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ABSTRACT
Over the last three decades, the development of Ti:sapphire femtosecond lasers has led to advancements in scientific and industrial fields. In particular, these advanced lasers show great potential for applications with bio-imaging and medical surgery, such as two-photon microscopy, nonlinear Raman microscopy, optical coherence tomography, and ophthalmic surgery. Herein, we present a detailed description of the theoretical and experimental physics of Kerr-lens mode-locked femtosecond Ti:sapphire lasers and its two-photon microscopy.  
      
KEYWORDS 펨토초 레이저, 근적외선 바이오 영상, 이광자 영상

대한민국 반도체 기술의 비약적인 발전으로 인 해 일반인들에게 ‘나노(Nano)’라는 단어는 이제 익 숙하게 되었지만, ‘펨토(Femto)’라 단어는 아직 생소하다. 하지만, 빛을 연구하는 광학 분야에서 ‘펨토’라는 단어는 아주 중요하다. 알하이삼(Ibn al-Haytham)1)이 빛을 처음 연구한 지 1,000년이 지난 현재 빛을 이용한 광학 기술은 반도체, 디스플 레이, 초고속 광통신, 군사용 무기, 의료용 치료 및 진단 장비 등 많은 분야에서 대한민국 산업의 성장 동력이 되고 있다. 그 중 레이저는 앞서 소개한 분 야의 기본적인 도구 또는 부품으로 사용되고 있으며, 최근 들어 초정밀, 초미세, 초진단 등의 극한의 물리환경에서 요구되는 산업 환경이 늘어나면서, 본격적으로 펨토초 레이저가 기존의 일반 레이저 대신 쓰이기 시작했다. 레이저(Laser)는 유도방출 광선증폭(Light Amplication by the Stimulated Emission of Radiation)의 앞 글자를 딴 글자이며, 펨토초 레이저는 1,000조분의 1초 펄스폭을 가지는 펄스를 발진하는 레이저를 뜻한다.
펨토초 레이저는 1974년 미국의 벨(Bell) 연구소 소속의 Shank와 Ippen이 색소(Dye) 레이저를 이용하여 펨토초 펄스를 처음 생성하고, 모드잠 김(Mode-locking) 기술을 소개하였는데[1], 이는 1960년 메이먼(T.H. Maiman)이 처음 루비 레이저 (Ruby Laser)를 발명한 후 불과 14년만의 일이었다 (그림 1[2] 참고).
그 후 1991년 아르곤(Argon) 이온 레이저로 펌핑 된 고체(티타늄-사파이어) 레이저 기반의 모드잠 김 펨토초 레이저(Mode-locked Femtosecond Laser) 가 처음 발표되고[3], 이때부터 모드잠김 기술에 대한 다양한 연구결과들이 계속해서 발표되었다 [4]. 특히, 모드잠김 기술은 1980년대부터 비약적 인 발전을 이룬 다이오드 레이저와 결합하여, 기 존의 색소와 기체 레이저의 단점(높은 비용, 주기적 교체, 유해물질)을 대체하는 다이오드 기반의 Nd:YVO4 레이저(고체 타입)를 펌프 광원으로 사용 하게 되면서 본격적으로 기초과학 분야에 폭넓게 사용되기 시작했다.
그로부터 8년 후 펨토초 레이저를 이용하여 펨토화학 연구로 1999년 Zewail가 노벨화학상을 수상하고, 2005년 초정밀 분광 연구로 J.L. Hall과 T.W. Hansch가 노벨물리학상, 그리고 2018년 펨토초 레 이저 증폭 원리 연구로 D. Strickland와 G. Mourou 가 노벨물리학상을 수상하면서, “펨토”라는 단어 가 대중에게 조금씩 알려지기 시작했다.
앞서 언급한 고체 펨토초 레이저의 등장은 다이 오드 레이저 기술의 발전에 앞서, 1982년 MIT 링컨 연구소(MIT Lincoln Laboratory)에서 분광연구용으로 개발한 파장 가변 티타늄-사파이어(Ti:sap- phire, Ti:Al2O3) 레이저 개발 때문이다. 1986년 같은 실험실의 Moulton에 의해 티타늄-사파이어 크 리스털의 분광학적 특성 연구 결과(넓은 이득 밴 드대역)가 발표되면서[5], 티타늄-사파이어 크리스털은 1990년대 고체 펨토초 펄스 생성의 중요한 이득 매질이 된다. 그 이후 다양한 이득 매질(Cr:YAG, Cr:forsterite, Cr:LiSAF)과 광섬유 매질 (Yb:fiber, Er:fiber, etc)을 이용한 여러 종류의 펨토 초 레이저가 개발되면서, 이를 이용한 다양한 펨토 산업 시장이 형성되게 된다. 다만, 본고에서는 티타늄-사파이어 펨토초 레이저 개발과 이의 이광자 바이오 영상 기술에 한정해서 검토해 보도록 한다.

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출처 : 한국전자통신연구원 전자통신동향분석 통권 192호 Vol.36 No.5