[논문 리뷰] Background-free coherent anti-stokes Raman spectroscopy and microscopy by dual-soliton pulse generation

Kun Chen, Tao Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 11.

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research참고 문헌 16인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 배경이 없는 공명 반대스탄 라만 분광법(CARS) 및 현미경을 실현하기 위해 편광 유지 광학 격자 섬유(photonic crystal fiber)에서 이중 솔리톤 펄스를 생성하는 방법을 제안한다. 강한 이방성과 높은 비선형성을 활용하여 주파수 간격과 시간적 워크오프가 조절 가능한 스펙트럼적으로 레드시프트된 두 솔리톤 펄스를 생성함으로써, 비공명 배경이 강력하게 억제되며, 고분자 비드의 피어프린트 영역에서 청소된 CARS 분광법과 현미경 촬영을 실험적으로 구현하였다.

ABSTRACT

We propose an all-fiber-generated dual-soliton pulses based scheme for the background-free detection of coherent anti-Stokes Raman spectroscopy under the spectral focusing mechanism. Due to the strong birefringence and high nonlinearity of a polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF), two redshifted soliton pulses can be simultaneously generated relying on high-order dispersion and nonlinear effects along two eigenpolarization axes in the anomalous dispersion regime, while allowing feasible tunability of the frequency distance and temporal interval between them. This proposed scheme, termed as DS-CARS, exploits a unique combination of slight frequency-shift and advisable temporal walk-off of this two soliton pulses to achieve robust and efficient suppression of nonresonant background with compact all-fiber coherent excitation source. Capability of the DS-CARS is experimentally demonstrated by the background-free CARS spectroscopy and unambiguous CARS microscopy of polymer beads in the fingerprint region.

연구 동기 및 목표

• 공명 반대스탄 라만 분광법(CARS)에서 주요 제약 요소인 비공명 배경을 제거하기 위해.
• 실용적 CARS 응용에 적합한 소형이고 전 섬유형 공명 자극원을 개발하기 위해.
• 광학 격자 섬유 내 이방성과 비선형 효과를 통해 두 솔리톤 펄스 간 주파수 간격과 시간 지연을 조절 가능한 방법을 확보하기 위해.
• 간단한 섬유 통합 구조를 통해 피어프린트 영역에서 비배경 CARS 분광법과 현미경 촬영을 실현하기 위해.
• 강력하고 전 섬유 기반 플랫폼을 통해 고감도, 레이블 프리 화학 영상 촬영을 가능하게 하며 배경 간섭을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 강한 이방성과 높은 비선형성을 지닌 편광 유지 광학 격자 섬유(PM-PCF)를 사용하여 수직적인 고유편광 축을 따라 동시에 두 솔리톤 펄스를 생성한다.
• 이상적인 분산 영역에서의 고차수 분산과 자가위상변조를 활용하여 주파수 간격이 제어 가능한 스펙트럼적으로 적색 이동된 두 솔리톤 펄스를 생성한다.
• 두 솔리톤 펄스 간의 시간적 워크오프를 이용해 스펙트럼 집중을 실현함으로써 공명 신호 탐지 능력을 향상시키고 비공명 배경을 억제한다.
• 펌프 파rameter와 섬유 특성을 조절하여 펄스 간 주파수 거리와 시간 간격을 조절함으로써 흥(excitation) 대역폭에 대한 민감한 제어를 가능하게 한다.
• 소형 전 섬유 구성을 사용하여 이중 솔리톤 펄스를 생성함으로써 안정성과 기존 광학 시스템과의 호환성을 확보한다.
• 생성된 펄스를 CARS 흥(excitation)에 적용하며, 공명 라만 신호를 분리하기 위해 스펙트럼 필터링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PM-PCF 내에서 이중 솔리톤 펄스 생성이 주파수 및 시간적 공학을 통해 비배경 CARS 분광법을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 두 솔리톤 펄스 간의 시간적 워크오프와 주파수 이동을 통해 CARS에서 비공명 배경을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 단일 전 섬유 플랫폼에서 솔리톤 펄스 간 주파수 간격과 시간 지연을 조절 가능한가?
• RQ4 이 기법은 피어프린트 영역에서 생물학적 또는 고분자 샘플의 고대비 CARS 현미경 촬영을 지원할 수 있는가?
• RQ5 스펙트럼 집중 메커니즘이 이중 솔리톤 흥을 이용한 CARS에서 신호 대 배경 비율을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 이중 솔리톤 펄스 생성 기법은 두 솔리톤 펄스 간의 제어된 스펙트럼적 및 시간적 분리 덕분에 CARS 분광법에서 비공명 배경을 성공적으로 억제하였다.
• 실험 결과, 고분자 비드에 대한 배경이 없는 CARS 분광법이 입증되었으며, 피어프린트 영역에서 명확한 공명 라만 피크가 관측되었다.
• 고분자 비드에 대한 명확한 CARS 현미경 촬영이 달성되었으며, 비공명 배경이 없음을 확인하고 고대비 화학 영상 촬영이 가능함을 입증하였다.
• 두 솔리톤 펄스 간 주파수 간격과 시간 지연은 조절 가능하여 흥 대역폭과 스펙트럼 집중에 대한 민감한 제어가 가능하다.
• 전 섬유 구조는 안정성과 소형화를 보장하여 생물의학 및 재료 과학 분야의 실용적 응용에 적합한 시스템을 제공한다.
• 복잡한 스펙트럼 필터링이나 외부 펄스 형상 조절 없이도 비공명 배경을 강력하게 억제할 수 있었다.