JP2002528744A - 非原子粒子のレーザガイドされる操作 - Google Patents

非原子粒子のレーザガイドされる操作

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JP2002528744A JP2000577509A JP2000577509A JP2002528744A JP 2002528744 A JP2002528744 A JP 2002528744A JP 2000577509 A JP2000577509 A JP 2000577509A JP 2000577509 A JP2000577509 A JP 2000577509A JP 2002528744 A JP2002528744 A JP 2002528744A
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デビッド・ジェイ・オッデ
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    • H01L2924/19043—Component type being a resistor

Abstract

(57)【要約】 中空コア光学繊維の中空領域に非原子サイズの粒子を光学的に捕捉するレーザ光を用いる方法および装置が、開示されている。また、長い距離にわたって光学繊維に沿って捉えられた粒子を柔軟に移送する方法および装置が、記述されている。この発明は、光学繊維に沿って生化学的な組織およびエアロゾールを含む広い範囲にわたる種々の物質からなる粒子を操作して導き、種々の基板上に粒子を付着させることを可能にする。レーザガイド装置は、レーザ光束を発生させるレーザ光源を備えており、このレーザ光束は、焦点調節レンズによって中空コア光学繊維の入射端に導かれる。光学繊維を通過するように導かれる粒子の供給源は、光学繊維の入射端付近に所定の数の粒子を供給する。次いで、粒子は焦点調節されたレーザ光束によって光学繊維の中空コアに引き込まれ、光学繊維内をかすめ入射路に沿って伝えられる。粒子によるレーザ光の拡散、吸収および屈折によりレーザによって生じさせられた光学力は、光学繊維の中心付近で粒子を捕捉し、これを光学繊維に沿って進ませる。固体誘電体、半導体および固体粒子ならびに溶剤液滴を含むいかなるミクロンサイズの物質も、これらの光学力の発揮による正味の効果によって、レーザ光束内に捕捉されて光学繊維に沿って移送される。光学繊維の所定長を搬送された後、粒子は、必要な基板上に付着させられるかあるいは分析室内に導かれ、または、特定のアプリケーションの目的に従って処理される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的には、光ガイドの分野に関する。さらに詳しくは、この発
明は、レーザ光束内に非原子粒子を拘束してレーザ光束内に拘束された粒子を中
空コアの光学繊維に導く方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子サイズ粒子の放射圧ベースの移送が、このような粒子の高精度の非機械的
な操作を達成するために使われてきた。光束内に配置された原子は、光学的な周
波数における原子の分極率に依存して高い強度の領域から引き付けられたり、追
い払われたりする。特に、非原子粒子のレーザガイドは、レーザ光束内の粒子の
拘束や必要なやり方でレーザ光束内に粒子の拘束を可能にする力を発生する光の
偏向や分散から生じる光学力を利用している。このような光学力の存在は、多数
の光学的なトラップに使われてきた。例えば、光学的なピンセットが、正確に焦
点調節された高出力レーザ光束の焦点付近において誘電体粒子の捕捉を可能にす
るとともにウイルス、バクテリア、微生物、血球および植物細胞、および、染色
体のような生化学的な粒子を操作するために使われている。光学的なピンセット
は、水媒体中の小さな粒子の操作を使用者に可能にするが、空気中での操作はで
きない。原子のための光学的なトラップは、捕捉された原子の超低温衝突や集団
効果の研究において使われている。
【０００３】 正確に焦点調節されたレーザ光束内に原子を捕捉し、レーザ光束とともに原子
を移送する最も知られている技術は、この捕捉がレーザの焦点付近の小さな領域
のみで行なわれるという限界を有している。結果として、光学的なトラップを用
いる撮像および検出装置が、サンプル室の周囲に構成されなければならず、これ
は、しばしば、装置における室の大きさを制限する。粒子の捕捉と移送は室の内
部で行われるので、このような撮像および検出装置は、レーザ光束が室の外から
調節されることを必要とする。その上、一般的には、室内のバックグラウンド媒
体が乱れたり、対流を生じたりするので、光学的トラッピング力が、レーザ光束
内で粒子を捉えるのに十分ではない。その上、光学的なピンセット方法および装
置においては、ほとんど透明な粒子のみが、レーザ光束内の粒子に働く軸方向の
力が光束内の粒子を捕捉できるという光学的な特性を備えている。
【０００４】 もっと長い距離にわたって種々の媒体を介して粒子を操作するやり方を改善し
、および、一つの真空システムから他の真空システムに低温の粒子を移送するた
めに、中空コア光学繊維を介して原子を導く技術が、考案された。光学繊維にガ
イドされる原子は、やはり光学繊維内をガイドされる光によって光学繊維の内面
から偏向される。光学繊維内をガイドされたレーザ光によって引き起こされる光
学的な力は、中空コア光学繊維の内壁から原子を反射させるのに使える。このよ
うな設定において、レーザ光は、最低次元のかすめ入射モードに接続され、レー
ザ周波数は、赤側に転換され、従って、原子は、光学繊維の中心において高強度
領域に引き付けられる。この通路の光学繊維内をガイドされた原子は、横断面方
向に損失のない振動と軸方向に制限のない運動を受けることになる。
【０００５】 光学繊維内に粒子を導く方法は供給源から必要な目標まで粒子を操作して移送
する手段の開発が進歩のステップであったが、この方法の根本的な限界は、操作
される粒子の原子サイズであった。原子サイズのために、ガイドを行なうレーザ
