JP2002532733A - 準波長域の開口が形成されてなりレンズを有する光ファイバ及び独特のマイクロピペット - Google Patents
準波長域の開口が形成されてなりレンズを有する光ファイバ及び独特のマイクロピペットInfo
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Abstract
(57)【要約】
準波長域の、近接場光学用開口の成形方法には、ファイバ先端を溶融するために、テーパー化された光ファイバ（１０）の先端にレーザービーム（１６）を導くことが含まれる。溶融により前記先端にレンズを形成して、次いで、出来あがった構造に金属被覆（４２）を施す。金属被膜を行うとき、開口（４４）は開いたまま残されているか、もしくは開口（４４）がイオンビームやレーザービーム（１６）によって金属内に形成される。他の実施例では、肉厚壁を持つマイクロピペット先端（１４）が、レーザービーム（２０）で溶融によって形成される。
Description
【０００１】
準波長域の開口に対する必需性が、近接場光学による準波長域（subwavelengt
h）の光学像（optical imaging）及びナノ構造にから、マイクロピペットに形成
した準波長域の開口による細胞生物学の電気的測定に至る、多くの科学分野及び
技術分野に広がっている。本発明の技術分野は、光ファイバの先端に準波長域の
開口などを形成する方法に関し、ここで光ファイバの開口はレンズとしても働く
。また本発明の技術分野は、数十ナノメートルの微小な開口を有し、肉厚が１ｍ
ｍ程度の暑さのマイクロピペットを形成する方法に関する。
h）の光学像（optical imaging）及びナノ構造にから、マイクロピペットに形成
した準波長域の開口による細胞生物学の電気的測定に至る、多くの科学分野及び
技術分野に広がっている。本発明の技術分野は、光ファイバの先端に準波長域の
開口などを形成する方法に関し、ここで光ファイバの開口はレンズとしても働く
。また本発明の技術分野は、数十ナノメートルの微小な開口を有し、肉厚が１ｍ
ｍ程度の暑さのマイクロピペットを形成する方法に関する。
【０００２】
準波長域の開口を形成するための新しい方法が開発されるひとつの理由とは、
近接場光学の分野が今日の科学と技術において急成長する領域だからである。以
前は近接場光学の開口を成形する最も有効な方法は、テーパー化されたガラスの
技術を用いるものであって、その技術とはテーパー化されたガラス構造の先端に
おける準波長域を提供するためのものであった。テーパー化されたガラス構造は
先端に準波長域の開口を形成するために、金属で被覆されていた。（A. Harootu
nian, E. Betzig, M. S. Isaacson, and A. Lewis, Appl. phys. lett. 49,674(
1986); A. Lewis, M. Isaacson, E. Betzig,and A. Harootunian, 米国特許第４
９１７４６２号；公開日 １９９０年４月１７日）。これらの方法は、テーパー
化されたマイクロピペットの製造に使用することができ、またテーパー化された
光ファイバ素子（fiber optic element）の製造にも用いることができ、そして
その光ファイバ素子には金属被覆されて準波長域の開口を形成する。これらの方
法の改善することができる観点の１つは、光ファイバで用いられるには先端およ
びコア部のクラッドに対する比率が先細った角度をなしていることである。これ
には高い光伝達（high light transmissions）が必要である。何故なら、ビーム
がファイバのコアの中に可能な限り残りながらテーパー化された構造を通して進
行するとビームは準波長域寸法の最小領域を通りぬける（traverse）ということ
が重要だからである。この近接場光素子（near-field optical elements）の特
性を改良するには、一般に２つの手順がある。第一の手順は、ファイバ先端のエ
ッチングによる方法である（Jiang S. Ohsawa, H. Yamada, K. Pangaribuan, T.
Chtsu, M. Imai, K. and Ikai, A., Jpn. J. Appl. Phys. 31,2282(1992);S.J.
