근적외선 펨토초 레이저 및 이광자 바이오 영상 기술

1. 펨토초 펄스 생성

펨토초 펄스는 모드잠김이라는 기술을 통해서 형성된다. 모드잠김은 레이저 펄스가 공진기 내에서 왕복운동(Round-trip)을 하는 과정에서, 여러 종모드(Longitudinal Mode)들이 동시에 같은 위상을 가지면서 진동(Oscillation)하는 현상을 뜻한다. 예를 들어, 모드잠김된 레이저는 같은 위상(Phase)과 진폭(Amplitude)을 가진 N개의 종모드를 발진시킨다면, 모든 모드의 강도(Intensity)는 다음의 세기를 가진다[6].

여기서, ω: 축모드 간격 주파수(Axial mode spacing frequency), t: 시간을 뜻한다. 따라서 위 식을 플롯해 보면, 집속 강도는 모드(Mode)의 수가 많을수록 펄스폭이 줄어들고, 진폭이 커지는 것을 알 수 있다(그림 2)[7]. 또한 모드잠김 기술은 높은 이득(High Gain)을 요구하는 기술인데, 크게 능동형 모드잠김과 수동형 모드잠김으로 나뉜다. 능동형 모드잠김은 외부 변조 장치(전기광학변조기(Electro-optic Modulator), 음향광학변조기(Acousto-optic Modulator)) 등을 통해 손실(Loss)을 조절하여 이득(Gain)을 조절하는데, 이는 변조 시간의 물리적 한계로 인해 펄스폭을 줄이는 데 한계를 가진다. 수동형 모드잠김은 이득 매질, 또는 다른 광학 소자 내부에서 발생되는 비선형 현상에 의해 손실이 조절되는 기술로, 빠른 변조시간(피코초 이하)으로 인해 펨토초 펄스를 생성하는 데 유리하다(그림 3).

그림 2

같은 위상을 가진 여러 종모드가 모드잠김된 레이저 펄스 출처 Reprinted with permission from [7]

그림 3

모드잠김 기술 종류 출처 Reprinted with permission from [7]

따라서 티타늄-사파이어의 펨토초 펄스는 커-렌즈 모드잠김(Kerr-lens Mode-locking)이라는 수동형 모드잠김 기술에 의해 형성된다. 커-렌즈는 커효과(Kerr Effect)라는 3차 비선형 현상에서 유래되었으며, 매질 내 레이저 펄스가 왕복하면서 강도가 센 중앙부분의 굴절률이 크게 느껴지는 현상이다. 커효과를 횡방향(x, y 혹은 r축 방향)과 종방향(z축 방향)으로 나누어보면, 횡방향은 중심부위가 굴절률이 커지면서, 그림 4와 같이 렌즈효과를 만들고, 이는 중심부위만 더욱 이득을 얻고, 주변 부위는 소실되면서 자체 진폭 변조(Self-amplitude Modulation)를 유도하게 된다. 그리고 동시에 종방향으로는 레이저 펄스가 지나가면서 위상이 주파수별로 처프(Chirped)되면서, 자체 위상 변조(Self-phase Modulation)를 유도하고, 이는 레이저 스펙트럼 밴드를 넓게 만들어준다(그림 4). 이때, 레이저 공진기 내 음의 분산을 유도하는 광학계(프리즘, 회절격자, 처프미러)를 설치하여 커-렌즈효과를 보상하게 되면, 넓은 스펙트럼과 짧은 펄스폭을 가진 펨토초 펄스가 형성된다.

그림 4

커-렌즈 모드잠김 개념도 출처 Reprinted with permission from [7]

티타늄-사파이어 펨토초 레이저 공진기의 일반적인 형태는 그림 5(a)와 같다. 앞서 설명한 바와 같이, 펌프 레이저 광원, 티타늄-사파이어 크리스털(이득 매질), 음의 분산을 유도하는 광학계로 구성된다. 상세하게는, 그림 5(a)는 공진기 내 광학계별 역할을 크게 4개의 부분으로 다시 나뉜다(그림 5(b)). 이득 매질에 의한 이득/손실, 자체 진폭 변조(SAM), 자체 위상 변조(SPM), 분산(GDD: Group Delay Dispersion)으로 구분되고, 이는 Haus 마스터식[8]을 전산모사를 통해 각 요소별 효과를 눈으로 확인할 수 있다(그림 6).