光束の波長は原子遷移の波長に近くなければならないので、それ自身の操作は真
空中のみにおいて実行可能であり、従って、特別な真空室を必要とした。原子粒
子それ自身の移送は、広い範囲にわたる物質からなる原子の操作および移送をほ
とんど不可能にし、数種類の物質に限定される。ナノ製造処理（ナノメータサイ
ズの構成を形成して原子をガイドして精密にそれらを基板上に位置決めする）に
おいて、原子を用いての処理は、すべての産業的に適用化可能な技術に望ましい
大きな処理量の達成を可能にしない。
【０００６】 従って、顕微鏡的な（非原子的な）粒子を直線のおよび湾曲した軌跡に沿って
適切な媒体を通過して操作して導く方法および装置の提供に対するニーズがある
。また、非真空環境において広い範囲にわたる物質の粒子をガイドして様々な種
類と形状の基板上に粒子を付着させることができる導く方法および装置の提供が
望まれている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述のニーズに取り組み、列挙された問題を解決するために、この発明は、非
接触、非機械的な原子、クラスタおよびミクロンサイズの粒子に対する粒子ガイ
ドを開発することを目的とする。この発明は、粒子を中空コア光学繊維の中空領
域内に光学的に捕捉し、これらを長い距離にわたって光学繊維に沿って柔軟に移
送するレーザ光を用いる方法および装置を提供しようとするものである。
【０００８】 この発明のその他の目的は、光学繊維に沿って必要な目的部分に生化学的な粒
子およびエアゾール粒子を含む広い範囲にわたる粒子を導く技術を提供しようと
するものである。
【０００９】 この発明のさらに他の目的は、製造目的上好ましい環境である、不活性ガス環
境を含む自然の、水中のおよび気体中の環境において粒子を導く方法および装置
を提供しようとするものである。
【００１０】 この発明の目的は、また、供給源バックグラウンドから粒子を抽出した後に中
空コア光学繊維内でのレーザガイダンス方法によって液体粒子および固体粒子を
基板上に供給するものであり、使用者に、半導体、プラスチックス、金属および
合金、セラミックスおよびガラスを含む実質的には無制限の種々の基板上に、例
えば、電気回路およびマイクロメカニカルな装置のようなミクロンサイズの表面
構造の製造を可能にするものである。このような基板に付着させられた粒子は、
金属および合金、半導体、プラスチックス、ガラス、化学的な液滴および溶解物
質あるいはコロイド状粒子の液滴であることができる。
【００１１】 この発明の目的は、また、顕微鏡的な粒子の非接触の、非機械的な操作のため
に光学繊維粒子ガイドを使用することにある。粒子は、組織内において生化学的
な粒子であるバクテリア、ウイルス、遺伝子、たんぱく質、細胞、および、ＤＮ
Ａ高分子を含む。粒子は、また、ガラスのような非有機質、ポリマ、および、液
滴であることができる。
【００１２】 この発明のその他の目的は、光学繊維の長さ方向における任意の場所に非原子
粒子を光学繊維内に捕捉してこれらを制御するとともに操作する方法の提供にあ
る。
【００１３】 特に、レーザガイド装置は、焦点調節レンズによって中空コア光学繊維の入射
端に導かれるレーザ光束を発生させるレーザ光源を備えている。光学繊維を通過
するように導かれる粒子の供給源は、光学繊維の入射端付近において所定数の粒
子を供給する。粒子は、次いで、焦点調節されたレーザ光束によって光学繊維の
中空のコアに引き込まれ、光学繊維内をかすめ入射路に沿って伝えられる。粒子
によるレーザ光の拡散、吸収および屈折によりレーザによって生じさせられた光
学力は、光学繊維の中心付近で粒子を捕捉し、これを光学繊維に沿って進ませる
。固体誘電体、半導体および固体粒子ならびに溶剤液滴を含むいかなるミクロン
サイズの物質も、これらの光学力の発揮による正味の効果によって、レーザ光束
内に捕捉されて光学繊維に沿って移送される。光学繊維の所定長を搬送された後
、粒子は、必要な基板上に付着させられるかあるいは分析室内に導かれ、または
、特定のアプリケーションの目的に従って処理される。
【００１４】 この発明のその他の実施例において、粒子操作の同じ原理が、中空コア光学繊
維内部に粒子を浮揚させる目的で使うことができる。このような装置において、
正確に焦点調節されたレーザ光束に捕捉された粒子あるいは液滴は、上下方向に
配置された光学繊維内に引き込まれる。光学繊維の所定の距離において、推進軸
方向光学力が、粒子に働く重力によってバランスされる。このような力のバラン
スが、バランス位置における粒子浮揚を生じさせ、推進力の大きさの評価を可能
にする。同様に、粒子が光学繊維の両端から入射する２本のレーザ光束によって
水平に配置された光学繊維に捕捉されたときは、粒子は、光学繊維内部の或るバ
ランス位置に浮揚し、そこでは、レーザ強度の変化が、光学繊維の中心に粒子を
拘束している力の大きさの評価を可能にする。
【００１５】 光学繊維を介して基板上に粒子を導くことによって、必要な形状を備えたミク
ロンサイズの構成が、ミクロンサイズの粒子の直接付着によって製造される。こ
のような構成は連続的な粒子の補給の継続により作られるが、このような粒子は
、粒子の空中溶解と、これに引き続く基板上への溶融液滴の癒着、固体粒子と液
体先駆物質の同時付着を含むような種々の技術によって基板上に一体的に溶着で
き、その際液体が、レーザ加熱により固体粒子、液体先駆物質の基板上への癒着
と引き続く分解における隙間を充填するように働いてレーザによる付着物質の燒
結あるいは化学的な結合により基板上に最終製品を形成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の以下に行なわれる説明は、添付の図面に従って実行され、この発明
を実施する特定の好ましい実施例が、説明のために示される。それらの説明は、
当該技術に通常の知識を備えた者であれば、この発明を実施できるような詳細に
わたるものであり、その他の実施例を用いることも、論理的、機械的、化学的お
よび電気的な変更を加え得ることも、この発明の要旨および技術的な範囲を逸脱
することなく行ない得ることは明らかであろう。従って、以下の詳細な説明は、