Bukofsky and R.D. Grober, Appl. Phys. Lett. 71,2749(1997)）。第二のアプ
ローチは、初期引っ張り技術の修正版を使用することであった。（Galina Fish,
Sophin Kokotov, Edward Khachatryan, Andrey Ignatov, Rimma Glazer, Anato
ly Komissar, Yuri Haifez, Alina Strinkovsky, Aaron Lewis, and Klony Lieb
erman, イスラエル特許申請第１２０１８１号；提出日：１９９７年２月９日；
ＰＣＴ受領日：１９９８年２月８日）。マイクロピペットでは微小開口が厚い壁
を有するものとして製造することができなかった。それは、本発明によって達成
される。
近接場光学の分野が今日の科学と技術において急成長する領域だからである。以
前は近接場光学の開口を成形する最も有効な方法は、テーパー化されたガラスの
技術を用いるものであって、その技術とはテーパー化されたガラス構造の先端に
おける準波長域を提供するためのものであった。テーパー化されたガラス構造は
先端に準波長域の開口を形成するために、金属で被覆されていた。（A. Harootu
nian, E. Betzig, M. S. Isaacson, and A. Lewis, Appl. phys. lett. 49,674(
1986); A. Lewis, M. Isaacson, E. Betzig,and A. Harootunian, 米国特許第４
９１７４６２号；公開日 １９９０年４月１７日）。これらの方法は、テーパー
化されたマイクロピペットの製造に使用することができ、またテーパー化された
光ファイバ素子（fiber optic element）の製造にも用いることができ、そして
その光ファイバ素子には金属被覆されて準波長域の開口を形成する。これらの方
法の改善することができる観点の１つは、光ファイバで用いられるには先端およ
びコア部のクラッドに対する比率が先細った角度をなしていることである。これ
には高い光伝達（high light transmissions）が必要である。何故なら、ビーム
がファイバのコアの中に可能な限り残りながらテーパー化された構造を通して進
行するとビームは準波長域寸法の最小領域を通りぬける（traverse）ということ
が重要だからである。この近接場光素子（near-field optical elements）の特
性を改良するには、一般に２つの手順がある。第一の手順は、ファイバ先端のエ
ッチングによる方法である（Jiang S. Ohsawa, H. Yamada, K. Pangaribuan, T.
Chtsu, M. Imai, K. and Ikai, A., Jpn. J. Appl. Phys. 31,2282(1992);S.J.
Bukofsky and R.D. Grober, Appl. Phys. Lett. 71,2749(1997)）。第二のアプ
ローチは、初期引っ張り技術の修正版を使用することであった。（Galina Fish,
Sophin Kokotov, Edward Khachatryan, Andrey Ignatov, Rimma Glazer, Anato
ly Komissar, Yuri Haifez, Alina Strinkovsky, Aaron Lewis, and Klony Lieb
erman, イスラエル特許申請第１２０１８１号；提出日：１９９７年２月９日；
ＰＣＴ受領日：１９９８年２月８日）。マイクロピペットでは微小開口が厚い壁
を有するものとして製造することができなかった。それは、本発明によって達成
される。
【０００３】
従来、光ファイバ内の先端に準波長域の開口を有するレンズの形成へのアプロ
ーチは、なされていなかった。もしくは、マイクロピペットにおいて、数十ナノ
メートルもしくはその前後の寸法である開口の形成方法がなかった。
ーチは、なされていなかった。もしくは、マイクロピペットにおいて、数十ナノ
メートルもしくはその前後の寸法である開口の形成方法がなかった。
【０００４】
本発明は、テーパー化されたもしくはテーパーのない光ファイバの先端におい
て準波長域の開口を製造する方法である。ここで、光ファイバ先端の開口はレン
ズとしても機能する。この方法はまた、先端に小さい孔を有するマイクロピペッ
トの製造方法を提供する。そのマイクロピペットは、開口とその先端の周りに厚
い壁を有する。
て準波長域の開口を製造する方法である。ここで、光ファイバ先端の開口はレン
ズとしても機能する。この方法はまた、先端に小さい孔を有するマイクロピペッ
