백서
강력한 기술은 초당 1조 프레임이라는 놀라운 속도로 단일 초고속 이벤트를 이미지화합니다.
개요
STAMP(Sequentially Timed All-optical Mapping Photography)는 Coherent Astrella를 사용하여 ~100fs에서 수 ns의 시간 척도에서 비디오 버스트를 캡처합니다. 이를 통해 예를 들어 테라헤르츠파 생성 및 전파(~100fs 시간 척도), 레이저 절제(~1ps)의 플라즈마 역학, 수중 충격파(~1ns)를 연구할 수 있습니다.
고속 이미징 방법의 필요성
초고속 현상을 시각화하는 전통적인 방법은 펌프 프로브 접근 방식입니다. 이 기술에서 레이저 펄스는 연구 중인 샘플을 여기하는 데 사용되며 프로브 펄스는 특정한 짧은 지연 후에 스냅샷 이미지를 캡처합니다. 그런 다음 일련의 샷에 대해 이 지연 시간을 순차적으로 증가시켜 비디오를 구성합니다. 그러나 이 기술은 유용하고 강력한 기술이지만 샘플이 여기될 때마다 하나의 스냅샷만 찍을 수 있기 때문에 일관되고 균일하게 반복되는 반복적인 이벤트를 이미징하는 데에만 적합합니다.
Nakagawa 교수(도쿄 대학)는 음파 및 빛과 물질, 특히 생체 조직의 상호 작용을 어떻게든 모두 포함하는 다양한 연구 프로젝트를 추구하는 그룹을 이끌고 있습니다. 몇 년 전에 이들은 음향 파면의 전파와 같은 매우 동적인 단일(비반복) 이벤트의 초고속 비디오 스트림을 생성하는 방법이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 STAMP를 개발했습니다[1].
몇 년 전에 이들은 음향 파면의 전파와 같은 매우 동적인 단일(비반복) 이벤트의 초고속 비디오 스트림을 생성하는 방법이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 STAMP를 개발했습니다.
어떻게 작동할까요?
STAMP의 기본 원리는 그림 1에 요약되어 있습니다. STAMP는 Coherent Astrella 티타늄 사파이어 펨토초 증폭기의 넓은 스펙트럼 대역폭과 충분한 펄스 에너지를 활용합니다. 먼저 펨토초 펄스는 처핑에 의해 늘어나거나 분할되어 샘플을 조명하는 데 사용되는 다양한 파장 구성 요소가 시차를 둔 지연 시간으로 도착합니다. Nakagawa는 이 부분을 "시간적 매핑"이라고 합니다.
샘플을 통과한 후 각 하위 펄스는 파장으로 분리된 다음 (CCD 또는 CMOS) 카메라 어레이의 특정 영역으로 전달됩니다. 따라서 각 영역은 별도의 비디오 프레임이 됩니다. 이러한 방식으로 레이저 펄스 및 감지는 고속 스트로브 조명 및 이미징 장치와 같은 역할을 합니다.
그림 1: STAMP는 레이저 펄스를 파장이 다른 하위 펄스로 분할합니다(따라서 시간이 지연됨). 대상을 조명한 후 하위 펄스는 분리되어 카메라 어레이에 기록됩니다[1].
STAMP 성능 확장
원래 기술을 개발한 이후로 Nakagawa 그룹은 STAMP의 기능을 세 가지 방식으로 확장하기 위해 계속해서 STAMP를 혁신해 왔습니다. 확장을 위한 한 가지 방법은 펄스의 시간적 매핑에 효과적인 기술을 만드는 것입니다. 원래 이들은 시간적 매핑을 달성하기 위해 유리 막대 또는 파이버에서 경험한 자연적인 분산에 의존했습니다. 그러나 이로 인해 비디오 시간 척도가 피코초 또는 더 빠른 이벤트로 제한됩니다.
이들은 나노초 시간 척도에서 이벤트를 측정하기 위해 최근 "스펙트럼 회로"라는 광학 장치를 개발했습니다. 이 접근 방식에서 광 펄스는 공간적으로 처핑된 다음 갇혀 4개의 미러에서 생성된 경로를 순환합니다(그림 2 참조). 빠져나가기 전에 빛이 만드는 랩 수는 파장에 따라 다릅니다. 따라서 모든 랩은 이전보다 더 긴 파장에서 하위 펄스를 방출합니다. 이를 통해 나노초 시간 척도에서 하위 펄스의 스트림이 생성됩니다.