発明を限定するものではなく、この発明の要旨は、添付の特許請求の範囲にのみ
定められている。
【００１７】 光学力は、粒子／環境インターフェースにおける光の反射と屈折により発生さ
れる。粒子サイズが入射光の波長に比較して大きいときは、粒子に働く力は、幾
何学的な光線近似で説明できる。図１において、レーザ光束からの単一のレーザ
光線１０は、周囲の媒体の屈折率ｎmよりも大きな屈折率ｎsを備えた球体１２に
衝突するように描かれている。この実施例において、球体１２は、光学的に透明
な物質により構成された、従って、光線１０に対して光学的に透明な誘電体球体
である。インターフェース１４に入射すると、光線１０は、このインターフェー
スにおいて部分的な反射と屈折を受ける。インターフェース１４において反射さ
れる入射光線１０の一部分は、放射圧として周知である。まず、光線１０の一部
分は、光線１０が入射点１６において球体１２に入射するとき、反射されて球体
１２の面に直交するとともに球体の中心に向かって導かれる放射圧Ｆ2を発生さ
せる。第２に、光線１０が射出点１８において球体１２を射出するとき、やはり
球体１２の面に直交するが外側に向かう放射圧Ｆ4を発生させる。光線が点１６
および１８において球体を出入するとき、球体１２の面において屈折される光線
１０の部分は、力Ｆ1およびＦ4を発生させる。力Ｆ1は、球体１２の内部に伝え
られる屈折光１０の方向に直交する。同様に、力Ｆ3は、球体を射出した後球体
１２の外側に伝えられる再度屈折される光線１０の方向に直交する。力Ｆ1−Ｆ4 の和は、球体内部の複数回の反射により生じる力に加えて、光線１０から球体１
２に働く総合的な力を与える。
【００１８】 球体１２に入射するすべての生じうる光線によって与えられる総合的な力が演
算されて加算されると、この和は、二つの正味の力を生じる。最初の正味の力は
、レーザ強度の増加する径方向に向かって働く拘束力（グラジエント力としても
知られる）である。第２の正味の力（放射圧としても知られる）は、レーザ光束
のｚ軸に沿って働いてレーザ伝播の方向に沿って球体１２を推進する結果を生じ
る。結果的に、球体１２にレーザ光束によって与えられる光学力は、レーザ光束
の中心に向けて球体を引っ張るとともに光束の伝播方向に沿って球体を加速する
。この発明において使われる光学繊維を介して非原子粒子を導く機構は、原子を
導く機構とは異なることに気付くことが重要である。特に、光学繊維内で非原子
粒子を拘束するとともに推進する光学力は、図１に関連して説明したような光の
非共鳴拡散に基づいている。これに対して、原子レーザガイダンスは、レーザフ
ィールドと原子間の共鳴反応に基づいている。
【００１９】 放射圧およびグラジエント力のこのような大きさを得るためには、高い強度を
備えたレーザフィールドが必要であり、これは、通常、正確に焦点調節されたレ
ーザ光束によって達成される。結果として、粒子を捕捉して推進するのに十分な
光学力は、光学繊維の中空コアにおけるレーザ光束消費場所付近でのみ生じるこ
とができるのである。光学繊維において、高い強度の領域は、光学繊維の長さ方
向に沿って延び、光学繊維内部における粒子の推進と拘束を与える。レーザ光束
が光学繊維に沿って伝播するとき、光束は発散しないが、光学繊維の長さ方向に
沿って延び、粒子を同じ光学繊維に沿って搬送することを可能にする。
【００２０】 中空光学繊維に対する最低次光学モード結合のラジアルプロファイルは、図２
に示されるようにＸ＝２．４／ρ0であり、ρ0が、光学繊維の中空コア領域３０
の半径であるとき、０次のベッセル関数Ｊ0（ＸＰ）によってうまく表現できる
。最低損失のかすめ入射モードは、以下に与えられるラジアルρおよびアクシャ
ルｚ強度を備えている。
【００２１】 Ｉ（ρ，ｚ）＝Ｉ0[Ｊ0（ＸＰ）]2ｅｘｐ（−ｚ／ｚ0） （１） ここで、Ｉ0は、ρ＝０のときにおけるレーザフィールドの強度である。 ｚ0は、以下によって与えられる減衰長である。
【００２２】 ｚ0＝６．８（ρ0 3／λ2）（[ν2−１]-1/2／[ν2＋１]） （２） ここで、νは、光学繊維壁の屈折率ｎfと中空コア領域における媒体の中空コア
屈折率ｎmとの比であり、λは、中空領域におけるレーザ波長であり、ｚは、光
学繊維開始端からの距離である。式（１）から、レーザフィールドの強度は、ρ
＝０のときにおける光学繊維中心に最大値を有し、ｅｘｐ（−ｚ／ｚ0）のよう
に光学繊維の長さに沿ってゆっくりと小さくなる。減衰長ｚ0は、粒子がガイド
され得る長さの限界を示している。一般的に、ｚ0は、特定の光学繊維形状、レ
ーザ波長、および、光学繊維コアおよび壁の屈折率に対して式（２）を用いるこ
とによって計算される。（２）の評価は、１００ｍまでのガイダンス距離におけ
る実際の限界を与える。
【００２３】 レーザの波長よりも大きな半径を備えた誘電体粒子に与えられる光学力の計算
の実例が、図３に示されており、これは、強度プロファイル計算に対して幾何光
と式(１)を用いる水充填光学繊維入射端付近における７μｍポリスチレン球体（
ｎs＝１．５９）上の軸方向分散の径方向依存と径方向グラジエント力を示すも
のである。実験条件は、直径３．６ｍｍ、２４０ｍｗレーザ光束が、９０％の効
率を持って２０μｍ光学繊維に接続された。図３から明らかなように、グラジエ
ント力４０は、光学繊維の高い強度の中央領域に粒子を引き戻す回復力を示す光
学繊維中心から僅かなずれを有してほとんど直線的に増加している。図３におけ
る軸方向の力４２は、中心から僅かなずれを持ってほとんど一定である。
【００２４】 上述した理論的な根拠と実験結果に示されるように、中空コア光学繊維内部の
強いレーザ光束は適切なプロファイルを備えているので、捕捉された粒子は光学
繊維内の流体によって緩衝され、粒子はレーザ光束内に拘束されて光学繊維の内
壁で跳ね返ることなく光束と共に移送される。このようにして導かれる粒子のサ
イズは、約５０ｎｍから約１０μｍの幅を有することができる。粒子の屈折率が
大きくなればなるほど、この粒子に与えられる光学力は大きくなり、その結果、
このような粒子の操作と移送をさらに容易にする。水滴、ポリスチレン球体の他
