2광자 현미경을 위한 레이저 변조 솔루션

포켈 셀은 2광자 현미경 검사에서 광범위하게 채택되고 있으며, 특히 인기 있는 2광자 파장에서 적당한 파워만 요구하는 사용자에 대해서 이러한 포켈 셀이 비교적 단순하게 배치되어 있으므로 "홈빌더" 커뮤니티에서 특히 많이 채택되고 있습니다.

예를 들어, 인산수소칼륨(KD*P)을 기반으로 하는 셀은 약 1100nm까지에 대한 2P 응용 분야와 적당한 레이저 출력까지에 대해 우수한 투과율, 속도, 대조비 특성을 제공합니다. 또한 KD*P는 그룹 속도 분산 특성이 낮아 그룹 지연 분산(GDD)이 최소화됩니다. 이를 위해 KD*P 포켈 셀은 티타늄 사파이어(Ti:Sapphire) 레이저와 같이 분산 사전 보정과 제한된 튜닝 없이 초고속 레이저를 사용할 때 자주 채택됩니다.

음향 광학 변조

음향 광학 변조기(AOM)는 압전 변환기가 부착된 투명한 결정이나 유리로 구성됩니다. 변환기에 적용된 무선 주파수(RF) 파동은 결정을 변형시키는 음파를 유도하여 굴절률 격자를 생성합니다. 셀을 통과하는 빛은 브래그 회절을 겪습니다.

달성할 수 있는 상승/하강 시간은 음파가 레이저 빔을 가로지르는 데 걸리는 시간에 비례하므로 결정에서 빔의 폭을 줄여 최적화됩니다.

식별과 이에 따른 대조비는 0차 회절 차수와 1차 회절 차수 사이의 분리 각도(θ_S)와 관심 작업 평면까지의 거리에 따라 정의됩니다.

2광자 현미경에 사용되는 가장 흔하게 사용되는 음향 광학 변조기(AOM) 물질은 이산화 텔루르이며(TeO₂), 이 재료는 넓은 파장 범위에서 우수한 회절 효율과 고출력 처리를 보여 줍니다. 최대 전송 효율은 30dBm 정도의 적당한 RF 전력으로 달성됩니다.

TeO₂ AOM은 일반적으로 1차로 최고의 회절 효율을 제공하는 브래그 상호 작용 영역에 구성되며, 더 높은 차수는 소멸됩니다. 최소 RF 전력 수준으로 고효율을 달성하려면 1cm가 넘는 결정 길이가 필요하므로 무시할 수 없는 그룹 지연 분산(GDD)이 발생합니다. AOM 기반 현미경 시스템은 다른 다운스트림 광학 장치, 특히 대물 렌즈의 분산도 고려하면 샘플 평면에서 가장 짧은 펄스를 유지하기 위해 분산 사전 보상이 장착된 레이저와 협력하여 이점을 얻을 수 있습니다.

음향 광학 변조기(AOM)를 배치하려면 광학 설계와 제어 전자 설계를 주의 깊게 수행해야 합니다. 분리 각도(θ_S)는 RF 구동 주파수(예: 격자 주기)와 레이저 파장에 따라 달라지므로 레이저 파장을 조정할 때 포인팅 변경이 최소화되도록 RF 구동 주파수 보정을 신중하게 수행해야 합니다. 또한 최대 회절 효율은 서로 다른 파장에 대해 서로 다른 RF 전력에서 달성됩니다. RF 주파수와 전력을 주의 깊게 제어하고 조정이 가능한 이미징 시스템에서 상대적으로 큰 GVD를 관리해야 하는 필요성이 대두됨에 따라 더욱 많은 통합 노력이 요구되었습니다. 그로 인해 음향 광학 변조기(AOM)는 그 성능 특성이 뛰어남에도 지금까지 홈빌더 및 맞춤형 설정에서 사용이 제한 되었습니다.

광범위하게 조정 가능한 레이저의 변조

파장 영역대가 680-1,300nm이고 출력이 2W를 초과하며 광범위하게 조정 가능한 원박스 레이저가 등장하면서 레이저 변조를 위한 새로운 성능 체제와 통합 노력이 필요해졌습니다.

