 이 293K에서 -2.
. 본 연구에서는 광 섬유 탐침에 여기광을 입사시키고 빛과 시료 사이의 상호작용 후에 나오는 빛을 대물렌즈로 수광하는 방식의 검출 효율이 가장 높은 illumination 모드를 채용하였다. 그림 1은 대략적인 실험장치도이다.
광섬유 탐칩 역시 자외선용 350nm 단일모드 광섬유로 제작된 탐침을 사용하였으며, 시료는 200μm 두께로 연마한 quartz 기판 위에 도포하여 특성을 조사함으로써 자외선 여기광원에 의한 광학계의 형광을 대부분 억제할 수 있었다. 한편 분광장치 앞단에 385nm 이하의 단파장을 흡수하는 필터를 사용하여 여기광원이 분광장치에 직접 입사되는 것을 막았다. 실제로 시료를 조사하기 전에 quartz 기판만을 둔 상태에서 스펙트럼을 구하여 본 결과 자외선에 의해 시료 이외의 광학계에서 나오는 형광은 검출되지 않음을 확인하였다.

대상 데이터

청색 및 근자외선 영역의 스펙트럼까지 측정하기 위하여 자외선 영역 파장의 레이저를 여기광원으로 사용하였다, 여기광원은 18mW 출력의 He-Cd 레이저이며 레이저 파장은 325nm이다. 여기광원이 자외 선 파장의 빛이므로 광학계를 구성할 때 자외선에 의해 유도되는 형광을 억제하거나 제거하기 위한 주의를 기울였다.

성능/효과

이러한 이유로 모든 대물렌즈는 자외선에 의해 형광이 유도되지 않는 렌즈를 사용하였으며, 분광장치 앞단의 렌즈 역시 quartz 렌즈를 사용하여 시료에서 나오는 신호와 무관하게 광학계에서 발생하는 형광을 억제하였다. 광섬유 탐칩 역시 자외선용 350nm 단일모드 광섬유로 제작된 탐침을 사용하였으며, 시료는 200μm 두께로 연마한 quartz 기판 위에 도포하여 특성을 조사함으로써 자외선 여기광원에 의한 광학계의 형광을 대부분 억제할 수 있었다. 한편 분광장치 앞단에 385nm 이하의 단파장을 흡수하는 필터를 사용하여 여기광원이 분광장치에 직접 입사되는 것을 막았다.
분광장치로 분광한 광 신호는 자외선 영역부터 근 적외선까지 양자효율이 높은 GaAs(Cs) 광증배관 (R943-02, Hamamatsu Photonics K.K.)을 통해 증폭하였으며 동기식 단일광자 계수장치를 부착하여 검출함으로써 매우 미약한 광 신호까지도 검출할 수 있었다. 동기식 단일광자 계수장치는 전처리 증폭기와 펄스 판별기, 계수기로 구성되어 있으며 기계식 Shutter로 여기광원을 변조함으로써 여기광원과 무관한 주변 빛에서 신호를 분별할 수 있다.
한편 분광장치 앞단에 385nm 이하의 단파장을 흡수하는 필터를 사용하여 여기광원이 분광장치에 직접 입사되는 것을 막았다. 실제로 시료를 조사하기 전에 quartz 기판만을 둔 상태에서 스펙트럼을 구하여 본 결과 자외선에 의해 시료 이외의 광학계에서 나오는 형광은 검출되지 않음을 확인하였다.
특히 근접장 광학 현미경을 이용하여 빛을 검출할 때, 여기광원이 광 신호와 같은 경로를 지나게 되는데, 광 신호는 매우 미약하므로 다른 광학계에서 자외선에 의한 형광이 나오면 광 신호를 분별하는 것이 어렵다. 이러한 이유로 모든 대물렌즈는 자외선에 의해 형광이 유도되지 않는 렌즈를 사용하였으며, 분광장치 앞단의 렌즈 역시 quartz 렌즈를 사용하여 시료에서 나오는 신호와 무관하게 광학계에서 발생하는 형광을 억제하였다. 광섬유 탐칩 역시 자외선용 350nm 단일모드 광섬유로 제작된 탐침을 사용하였으며, 시료는 200μm 두께로 연마한 quartz 기판 위에 도포하여 특성을 조사함으로써 자외선 여기광원에 의한 광학계의 형광을 대부분 억제할 수 있었다.

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