に、光学繊維を介して導かれる物質は、０．５Ｗレーザと１７μｍ内径空気充填
光学繊維を用いた約１０ｎｍから約１０μｍの範囲にわたる塩、砂糖、ＫＩ、Ｃ
ｄＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ結晶、ＡｕおよびＡｇ粒子である。図１０の表１にリストア
ップされているのは、種々の基板上でレーザガイダンスにより操作される物質で
ある。ＡｕおよびＡｇのような金属粒子は、例えば、光をよく反射するとともに
吸収は極めて少ないので、比較的大きな金属粒子が、中空の光学繊維に沿って迅
速に移送される。その上、中空のコア光学繊維の使用は広い範囲にわたる粒子の
操作を可能にするとともに多数の物質を移送する非接触で非機械的なやり方を実
質的に使えるので、生体細胞が、液体の環境で光学繊維を介して操作されるとと
もに導かれる。いくつかのタイプの誘電体粒子を導く光学繊維の実施例の結果が
、図８（ｃ）−（ｄ）に示されている。図８における光学繊維の小部分像のそれ
ぞれが、ＣＣＤカメラにより撮像される。図８（ａ）−（ｃ）は、水を充填され
た光学繊維内を導かれるポリスチレン球体のスナップショットである。図８（ｄ
）は、空気を充填された光学繊維内を導かれる粒子の例を示す。図８（ｄ）にお
いて拡散された光のトラックは、２０μｍ直径の光学繊維内における１μｍ水滴
の軌跡を示している。
【００２５】 粒子のレーザによるガイダンスにおける多くのアプリケーションの一つは、面
の直接書き込みパターン化であり、これは、中空コア光学繊維を介して粒子を移
送して移送された粒子を面に付着させるものである。図４に示されるレーザガイ
ダンスおよび面パターン化装置４４において、レーザ光４６は、中空コア光学繊
維５０の中空領域４８に焦点調節され、低い次数のかすめ入射モード内に導かれ
る。噴霧器５４によって発生させられ、光学繊維入射端５６付近に位置させられ
たエアロゾ−ル粒子５２は、光学的グラジエント力および拡散力によって中空領
域４８内に集中され、基板５８に導かれる。最良の結果を得るために、大きな距
離において，光学力は迅速に弱められるとともに粒子を拘束し続けられないので
、基板５８は、通常、光学繊維端部から１０μｍ−３００μｍの距離に配置され
る。
【００２６】 面パターン化に用いられる物質は、通常、液体６０内に溶解されるか懸濁され
ている。この物質は、例えば、チタン酸バリウム（電子技術の分野では共通的な
キャパタシタ材料である）のような結晶基板、あるいは、硝酸銀のような溶解さ
れた先駆物質からなることができ、移送中にレーザ光束内部で加熱されて最終製
品として分解される。多くのその他の物質が、面に向けて移送されて面に付着さ
せられる。エアロゾールミスト６２が噴霧器５４によって発生させられると、こ
のミストは、中空光学繊維５０の入射端５６付近のレーザ光束４６に導かれる。
入射端５６におけるレーザ拡散およびグラジエント力は、エアロゾール粒子５２
をレーザ光束４６の中心に向かって引き付け、それらを光学繊維５０内に押しや
る。エアロゾール粒子が光学繊維５０内を進むと、過剰の溶媒は蒸発し、固体結
晶粒子を後に残す。先駆物質粒子の場合は、レーザ光束内部の加熱は、粒子を分
解させ、例えば、硝酸銀を銀に分解して基板に付着させるように最終製品として
付着を行なう。このような引き付け技術が、一般的に適用でき、広い範囲にわた
る物質をレーザ光束内に引っ張るように使われる。電子技術において実質的に使
われる先駆物質は、入手容易であり、周知である。
【００２７】 光学繊維５０とレーザ光束４６との結合は、ガウス光束使用に対して繊維モー
ド半径を一致させたレンズ６４の助けで達成される。装置４４の実施例の一つに
おいて、２０μｍの内径を備えた光学繊維に対して、０．０５の開口数（ＮＡ）
を備えたレンズが、最低次モードにおいて９０％以上の接続効率を可能にする。
もっと大きな開口数を備えたレンズの使用も可能であり、これらのレンズは、迅
速に減衰する高次のノードを励起する。十分な注意を入射レーザ光束と光学繊維
との角度的な整合に払う必要があり、約１度のミスアライメントが、高次のモー
ドを励起し、導かれた粒子が光学繊維の内壁に衝突することになる。
【００２８】 説明的な実施例である図５において、パターン化実験結果が、上述されるとと
もに図４において示されている装置によってガラスカバースリップ上にダイオー
ドレーザによって導かれるＮａＣｌ結晶について示されている。この例において
、２５０ｍＷ／λ＝８００ｎｍレーザ光束が、２０μｍの内部中空コアを備えた
８ｍｍ長光学繊維に接続されている。（その他の直接書き込み実験の成功例では
、８００ｎｍの波長を備えた４００ｍＷレーザ光束が使われた）。ＮａＣｌ結晶
は、蒸留された水に溶解されて飽和溶液を形成している。溶液の液滴は、噴霧器
によってレーザ光束内に送られる。光学力が粒子サイズの強い関数であり、粒子
サイズの平方で近似される尺度であるので、最大の液滴が、優先的に捕捉されて
光学繊維内に導かれる。液滴が光学繊維に沿って伝わり始めると、液滴中の水分
は、光学繊維内部を約２ｍｍ進んだ後蒸発し、固体のＮａＣｌ結晶が形成され、
残りの光学繊維に沿って導かれてガラスカバースリップに到達する。
【００２９】 図５から明らかなように、最初の二つのパターン（それぞれ、６６および６８
）は、ガラス面（図４におけるような基板５８）に導かれて供給される単一のＮ
ａＣｌ結晶に対応する。その他の三つのパターン（図５における７０、７２およ
び７４）は、多数のＮａＣｌ結晶によって形成される構造的な構成に対応してい
る。それぞれのパターンのスポット径は約５μｍであり、ガイドとなる光学繊維
の２０μｍの直径に対しては非常に小さい。この観察は、径方向の光学力が中空
コアの中心に対して結晶を拘束することを確認するものである。それぞれの結晶
のサイズは、飽和したＮａＣｌ溶液に対して約１μｍであると推定される。基板
上の結晶のサイズは、初期の溶液のＮａＣｌ濃度を下げることによって小さくで
きる。
【００３０】 直接書き込みのその他の実験例は、ＢａＴｉＯ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ａｇ、Ａｌ（Ｎ