그림 6

공진기 내 요소별 효과 출처 Reprinted with permission from [7]

그림 5

(a) 티타늄-사파이어 펨토초 레이저 공진기 개념도, (b) 레이저 공진기 분석 개념도

그림 6은 자체 진폭 변조만의 효과(첫 번째), 자체 진폭 및 위상 변조의 효과(두 번째), 자체 진폭 변조, 자체 위상 변조, 음의 분산의 효과(세 번째)를 플롯(Plot)한 것이다. 그림 4의 설명에서 언급한 자체 위상 변조에 의해 불규칙적으로 넓어지는 레이저 스펙트럼은 음의 분산값(GDD: Group Delay Dispersion)에 의해 보상되면서 가우시안 형태의 레이저 스펙트럼이 만들어지는 것을 볼 수 있다. 요 약하면, 펨토초 펄스는 레이저 공진기 내에서 펌프 광원이 이득 매질 내 집속되는 영역에서 일어나는 커효과와 분산의 적절한 균형(Balance)으로 인해 형성되며, 분산값이 0에 근접할수록 펄스폭은 짧아진다(그림 6)[7]. 2001년 R. Ell 등[9]에서 실험적으로 얻은 5fs 펄스폭 레이저를 발표하였는데, 이는 현재까지 달성된 최소 펄스폭이다(그림 7).

그림 7

Interferometric autocorrelator로 측정한 5fs 펄스폭 출처 Reprinted with permission from [9]

2. 펨토초 펄스 기술 개발 방향

티타늄-사파이어를 이용한 펨토초 레이저 기술은 처음에는 펄스폭을 짧게 만드는 방향으로 개발되어 오다가, 2000년대 들어서면서 레이저 반복률이 메가헤르츠(MHz)로 높으면서, 하나의 펄스 에너지를 올리는 방향으로 연구가 진행되었다(그림 8).

그림 8

펨토초 레이저 Overview

이는 펨토초 레이저를 이용한 다양한 산업분야가 확대되면서, 반도체, 디스플레이, 가공/패터닝 등의 높은 수율(Yield)을 요구하는 초정밀 시장의 요구사항을 반영한 흐름이다. 펄스당 에너지를 높이면서, 반복률이 메가헤르츠(MHz)인 펨토초 레이저는 공진기의 길이를 늘이는 방법(장주기)과 일반적인 공진기 내부에 광학변조기 장치를 설치하는 방법(덤핑(Dumping))이 있다.

Cho 등[10]은 1999년 처음으로 장주기 방식에 의한 11nJ, 16.5fs 펄스를 발진시키는 기술을 소개하면서, 멀티 패스에 의한 콤팩트한 공진기 개념을 도입하였고(그림 9), 2001년 후속 연구를 통해 90nJ의 펄스 에너지를 얻는다[11]. 2003년에는 Kowalevicz 등[12]이 150nJ, 43fs 펄스 발생을 성공하고, 2007년 P. Dombi 등[13]이 200nJ, 5ps를 압축을 통해 35fs까지 달성하는 결과를 발표하게 된다. 그로부터 5년 후 한국전자통신연구원(ETRI)에서도 2013년 330nJ, 98fs 펄스를 발진시키는 펨토초 레이저 개발을 성공하게 된다[14](그림 10).

그림 9

멀티패스 장주기 펨토초 레이저 공진기 출처 Reprinted with permission from [10]

그림 10

ETRI 장주기 펨토초 레이저 출처 Reprinted with permission from [14]

공진기 덤핑방식은 1993년 Ramaswamy 등[15]이 처음 음향광학 변조기를 공진기 내부에 설치하여 100nJ, 40fs 펄스 발진을 성공시키고(그림 11), 10여 년이 지난 2006년 X. Zhou 등[16]이 450nJ, 60fs 펄스를 발생시키면서, 펄스 에너지를 4배 정도 올린다. 2009년에는 Siegel 등[17]이 장주기와 덤핑 기술을 합한 방식으로 펄스 에너지 약 1μJ까지 최고값을 얻게 된다. 그러나 덤핑 방식은 장주기 방식에 비해 높은 펄스 에너지를 얻을 수 있으나, 공진기 내부에 고가의 변조기를 설치해야 하는 단점을 가진다. 이외에 외부 펌프 광원을 이용하여 증폭하는 방식(CPA)이 있으나, 본고에서는 해당 내용을 다루지 않는다.