흔히 사용하는 KD*P 포켈 셀은 고출력에서 열 블루밍 효과를 나타내어서 빔 포인팅, 빔 웨이스트 무결성과 수명에 해로운 영향을 끼칩니다. 파장이 더 길어지면 구동 전압이 더 높아지고 대조비 문제도 더욱 커집니다. 탄탈산 리튬은 광범위한 튜닝에 실행 가능한 EOM 재료이지만 상용 장치의 그룹 지연 분산은 보정 가능한 분산 보상 레이저 범위보다 높기 때문에 펄스가 길어지고 피크 출력이 감소하여 효율적인 이미징에 해를 끼칩니다.

앞서 설명한 바와 같이 AOM 기반 솔루션은 잠재적인 비용 및 성능 이점이 있음에도 불구하고 배포하는 데 높은 수준의 광학 설계 및 전자공학 제어 전문 지식이 필요하며, 이러한 전문 지식은 많은 생체 영상 시설에서 쉽게 사용할 수 없는 경우가 많습니다. 즉, AOM 솔루션은 일부 현미경 공급업체에서 통합 솔루션으로 상업적 이용이 가능합니다.

2017년에 Coherent는 사용자와 현미경 업계 모두 AOM 변조와 레이저 소스를 통합하는 턴키 솔루션으로 이점을 누릴 것임을 인식했습니다. Coherent는 산업용 초고속 가공 레이저의 통합 AOM 솔루션에서 얻은 전문 지식을 바탕으로 Chameleon Discovery 레이저를 위한 완전히 통합된 옵션으로 전체 출력 제어(TPC)를 개발했습니다.

카멜레온 디스커버리 NX에서 사용 가능한 토탈 파워 컨트롤은 핸즈프리 자동 패키지에서 660nm~1320nm 범위의 전체 옥타브 튜닝 영역에 걸쳐 높은 대조비(>1,000:1)와 빠른 변조 속도(상승 시간 미만)를 제공합니다.

향후 트렌드

2광자 이미징 기술이 OEM과 사전 임상 응용 분야에도 폭넓게 적용되면서 단일 파장과 비용이 저렴한 펨토초 소스에 대한 수요가 증가하고 있습니다. Axon 시리즈의 소형 초고속 소스는 이러한 요구 사항을 완벽하게 해결합니다.

제품 개념 단계에서 TPC 기능이 Axon 설계에 통합되어 새로운 현미경 설계 및 응용 분야에 간편하게 배포할 수 있었습니다. 이를 통해 2광자 현미경 시스템이 순수 연구 장비가 아닌 이동식 진단 장치, 임상 장치, 고처리량 스크리닝 장치의 일부인 응용 분야에 대하여 최상의 통합 편의성을 가져오게 된 것입니다.

최첨단 신경과학 연구에서 고출력 레이저가 광유전학적 자극을 이용한 전광학적 생체내 이미징 기술에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다(Yuste, 2012). 수십 와트의 레이저 전력이 공간 광 변조기(SLM)를 통해 수십 개나 수백 개의 뉴런을 개별적으로 처리할 수 있는 개별 빔렛으로 분할됩니다. 이 광학 제어 방법에는 짧고 맞춤 가능한 펄스 버스트가 필요합니다. 코히런트 모나코와 같은 고출력 광섬유 레이저는 모든 광섬유 설계 형식 덕택에 이러한 응용 분야에서 요구하는 유연성을 제공합니다. 그 결과 발생하는 높은 평균 전력, 높은 에너지 레이저 요구 사항, 밀리초 미만의 시간 척도로 자극 빔을 전환해야 하는 필요성이 현재 포켈 셀 기술에 대한 특정 과제를 제시하게 됩니다. 이를 성취할 목적으로 AOM 기술이 정교한 펄스 제어, 단순화된 현미경 설계 및 향상된 이미징 시스템 신뢰성을 위해 Monaco에 완전하게 통합되었습니다.