Ｏ3）3およびＡｌ2Ｏ3結晶付着のパターンを提供し、それらは、図6（ａ）、６
（ｂ）、６（ｃ）、６（ｄ）および６（ｅ）にそれぞれ示されている。図6（ａ
）−６（ｅ）の結晶の直線は、付着中に種々のマイクロメータ移動速度で引かれ
る。ＢａＴｉＯ3結晶は、１Ｗ／５３２ｎｍレーザによって導かれるとともに１
４μｍ直径４ｍｍ長の光学繊維に沿って移送される。
【００３１】 基板５８上に光学繊維５０に沿って粒子を導くことにより（図4参照）、必要
な形状のミクロンサイズの構成が製造される。上述したように、ナア製造と呼ば
れるナノメータサイズ粒子の直接付着が、基板上に１００ｎｍを下回る構成の形
成を可能にし、これは、現在写真製版処理によって達成可能な最小の構成である
。このような構成は、粒子の連続的な供給により形成されるので、粒子の空中溶
解と、これに引き続く基板上への溶融液滴の癒着、固体粒子と液体先駆物質の同
時付着を含むような種々の技術によって基板上に一体的に溶着でき、その際液体
が、レーザ加熱により固体粒子、液体先駆物質の基板上への癒着と引き続く分解
における隙間を充填するように働いてレーザによる付着物質の燒結あるいは化学
的な結合により基板上に最終製品を形成する。構造的な特徴が、金属、半導体、
および、絶縁体のような広い範囲にわたる物質について構成できる。図１０にお
ける表1は、中空レーザガイダンスにより操作される種々のタイプの物質と、基
板およびその直線的な寸法を示すものである。
【００３２】 この発明はミクロン以下のサイズの面構成を作り出すことができるので、回路
板プリント処理へのこの発明の展開は、電気回路の密度を高める。回路は、上述
したようなプラスチックス、金属、セラミックス、および、半導体のような高能
率の基板上に付着できる。レーザにガイドされる直接書き込みのその他の応用は
、基板の形状に適合した回路構成を可能にする任意の形状の基板への直接書き込
みである。ミクロンサイズの構造体へのこのような直接書き込みは、独特の識別
マーカの書き込みに使用でき、急速に成長しているマイクロエレクトロメカニカ
ルシステム産業における試作マイクロメカニカルデバイスにも使われている。そ
の上、直接書き込み技術は実質的に制限のない種々の基板への電気回路の書き込
みに使えるので、この技術を使える製品は、無線通信装置、「スマート」クレジ
ットカード、生化学的な移植組織に埋め込まれた回路を含んでいる。
【００３３】 高密度で連続的なミクロンサイズパターンを要求される電気回路製造は、この
発明による直接書き込みレーザガイダンス方法により実現される。例えば、粒子
はレーザ移送中に溶解することができるので、基板に対して一体的に流れる溶解
された粒子は、完全に高密度のパターンとして基板に付着させられる。光学繊維
入射端付近の高いレーザ強度（１０12ｗ／ｍ2）は、レーザ光吸収によりほとん
どの物質を溶解させることができる。金属や合金のような吸収性の高い物質は、
光学繊維入射端の最初の１０μｍ内において低い照度（１００ｍＷ）で溶ける。
透明ガラスやセラミックスのような吸収の低い物質の溶解は、その物質が吸収す
る波長を備えたレーザ光束あるいはより強力なレーザ光束のいずれかを必要とす
る。図4の装置において、光学繊維５０の長さあるいは光学的な接続モードが調
節され、入って来る粒子は、光学繊維入射端５６において溶解されるが、光学繊
維射出端５９におけるレーザ強度は基板５８の温度を小さくするように十分に低
いものである。このような低い励起強度は、ガイドを行なう光学繊維の長さと直
径の適切な選択により達成できる。
【００３４】 基板上に物質を付着させるその他の方法は、付着への先駆物質の使用である。
先駆物質とは、熱的にあるいは化学的に分解されて必要な最終製品を生み出すこ
とができる物質を意味している。この発明によるレーザ物質付着方法において、
必要な製品は、基板上に付着される物質である。例えば、硝酸銀は、水に溶ける
塩である。従って、光学繊維内部に硝酸銀の液滴を導くレーザは、レーザ光束に
拘束された液滴を加熱して最終的な物質、銀、を生み出し、これは、次いで、基
板に付着させられる。あるいは、液滴の加熱が、べつの入手できる手段によって
行なわれても良い。硝酸インジウムの加熱と溶解が、先駆物質を用いたレーザ付
着のその他の実施例である。光学繊維内部におけるレーザ光束内での硝酸インジ
ウムの加熱と溶解分解物は、透明な半導体、酸化インジウムである。
【００３５】 基板上に必要な物質を付着させるさらにその他のやり方は、レーザガイダンス
と付着を用いた必要な物質の小さな固体粒子を移送する液滴の使用である。移送
中、液滴は、小さな固体粒子を残して蒸発し、この固体粒子は、次いで、基板に
付着させられる。多くの場合、最終的に必要な物質そのものではなくて、先駆物
質を導いて付着させる方がより容易である。
【００３６】 図4における装置４４が根拠にしているのと同一の原理が、個々の結晶をレー
ザ浮揚させるための装置および方法を提供するように使える。粒子が図４に示さ
れるような上下方向に配置された光学繊維５０に沿って導かれるとき、重力が、
粒子を下方に吸引し、軸方向の光学力が、光学繊維の長さ方向上方に粒子を吸引
する。この軸方向の力は光学繊維に沿って距離と共に小さくなるので、二つの力
が最終的に互いにバランスし、粒子は、バランスされた高さにおいて浮揚してい
る。このようなバランス位置において、粒子を上方に押し上げる軸方向の力の大
きさは粒子を下方に引っ張っている重力の大きさと等しいので、装置４４は、重
力の大きさを計算することが困難ではないので、軸方向の力の測定装置として機
能することができる。
【００３７】 図7（ａ）−（ｄ）のスナップショットは、空気充填された光学繊維の５ｍｍ
の湾曲部分内における５μｍの水滴の浮揚を示すものである。２４０ｍＷ／８０
０ｎｍレーザ光束が、最低損失モードにおいて９０％の効率で接続されている。
光学的な顕微鏡により評価された５μｍの水滴は、液滴の霧の中からレーザ光束
によって光学繊維内に導かれる。図7（ａ）−（ｄ）の液滴からの拡散光は、光
学繊維を通過する液滴として裸眼で容易に観察できる。
