광음향 현미경(PAM)은 광학 이미징의 높은 대비와 초음파의 침투 깊이를 결합하여 생체 조직 및 물질의 비파괴적이고 표지 없는 이미징을 위한 강력한 도구입니다[1]. 여러 레이저 파장이 서로 다른 분자 결합을 탐지하는 다중 대비 PAM을 구현하려면 높은 펄스 에너지와 시간 정밀도를 유지하면서 파장 간 빠른 전환이 가능한 광원이 필요합니다. 그러나 대부분의 가변형 또는 라만 기반 레이저 시스템은 느린 전환 속도, 샘플링 드리프트로 인한 제한된 안정성, 복잡한 자유 공간 정렬 등의 제약을 받습니다. 특히, 적절한 펌프 광원의 부재와 라만 주파수 시프트의 고정된 특성으로 인해 단파 적외선(NIR-III) 영역에서 나노초 규모의 펄스를 생성하는 것이 매우 어려운 것으로 나타났습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 홍콩대학교와 첨단생의학기기센터의 Yitian Tong 박사 연구팀은 최근 CH 및 OH 결합의 진동 흡수 피크에 해당하는 1725nm 및 1930nm에서 나노초 광 펄스를 생성하는 이중 파장 전환 가능 전광섬유 레이저를 시연했습니다[2]. 연구팀은 두 개의 시드 레이저에 대한 정밀한 전기광학 변조를 구현하여 동기화된 나노초 펄스 트레인을 생성함으로써 최대 100kHz의 속도로 두 파장 간의 빠른 전자적 전환을 가능하게 했습니다.
이러한 프로그래밍 가능한 변조 방식을 구현하기 위해 연구진은 다음과 같은 방법을 사용했습니다. Moku:Pro 전기광학 변조기(EOM)를 위한 유연한 전기 펄스 성형 및 안정화 플랫폼으로서 Moku:Pro는 파형 발생기 타이밍과 진폭을 조절할 수 있는 고충실도 나노초 구동 신호를 생성했으며, PID 컨트롤러 장시간 작동 동안 안정적인 변조 깊이를 유지했습니다. 이러한 기능은 빠르고 고해상도의 다중 대비 PAM 이미징을 가능하게 했으며, 이를 통해 물 속 미세 플라스틱 유형을 구분할 수 있음을 입증했습니다. 이 방법은 적응형 전자 제어가 광섬유 레이저 광자학 및 환경 감지 기능을 어떻게 향상시킬 수 있는지 보여줍니다.
난제
첨단 PAM(펄스 변조 변조)에 필요한 나노초 광 펄스를 생성하려면 EOM(전기 변조 변조)의 정밀한 전자 제어가 필수적입니다. 본 연구에서 연구팀은 1725nm와 1930nm에서 동기화된 나노초 펄스를 생성하기 위해 두 개의 연속파 시드 레이저의 강도를 변조해야 했습니다. 이를 위해서는 전기 구동 신호가 높은 타이밍 정밀도, 조절 가능한 변조 깊이, 그리고 장기 안정성이라는 세 가지 엄격한 기준을 충족해야 했습니다.
기존 방식으로는 이러한 EOM 구동 시스템을 구축하려면 나노초 구동 신호를 위한 고속 펄스 또는 임의 파형 발생기, 변조기의 동작점을 유지하기 위한 별도의 DC 바이어스 컨트롤러, 피드백을 위한 포토다이오드 판독 모듈, 그리고 PID 안정화를 구현하는 맞춤형 아날로그 회로 등 여러 개의 독립형 장비가 필요했습니다. 각 장비는 지연 시간, 교정 오버헤드, 동기화 문제를 야기했습니다. 또한, EOM 내부의 온도 변화로 인한 드리프트와 광굴절 효과 때문에 장시간 작동 동안 변조 깊이를 일정하게 유지하기 어려웠으며, 이는 바이어스점을 변화시키고 광 소멸비를 저하시켰습니다. 능동적인 보상이 없다면 펄스 에너지와 두 파장 간의 스펙트럼 균형이 빠르게 불안정해져 레이저의 안정적인 성능이 저하될 수 있습니다.
따라서 해당 팀은 EOM 구동 신호를 생성, 동기화, 모니터링 및 안정화할 수 있는 단일 프로그래밍 가능 플랫폼이 필요했으며, 그렇지 않으면 이러한 기능을 구현하려면 여러 전문 장비가 필요했습니다.
해법
연구진은 펄스 생성, 동기화 및 바이어스 안정화를 위한 통합 엔진으로 Moku:Pro를 활용했습니다. 고속 파형 발생기와 디지털 피드백 제어기 역할을 동시에 수행하는 Moku:Pro는 이 복잡한 광학 실험에 필요한 정밀도와 적응성을 모두 제공했습니다. 실험 장치 구성도는 그림 1에서 확인할 수 있습니다.