그림 11

공진기 덤핑 방식의 펨토초 레이저 출처 Reprinted with permission from [15]

3. 이광자 바이오 영상 기술

이광자 바이오 영상 기술은 근적외선 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 이광자 흡수 현상에 따른 형광 신호를 영상화한 기술이다(그림 12). 필수적으로 근적외선 펨토초 레이저가 필요하며, 티타늄사파이어 펨토초 레이저가 여기에 적합한 광원이다. 이광자 영상 기술은 1990년 Denk 등[18]에 의해 처음 발표되었는데, 당시 공초점 영상기술과 비교하여, 몇 가지 우수한 점이 소개되면서 현재까지 지속적으로 연구개발이 진행되어 왔다. 첫째, 에너지가 낮은 광자 두 개를 이용하여 시료 내 전자를 여기시키기 때문에 시료에 빛이 깊이 들어간다(그림 12). 둘째, 기존의 단일 광자 광원을 사용해서 발생되는 광독성(Phototoxicity), 광표백(Photobleaching), 광손상(Photodamage)으로부터 자유롭기 때문에 장시간 시료의 관찰이 가능하다. 셋째, 자외선 영역까지 이광자 현상을 이용하여 전자를 여기시킬 수 있기 때문에 사용자의 안전과 자외선 영역내 관찰이 가능하다. 넷째, 넓은 파장 밴드폭을 가진 펨토초 광원을 사용하기 때문에 동시에 다양한 형광 신호를 획득하여 영상화할 수 있다. 즉, 다양한 종류의 형광염색(Fluorescence staining)을 통해서 동시에 이를 영상화할 수 있다. 다섯째, 초점영역에서만 형광을 방출함으로써 특정 깊이의 광단층 영상을 선택적으로 볼 수 있다[19](그림 12 내 사진).

그림 12

단광자와 이광자 흡수 에너지 다이어그램(위), 초점영역에서의 형광 사진[19], 단광자와 이광자 빛의 투과 깊이 출처 Reproduced with permission from [19]

이러한 장점들로 인해 이광자 현미경 기술은 국내에서도 ETRI, 한국생명공학연구원, 한국과학기술원(KAIST), 광주과학기술원(GIST) 등에서 생물학, 면역학, 신경학, 질환 진단(암, 치매 등) 등의 다양한 분야에 활용되고 있으며, 최근에는 살아 있는 동물에 직접 렌즈를 고정하여 생체 이미지화까지 가능한 기술 수준까지 발전하였다. 이에 메이저 현미경 회사(Olympus, Nikon, Zeiss)들은 앞 다투어 이광자 현미경을 개발하여 상용화하였으나, 여전히 펨토초 레이저 광원이 고가이기 때문에 이광자 현미경 가격 또한 수억 원에 이른다. 이광자 바이오 영상 현미경은 수요가 많은 고사양 현미경임에도 불구하고, 높은 비용으로 인해 보급에 한계가 있다. 한편, 최근 ETRI에서는 국내 처음으로 다이오드 직접 펌핑 기반의 티타늄-사파이어 펨토초 레이저를 개발함에 따라, 레이저 광원 비용을 기존 대비 약 1/10 이상 낮춘 이광자 현미경의 원천 기술을 획득하였다. 이에 최근 의료분야에서 활발히 연구 중인 생체 조직 투명화 기술에 이광자 영상 기술을 더하면 두꺼운 생체조직을 얇게 자르지 않고 3차원 기능성 이광자 영상을 획득할 수 있어, 세포 재생 및 가소성 규명 연구에 하나의 영상 기술로 쉽게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.