【００３８】 レーザ浮揚装置のその他の実施例が、図8に示されている。この実施例におい
て、レーザ光束８０と８２は、光学繊維８８の両端８４と８６からそれぞれ入射
する。これらのレーザ光束８０と８２から光学繊維８８の中空コア９２内部にお
いて粒子９０に与えられる軸方向の力は、反対の向きを備えるので、光学繊維の
内部のバランス点において打ち消し合う。同じ点において、中空コア９２の中心
に対して粒子９０を拘束する力が、大きさを倍にする。レーザ強度を小さくする
ことによって、粒子９０は、中空コア９２の下方部分に向かう重力によって下方
に引っ張られる。重力は容易に計算できるので、粒子を下方に移動させる測定は
、径方向の拘束力の大きさを与える。図８に示されているような種類のレーザ捕
捉装置は、液体、塩、ガラス、および、金属を粒子の動的な振舞いと拡散を観察
しつつ、液体、塩、ガラス、および、金属を捕捉するために数時間で構築され、
テストされる。この捕捉装置において液滴を混合することによって、化学的な反
応が、混合処理中に観察される。このような装置は、液滴を装置内で化学反応さ
せつつ、レーザ光束内に拘束される液滴を癒着させるか加熱して液滴を混合して
化学的な液滴の容器レス処理を行なうことができる。
【００３９】 ２光束レーザ捕捉装置のその他のアプリケーションは、図９にその概略を示す
捕捉された粒子の発光スペクトルを記録する装置１００である。捕捉装置は、光
学繊維９８の両端９４と９６に導かれるレーザ光束９０と９２によって形成され
る。光学繊維９８のわずかに内部の点において、レーザ光束９０と９２からの光
学的な拡散がバランスし、レーザフィールドが、光学繊維内部で粒子を拘束する
とともに加熱する。レーザ光束９０と９２は、供給源９１によって発生させられ
たレーザ光束を分割するビームスプリッタ９３によって形成される。捕捉された
粒子の光学的な発光スペクトルが、次いで、分光計９９により記録される。装置
１００は、粒子を溶解する条件を決定するとともに操作することにより基板に対
して粒子の高密度書き込みおよび接着を制御しつつ、行なうことができる優れた
機器である。この溶解のための条件は、粒子の放射から粒子の温度を測定するこ
とにより、および、材質、粒子サイズ、レーザパワー、および、光学繊維のサイ
ズに基づいた温度測定により決定することができる。固相および液相間における
粒子の位相の転移は、光学的な拡散パターンの変化から定めることができる。粒
子の発光スペクトルおよび拡散パターンの組み合わせによる使用は、溶解温度お
よびこの直接レーザ書き込みを制御する条件を厳密に決定する。
【００４０】 特定の実施例が図示されて説明されたが、同じ目的を達成するために計算され
たいかなる構成も図示され説明された特定の実施例と置換し得るものであること
は、当該技術に通常に知識を備えた者には自明のことであろう。従って、この出
願は、この発明のいかなる応用も変形も包含するものである。従って、この発明
は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図１は、粒子に加えられる光学力の概略図である。
【図2】 中空コア光学繊維の前面図である。
【図3】 照射位置による光学力の依存性を示すグラフである。
【図4】 レーザガイダンス装置の概略図である。
【図５】 ＮａＣｌパターン例の顕微鏡写真である。
【図６】 ＢａＴｉＯ3、Ｉｎ2Ｏ３、Ａｇ、Ａｌ（ＮＯ3）3、および、Ａｌ2Ｏ3のそれの
結晶付着を示す顕微鏡写真である。
【図７】 空気の充填された光学繊維の湾曲部分内における水滴の浮揚を示すスナップシ
ョットである。
【図８】 ２レーザ捕捉装置の概略図である。
【図９】 ２レーザ捕捉装置のその他の実施例における概略図である。
【図１０】 種々の基板上でレーザガイダンスにより操作される物質をリストアップした表
である。
【符号の説明】
請求項に該当する符号なし
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｓ Ｌ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (71)出願人 デビッド・ジェイ・オッデ アメリカ合衆国ミネソタ州55412，ニュー ブライトン，シルバー・レーン 2200，ナ ンバー302 (71)出願人 ロバート・エル・パステル アメリカ合衆国ミシガン州49931，ホート ン，ウッドマー・ドライブ 2109エフ (72)発明者 マイケル・ジェイ・レーン アメリカ合衆国ニューメキシコ州87109， アルバカーキー，ノースイースト，マカラ ン・ロード 9634 (72)発明者 デビッド・ジェイ・オッデ アメリカ合衆国ミネソタ州55412，ニュー ブライトン，シルバー・レーン 2200，ナ ンバー302 (72)発明者 ロバート・エル・パステル アメリカ合衆国ミシガン州49931，ホート ン，ウッドマー・ドライブ 2109エフ Ｆターム(参考） 2H052 AF19 4G075 AA27 AA61 BB10 BD01 CA36 DA02 EB32 EB34 EC30 FC04 5F072 LL17 YY20 【要約の続き】 むいかなるミクロンサイズの物質も、これらの光学力の 発揮による正味の効果によって、レーザ光束内に捕捉さ れて光学繊維に沿って移送される。光学繊維の所定長を 搬送された後、粒子は、必要な基板上に付着させられる かあるいは分析室内に導かれ、または、特定のアプリケ ーションの目的に従って処理される。

Claims (42)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光束内部に拘束された一つあるいはそれ以上の非原
    子粒子を導く方法において、 前記レーザ光束内部に前記粒子を拘束し、光学的な導体の中空部分に前記レー
    ザ光束を導き、 その際前記レーザ光束内部に拘束された前記粒子が、前記レーザ光束により導
    かれて前記中空部分内部を伝えられるようにした方法。
  2. 【請求項２】 さらに、前記レーザ光束内部に前記粒子を拘束する前に前
    記粒子の供給源を設けるようにした特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  3. 【請求項３】 さらに、前記レーザ光束内部に前記粒子を拘束する前に前