그들은 또한 STAMP의 공간 매핑 부분을 혁신하느라 바빴습니다. 예를 들어 이들은 "슬라이싱 미러"라고 하는 기발한 다면 거울을 발명했습니다. 이를 통해 두 대의 카메라 각각에서 3X3 패턴의 하위 펄스를 이미지화하여 총 18프레임의 비디오 버스트를 고공간 픽셀 해상도로 이용할 수 있습니다.
또한 Nakagawa 그룹은 초고속 단일 샷 이미징의 완전히 새로운 개념인 다중 색상 STAMP를 개발했습니다. 2색 STAMP라는 한 버전에서는 Coherent Astrella 티타늄 사파이어 펨토초 증폭기의 2차 고조파에서 펄스를 생성하고 이러한 400nm 하위 펄스를 기본 800nm 하위 펄스와 함께 사용하여 기술을 실행합니다. 이 체계를 통해 초고속 현상의 "컬러 이미지"를 얻을 수 있으므로 전례 없이 빠른 스펙트럼 이미징이 가능합니다.
그림 2: 스펙트럼 회로는 랩 수와 그에 따른 지연이 펄스 파장에 따라 달라지도록 정렬되어 있습니다[2].
STAMP에서 이미지화한 일부 프로세스
Nakagawa 그룹은 STAMP를 사용하여 산업 재료 가공 및 생명과학과 같은 다양한 영역의 프로세스를 조사했습니다.
테라헤르츠(THz) 파동은 재료 과학, 생명 공학 및 의학, 전자 장치 및 환경과 같은 분야에서 잠재적으로 광범위하게 응용되는 전자기파입니다. 초단파 펄스(USP) 레이저는 강렬한 초단파 THz를 생성하는 데 널리 사용됩니다. 이 현상은 매우 짧은 시간 척도에서 발생하기 때문에 이전에는 시간 분해 펌프 프로브 방법을 기반으로 하는 반복적인 이미징을 통해서만 관찰되었습니다.
Nakagawa의 그룹은 STAMP를 사용하여 초단파 펄스를 강유전성 결정으로 유도하고 관련 초고속 역학을 관찰함으로써 THz 파동 생성의 순간을 움직이는 프레임으로 처음으로 포착했습니다.
그림 3은 4.4Tfps로 획득한 THz파의 생성 및 전파를 보여 줍니다. 처음에는 격자 진동이 무작위로 여기되지만 점차 위상이 정렬되어 단일 파동 패킷을 생성합니다. 파동은 광속의 약 1/6 속도로 결정에서 전파됩니다. 순차 프레임은 파동이 본질적으로 테라헤르츠 영역의 파장을 갖는 전자기임을 보여 줍니다.
그림 3: 단일 USP 레이저 펄스가 강유전성 결정에서 격자 진동을 여기할 때 테라헤르츠(THz) 파동 방사를 시각화하는 STAMP 이미지 시퀀스[1].
USP 레이저 펄스를 이용한 절제
피코초 및 펨토초 출력의 초단파 펄스 레이저는 정밀 미세가공에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 응용 분야에는 의료장치에서 스마트폰 구성 요소에 이르는 제품의 드릴링, 스크라이빙 및 마킹이 포함됩니다. 주된 이유는 USP 가공이 더 긴 펄스 레이저로 제공할 수 있는 것보다 더 높은 정밀도를 제공하기 때문입니다. 또한 주변부 발열이 거의 발생하지 않아 기능이 깨끗합니다.
이러한 이점이 널리 문서화되어 있지만 아무도 이러한 이점이 어떻게 발생하는지에 대한 실제 세부 사항을 파악하지 못했습니다. Nakagawa 그룹은 이제 STAMP를 사용하여 이 토론에 고유한 데이터를 가져왔습니다. 이들은 유리 표적에 대한 단일 35fs 레이저 펄스의 절제 작용을 이미지화했습니다.
이 응용 분야의 경우 >1Tfps의 유효 프레임 속도를 위해 2색 STAMP 설정을 구성했습니다. 그림 4에는 이 작업의 여러 이미지 프레임이 포함되어 있습니다. 원래의 2색 프레임에서 전자 밀도 맵을 얻었습니다. 팀은 이 데이터를 통해 절제 레이저 펄스에 의해 방출된 플라즈마 플룸의 크기, 모양, 속도 및 전자 밀도 분포를 매핑할 수 있었습니다.
그림 4: 단일 USP 레이저 펄스가 유리를 절제할 때 방출된 플라즈마 플룸을 시각화하는 일련의 STAMP 이미지[3].
