비선형 이미지 콘트라스트 강화를 위한 광 결맞음 현미경 개발

Abstract

[한글]본 연구는 입사된 광이 생체 조직과 반응하여 시료의 구조 선택적 또는 분자 선택적인 신호를 발생시키는 비선형광학 현상을 이해하고, 이를 광결맞음 단층촬영법의 신호 획득 기술에 결합하여 두 가지의 새로운 비선형 광결맞음 현미경을 설계·제작 하였다.

첫번째, 중심 대칭성이 없는 시료 또는 환경 제약 조건을 만족하는 복굴절 매질, 규칙적 배열 구조 등에서 높은 첨두 출력을 가진 레이저에 의해 발생되는 이차 하모닉 신호를 이용해 이차 하모닉 광결맞은 현미경(Second harmonic Optical coherence microscopy: SH OCM)을 구성하였다. 제작된 현미경은 약 0.53㎛의 횡축 해상도를 가지고 있으며, 깊이 방향에 대한 영상 정보를 일반 현미경보다 약 40% 이상 더 획득할 수 있다. 본 시스템을 이용하여 BBO 크리스탈의 표면 영상 및 결정체 모양을 영상화하였고, 마지막으로 생물학적 시료인 쥐 꼬리 근(rat tendon)에 존재하는 콜라겐 섬유에서 발생하는 이차 하모닉 신호를 이용하여 영상화 하였다.

두 번째, 관찰 시료에 대한 확실한 분자 선택성 또는 물리화학적 구조 특성을 제공해 주는 간섭성 반스톡스 라만 산란 신호를 이용하여 광결맞음 현미경(Coherent anti-Stokes Raman Scattering Optical coherent microscopy: CARS OCM)을 구성하였다. 제작된 시스템을 이용하여 시료에서 발생된 간섭성 반스톡스 라만 산란 신호 중 뒤로 나오는 신호를 가지고 영상화 하였다.

[영문]The objective of this study is to understand mechanism in nonlinear optical signal such as SHG and CARS while interacting between laser light and biological specimen. In this study, we propose and present new methods to achieve enhanced OCM which combines nonlinear microscopy with a low-coherence interferometry to achieve a good lateral and axial resolution.

First, SHG signals provide unique information regarding sample structure symmetry because signals strongly depend on the orientation, polarization and local symmetry properties of molecules. The lateral resolution of developed SH OCM is about 0.53㎛. SH OCM can not only render a 3D imaging without a pin hole but also obtain considerably deeper penetration than a conventional confocal microscopy. We obtained SH-OCM images of rat tendons and then showed that the penetration depth of the SH-OCM is significantly deep as compared to that of the SH microscope. The SH-OCM provides a powerful contrast mechanism in nonlinear optical microscopy and is a highly potential imaging tool for studying tissue physiology and monitoring collagen modification.

Second, CARS is a vibrational spectroscopy technique that has found recent application in nonlinear microscopy. The molecular selectivity of CARS has motivated its use as a molecular contrast mechanism for microscopy. Using CARS OCM, we tried to take images of polystyrene beads with pure back scattered CARS signals.