    記レーザ光束を焦点調節する光学系を設けるようにした特許請求の範囲第１項に
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記光学的な導体の前記中空部分を導く工程が、光学繊維
    のチャンネルを通過するように前記光束を導く工程を含むようにした特許請求の
    範囲第１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記レーザ光束を導く工程が、前記中空部分に前記光束を
    接続し、前記光束が、前記光学的な導体の長手方向軸にほぼ沿って前記中空部分
    を伝わるようにした工程を含むようにした特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記中空部分が、気体あるいは液体で充填されているよう
    にした特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 一つあるいはそれ以上の粒子が、液体あるいは固体である
    ようにした特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  8. 【請求項８】 一つあるいはそれ以上の粒子が、単一の物質により構成さ
    れているようにした特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  9. 【請求項９】 一つあるいはそれ以上の粒子が、二つ以上の物質により構
    成されているようにした特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記粒子の直線的なサイズが、約１０ｎｍ以上であるよ
    うにした特許請求の範囲第１項に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 基板上に粒子を付着させる方法において、 レーザ光束の波長よりも大きなサイズを備えた粒子を前記レーザ光束の内部に
    拘束し、 前記レーザ光束を光学的な導体の貫通チャンネルに導き、 前記チャンネル内に前記粒子を移送して前記レーザ光束により前記チャンネル
    に沿って伝播させ、および、 前記レーザ光束を前記チャンネルから射出させて前記粒子を基板上に付着させ
    るようにした方法。
  12. 【請求項１２】 さらに、前記基板上に付着する前記粒子を発生させる供
    給源を設けるようにした特許請求の範囲第１１項に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 さらに、特許請求の範囲第８項に記載の工程に、複数の
    粒子を前記基板上に付着する工程を加えた特許請求の範囲第１１項に記載の方法
    。
  14. 【請求項１４】 さらに、前記基板上の異なる場所に前記粒子の付着がで
    きるように前記基板を移動させるようにした特許請求の範囲第１３項に記載の方
    法。
  15. 【請求項１５】 前記レーザ光束を前記チャンネルから射出させるととも
    に前記粒子を前記基板上に付着させる工程が、前記基板上の所定の場所に前記粒
    子を付着させる工程を含むようにした特許請求の範囲第１１項に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 物質を基板上に付着させる方法において、 前記物質を含む溶液を提供する工程と、 貫通チャンネルを備えた光学的な導体の第１の開口付近で前記溶液の少なくと
    も一部分を前記物質の複数の非原子液滴に変換する工程と、 レーザ光束を前記第１の開口方向に導きつつ、前記液滴を前記レーザ光束内部
    に拘束する工程と、 前記第１の開口と前記光学的な導体における第２の開口との間に前記液滴と共
    に前記レーザ光束を伝えることによって前記第１の開口から前記第２の開口に前
    記貫通チャンネル内部に前記液滴を移送する工程と、および、 前記レーザ光束が前記光学的な導体の前記第２の開口を射出した後に前記基板
    上に前記物質の前記液滴を付着させるようにした方法。
  17. 【請求項１７】 前記基板が、金属、合金、絶縁体、半導体、ポリマ、お
    よび、生化学物質からなるグループから選択されるようにした特許請求の範囲第
    １６項に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記物質が、金属、合金、誘電体、半導体、液体、およ
    び、生化学物質からなるグループから選択されるようにした特許請求の範囲第１
    ６項に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記液滴サイズが、約１０ｎｍよりも大きいようにした
    特許請求の範囲第１６項に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 物質を基板に付着させる方法において、 一つあるいはそれ以上の粒子を提供する工程と、 第１の開口に向けてレーザ光束を導き、一つあるいはそれ以上の粒子を前記レ
    ーザ光束の内部に拘束する工程と、 貫通チャンネルにおける前記第１の開口と前記光学的な導体における第２の開
    口との間に前記拘束された一つあるいはそれ以上の粒子と共に前記レーザ光束を
    伝えて前記第１の開口から前記第２の開口に貫通チャンネル内部を一つあるいは
    それ以上の粒子を移送する工程と、 貫通チャンネル内部にそれらを移送しつつ、一つあるいはそれ以上の粒子を処
    理して付着のために前記物質を用意する工程と、および、 前記レーザ光束が前記光学的な導体の第２の開口から射出した後、前記物質を
    前記基板上に付着させる工程とを備える方法。
  21. 【請求項２１】 一つあるいはそれ以上の粒子の処理が、化学的あるいは