수중 충격파 전파
훨씬 더 느린 시간 척도에서 이 그룹은 물에 집중된 레이저 펄스로 생성된 충격파를 이미지화하기 위해 광학 회로 및 분기 방식을 사용했습니다. Nakagawa는 초음파 및 레이저 출력과 살아있는 조직의 상호 작용이 의료 치료, 이미징 및 생명과학 연구를 이해하는 데 중요하다고 설명합니다. (그리고 물은 살아있는 조직의 주성분입니다.)
그림 5와 같이 충격파면의 전파를 매핑했습니다. 이미지의 그레이스케일 대비는 충격파 강도를 나타냅니다. Nakagawa 그룹은 현재 STAMP에 의해 포착된 이러한 동적 이벤트를 관찰함으로써 생물학적 세포와의 충격파 상호 작용에 대해 설명하고 있습니다.
그림 5: 단일 레이저 펄스에 의해 여기된 물속 충격파면의 전파를 보여 주는 STAMP 이미지[4].
Coherent Astrella를 사용해야 하는 이유는 무엇일까요?
Nakagawa 교수는 STAMP 연구에 가장 적합한 Astrella의 몇 가지 장점을 언급합니다. 그는 다음과 같이 말합니다. "성능 면에서 Astrella는 빔 품질이 이미지 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요한 고품질 출력 빔을 제공합니다. Astrella의 넓은 스펙트럼 대역폭은 여러 하위 펄스를 생성하는 작업을 단순화하고 필요할 때 펄스를 ~35fs까지 압축할 수 있음을 의미합니다. 높은(7mJ) 펄스 에너지는 출력을 시간적 및 공간적으로 STAMP 펄스(광 손실 포함)로 변조하고 펄스 에너지의 일부를 사용하여 2색 STAMP에 대한 SHG 펄스를 생성하기 때문에 또 다른 중요한 이점입니다. 또한 저희는 펄스의 일부를 사용하여 촬영하고자 하는 특이한 현상을 여기시킵니다."
Nakagawa 교수는 Astrella가 핸즈프리 방식의 원박스 레이저라는 점을 포함하여 몇 가지 실용적인 이점도 언급합니다. 레이저는 훨씬 더 복잡한 기기 내부에 있는 하나의 구성 요소일 뿐이기 때문에 이러한 작동 단순성은 매우 중요합니다. 그는 다음과 같이 말합니다. "턴키 작업은 STAMP를 사용하는 사람이 이 기술을 완전히 활용하기 위해 레이저 전문가가 될 필요가 없음을 의미합니다. 필요한 출력을 정확히 얻기 위해 간단한 사용자 인터페이스로 제어할 수 있는 광원일 뿐입니다. 그 못지 않게 중요한 것은 Astrella가 서비스나 계획되지 않은 수리 및 업그레이드가 필요 없어 놀라울 정도로 안정적이고 신뢰할 수 있다는 점입니다."
Nakagawa는 다음과 같이 말합니다. "저희는 이 레이저를 정말 좋아합니다."
"성능 면에서 Astrella는 빔 품질이 이미지 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요한 고품질 출력 빔을 제공합니다. Astrella의 넓은 스펙트럼 대역폭은 여러 하위 펄스를 생성하는 작업을 단순화하고 필요할 때 펄스를 ~35fs까지 압축할 수 있음을 의미합니다."
– Keiichi Nakagawa, 조교수 도쿄 대학요약
Nakagawa 연구소는 연구를 지원하기 위해 단일 이벤트의 초고속 비디오를 얻는 이 독특한 방법을 개발했습니다. 그러나 Astrella의 지속적인 혁신과 작동 단순성 덕분에 이 방법은 유연하고 사용하기 쉬운 기술이 되었습니다. 따라서 펨토초에서 나노초에 이르는 모든 종류의 빠른 동적 이벤트에 대한 과학적 이미징을 수행하는 다른 응용 분야에 광범위하게 적용할 수 있습니다.
참고 문헌
[1] K. Nakagawa et al., “Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP).” Nature Photonics 8, 695–700 (2014).
[2] T. Saiki et al., “Spectrum circuit for producing spectrally separated nanosecond pulse train in free space.” CLEO 2020, Online, May 2020.
[3] K. Shimada et al., “Electron density imaging of ultrafast plasma dynamics with two-color STAMP.” ALPS2021, Online, April 2021.
[4] T. Saiki et al., “Nanosecond single-shot imaging system with a picosecond exposure time for monitoring the shock wave effects on cells.” Symposium on Shock Waves in Japan, Online, March 2021.