퇴화 4파 혼합(FWM) 원리에 따르면, 특정 통신 파장대의 두 개의 고출력 시드 펄스는 더 긴 파장대의 아이들러 파를 생성할 수 있습니다. 이 경우, 1725nm와 1930nm에서 아이들러 파가 생성됩니다[3]. 1563.23nm와 1549.50nm의 두 개의 연속파 시드 레이저는 독립적인 EOM을 사용하여 강도 변조되었습니다. 이러한 펄스 카빙을 통해 고비선형 광섬유(HNLF)에 입력되는 시드 펄스의 반복률, 폭 및 피크 전력이 결정되었습니다. Moku:Pro 파형 발생기 3ns 펄스 폭, 100kHz 반복률, 180° 위상차를 갖는 두 개의 동기식 EOM 구동 신호를 제공하여 두 시드 펄스 간의 정확한 교대를 보장했습니다. 이에 따라 생성된 아이들러 파형도 동일한 100kHz 속도로 전환되어 기계적 튜닝이나 광학적 재정렬 없이 이중 파장 작동이 가능했습니다.
마찬가지로 중요한 것은 두 EOM 모두에 대해 안정적인 변조 깊이를 유지하는 것이었습니다. 이를 위해 Moku:Pro는 나노초 펄스를 생성하는 동시에 각 변조기에 DC 바이어스를 공급했습니다. RF 포트는 빠른 과도 현상을 처리하고, 바이어스 포트는 느린 드리프트를 보정했습니다. 변조 깊이는 RF 펄스의 진폭을 조정하여 조절했습니다. EOM에 내장된 모니터링 포토다이오드는 신호를 Moku:Pro로 피드백했고, Moku:Pro는 변조 깊이를 제어했습니다. PID 컨트롤러 피드백. 이 능동적 피드백을 통해 연구원들은 비선형 광섬유 내부의 FWM 프로세스에서 파라미터 이득과 이득 대역폭의 균형을 맞출 수 있습니다. 폐루프 안정화는 변조기가 전달 곡선의 정확한 지점에서 작동하도록 보장하여 장시간 실험 동안 적절한 온/오프 대비와 균형 잡힌 파라미터 이득을 유지했습니다. 폐루프 피드백 구성은 그림 2에서 볼 수 있습니다.
결과
그림 3에서 볼 수 있듯이, 연구진은 1725nm와 1930nm에서 깨끗하고 교대로 나타나는 광 펄스 트레인을 100kHz의 스위칭 주파수와 3ns의 반치폭(FWHM)으로 생성했습니다. 이 펄스들은 두 아이들러 파장 간에 180°의 위상차를 정확하게 유지하여, Moku:Pro의 이중 파형 출력이 두 EOM 간에 완벽한 동기화를 유지함을 확인시켜 주었습니다. 파형 생성이 완전히 프로그래밍 가능하기 때문에 각 파장의 펄스 폭을 3ns에서 12ns까지 독립적으로 조정할 수 있었고, 하드웨어 수정 없이 소프트웨어에서 임의의 펄스 시퀀스(그림 4)를 직접 구성할 수 있었습니다. 이러한 유연성을 통해 연구팀은 하이브리드 광 증폭기 내에서 최대 변환 효율과 스펙트럼 균형을 위한 매개변수를 최적화할 수 있었습니다.
생성된 아이들러 빔은 이중 파장 PAM 시스템의 필수적인 광학 여기 소스 역할을 하여 NIR-III 영역에서 라벨 없는 화학적 이미징을 가능하게 했습니다. 연구진은 이 플랫폼을 사용하여 그림 5에 제시된 바와 같이 물 속 미세 플라스틱의 다중 대비 이미징을 시연했습니다. 1725 nm에서 폴리에틸렌(PE)과 폴리염화비닐(PVC) 미세 플라스틱 모두 CH 결합의 흡수로 인해 강한 광음향 신호를 생성했으며, 1910 nm에서는 PVC가 C-Cl 및 OH 결합 흡수로 인해 훨씬 더 강한 대비를 나타냈습니다. 최적의 대비를 얻기 위해 출력 파장을 1725 nm와 1910 nm로 미세 조정했습니다. 두 이미지 세트를 중첩했을 때, 생성된 합성 PAM 이미지는 두 종류의 플라스틱을 명확하게 분리하여 동일한 시야 내에서의 공간적 분포를 보여주었습니다. 원시 광음향 신호는 두 물질이 물에 대해 반대 극성의 신호를 생성함을 추가로 확인시켜 레이저의 스펙트럼 정밀도와 안정성을 검증했습니다.
이러한 결과들을 종합해 보면, Moku:Pro의 통합 파형 생성, 동기화 및 PID 기반 바이어스 안정화 기능이 기존의 탁상형 장비로는 구현하기 어려웠던 견고하고 재구성 가능한 광원을 가능하게 했다는 것을 알 수 있습니다. 시연된 레이저는 높은 에너지, 빠른 스위칭 속도 및 스펙트럼 정확도를 제공하여 선명하고 고대비의 PAM 이미지를 생성함으로써 화학 물질 특이적 이미징 및 환경 센싱에 새로운 가능성을 열어줍니다.
참고자료
[1] Wang, LV & Hu, S. 광음향 단층촬영: 세포소기관에서 장기에 이르는 생체 내 이미징. Science 335, 1458–1462 (2012).
[2] Tong, Y. et al. 다중 대비 광음향 현미경을 위한 NIR-III 영역의 하이브리드 광 증폭기를 통한 프로그래밍 가능한 이중 파장 전환 가능 전광섬유 레이저. Laser Photonics Rev. 19, 2401494 (2025).
[3] Agrawal, GP 비선형 광섬유. Springer, Berlin (2000).