    熱的な処理を含んでいるようにした特許請求の範囲第２０項に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 一つあるいはそれ以上の粒子を設けることが、一つある
    いはそれ以上の液滴を設けることであるようにした特許請求の範囲第２０項に記
    載の方法。
  23. 【請求項２３】 一つあるいはそれ以上の液滴を設ける工程が、 溶媒に前記物質を溶解することによって溶液を用意し、および、 前記溶媒を一つあるいはそれ以上の液滴に変換する工程を含むようにした特許
    請求の範囲第２２項に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 一つあるいはそれ以上の粒子が、サイズで約１０ｎｍよ
    りも大きく、あるいは、容積において１０-21リットルよりも大きいようにした
    特許請求の範囲第２０項に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 一つあるいはそれ以上の粒子が、液体部分と固体部分か
    らなるようにした特許請求の範囲第２０項に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記固体部分が、前記基板上に付着される前記物質であ
    るようにした特許請求の範囲第２０項に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 光学的な導体の貫通チャンネル内部に粒子を拘束する方
    法において、 第１のレーザ光束内部に前記粒子を拘束する工程と、 拘束された粒子と共に前記第１のレーザ光束を前記光学的な導体の第１の開口
    を介して前記チャンネル内部に導く工程と、 第２のレーザ光束を前記光学的な導体の第２の開口を介して前記チャンネル内
    部に導く工程と、および、 前記第１および第２のレーザ光束を前記チャンネル内部に互いに向かい合うよ
    うに伝えることによって前記チャンネル内部に前記粒子を拘束する工程とを備え
    る方法。
  28. 【請求項２８】 前記光学的な導体が、水平であり、および、前記第１お
    よび第２の開口が、互いに向かい合うように配置されているようにした特許請求
    の範囲第２７項に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 さらに、前記レーザ光束の両方の強度を変化させあるい
    は前記レーザ光束の一方の強度を変化させて前記チャンネル内部に拘束された粒
    子の位置を変化させる工程を含むようにした特許請求の範囲第２７項に記載の方
    法。
  30. 【請求項３０】 光学的な導体の中空部分内部に粒子を拘束する方法にお
    いて、 レーザ光束内部に前記粒子を拘束する工程と、 拘束された粒子と共に前記レーザ光束を前記光学的な導体の第１の開口から前
    記中空部分内部に導く工程と、および、 前記粒子の速度がおよそ０に落ちるまで前記レーザ光束を前記中空部分内部に
    伝えて前記中空部分内部に前記粒子を移送する工程とを備える方法。
  31. 【請求項３１】 前記光学的な導体が、ほぼ上下方向に配置されているよ
    うにした特許請求の範囲第３０項に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 さらに、前記レーザ光束が第２の開口から前記光学的な
    導体を射出するようにした特許請求の範囲第２０項に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 一つあるいはそれ以上の粒子を光学的な導体の中空部分
    内に導くようにした装置において、 前記光学的な導体が、第１の開口を備え、および、 レーザ光束が、前記レーザ光束内部に拘束される一つあるいはそれ以上の粒子
    を導きつつ、前記第１の開口を介して前記光学的な導体の前記中空部分に入るこ
    とができて前記中空部分内部に伝わり、一つあるいはそれ以上の粒子のサイズが
    、原子サイズよりも大きくなるようにした装置。
  34. 【請求項３４】 さらに、一つあるいはそれ以上の粒子を供給する供給源
    を設けるようにした特許請求の範囲第３３項に記載の装置。
  35. 【請求項３５】 さらに、前記レーザ光束を焦点調節するための光学系を
    設けるようにした特許請求の範囲第３３項に記載の装置。
  36. 【請求項３６】 前記レーザ光束が、第２の開口から前記光学的な導体を
    射出するようにした特許請求の範囲第３３項に記載の装置。
  37. 【請求項３７】 前記中空部分が、貫通チャンネルであるようにした特許
    請求の範囲第３３項に記載の装置。
  38. 【請求項３８】 前記中空部分が、液体あるいは気体媒体により充填され
    ているようにした特許請求の範囲第３３項に記載の装置。
  39. 【請求項３９】 一つあるいはそれ以上の粒子を基板に付着させる方法に
    おいて、 貫通チャンネルを備えた光学的な導体と、 前記レーザ光束内部に拘束される一つあるいはそれ以上の粒子を導きつつ、前
    記第１の開口を介して前記光学的な導体の前記貫通チャンネルに入ることができ
    て前記貫通チャンネル内部に伝わるレーザ光束とからなり、および、 前記基板が、第２の開口を介して前記チャンネルを射出する前記レーザ光束が
    前記基板に接触することを可能にするように配置されているようにした装置。
  40. 【請求項４０】 前記第１および第２の開口が、前記光学的な導体の両端
    に配置されているようにした特許請求の範囲第３９項に記載の装置。
  41. 【請求項４１】 一つあるいはそれ以上の粒子が、サイズで約１０ｎｍよ
    りも大きく、あるいは、容積において１０-21リットルよりも大きいようにした
    特許請求の範囲第３９項に記載の装置。
  42. 【請求項４２】 前記基板が、前記粒子が付着できる複数の場所を備えて
    いるようにした特許請求の範囲第３９項に記載の装置。
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