トの製造方法を提供する。そのマイクロピペットは、開口とその先端の周りに厚
い壁を有する。
【０００５】
前述およびさらなる目的の特徴及び進歩性は好ましい実施例の詳細な説明によ
って本技術（art）中の技（skill）で明らかになるだろう。好ましい実施例は添
付の図面に描かれている。
って本技術（art）中の技（skill）で明らかになるだろう。好ましい実施例は添
付の図面に描かれている。
【０００６】 本発明は、光ファイバの先端に、レンズと準波長域（数十ナノメートルもしく
はこのあたりの選択された寸法）の開口とを有する装置に関する。もしくは、孔
が肉厚な壁で囲まれたガラスキャピラリーにおいて、数十ナノメートル、または
その前後の寸法の微小な孔がある装置に関する。また本発明はそのような装置の
製作方法に関する。第一の実施例において、これらを達成するためにガラス構造
（１０）は標準のHarootunianとLewisの方法論すなわちエッチングによってテー
パー化された光ファイバであってよく、それは図１ａに図示されている。または
ガラス構造（１０）は図１ｂのファイバ構造（１２）であってよく、テーパー化
もしくはエッチングで形成されている。他の実施例においては、レーザービーム
（１６）（図１ａ）、レーザービーム（１８）（図１ｂ）、レーザービーム（２
０）（図１ｃ）の前にマイクロピペット（１４）（図１ｃ）のための同様な構成
が配置される。これらのレーザービームは、炭酸ガスレーザー（２２）もしくは
他の適当なレーザービームによって製造されている。レーザービームと対応する
ガラス構造は、一軸的に配置される。例えばレーザービーム（１６）の焦点（２
６）にテーパー化された構造（１０）の先端（２４）が一致するように配置され
る。同様に、ビーム（１８）は焦点（３０）と構造（１２）の先端（２８）とが
一軸的に配置される。ビーム（２０）は焦点（３４）に構造（１４）の先端（３
２）とが一軸的に配置される。そして、レーザービームは数秒の間発振され、光
ファイバ（１０）または（１２）（図２ａ）の場合は先端（２４）を溶融しレン
ズ（３６）を形成し、もしくはマイクロピペット（１４）（図２ｂ）であるなら
肉厚な壁を有する微小孔（３８）の構造となる。得られたの光ファイバ装置（１
０）（または（１２））は金属（４２）で被覆され、先端には開口（４４）が開
口したまま残される。または装置１０は完全に被覆されたのち焦点を合わせたイ
オンビームまたはフェムト秒レーザーといったレーザー２２を使用して開口を形
成する。マイクロピペット（１４）の場合（図２ｂ）、装置は被覆されないまま
でもよい。
はこのあたりの選択された寸法）の開口とを有する装置に関する。もしくは、孔
が肉厚な壁で囲まれたガラスキャピラリーにおいて、数十ナノメートル、または
その前後の寸法の微小な孔がある装置に関する。また本発明はそのような装置の
製作方法に関する。第一の実施例において、これらを達成するためにガラス構造
（１０）は標準のHarootunianとLewisの方法論すなわちエッチングによってテー
パー化された光ファイバであってよく、それは図１ａに図示されている。または
ガラス構造（１０）は図１ｂのファイバ構造（１２）であってよく、テーパー化
もしくはエッチングで形成されている。他の実施例においては、レーザービーム
（１６）（図１ａ）、レーザービーム（１８）（図１ｂ）、レーザービーム（２
０）（図１ｃ）の前にマイクロピペット（１４）（図１ｃ）のための同様な構成
が配置される。これらのレーザービームは、炭酸ガスレーザー（２２）もしくは
他の適当なレーザービームによって製造されている。レーザービームと対応する
ガラス構造は、一軸的に配置される。例えばレーザービーム（１６）の焦点（２
６）にテーパー化された構造（１０）の先端（２４）が一致するように配置され
る。同様に、ビーム（１８）は焦点（３０）と構造（１２）の先端（２８）とが
一軸的に配置される。ビーム（２０）は焦点（３４）に構造（１４）の先端（３
２）とが一軸的に配置される。そして、レーザービームは数秒の間発振され、光
ファイバ（１０）または（１２）（図２ａ）の場合は先端（２４）を溶融しレン
ズ（３６）を形成し、もしくはマイクロピペット（１４）（図２ｂ）であるなら
肉厚な壁を有する微小孔（３８）の構造となる。得られたの光ファイバ装置（１
０）（または（１２））は金属（４２）で被覆され、先端には開口（４４）が開
口したまま残される。または装置１０は完全に被覆されたのち焦点を合わせたイ
オンビームまたはフェムト秒レーザーといったレーザー２２を使用して開口を形
成する。マイクロピペット（１４）の場合（図２ｂ）、装置は被覆されないまま
でもよい。
【０００７】 マイクロピペットまたは光ファイバにおいて、ざらざらは先端上に成長させる
ことができる。それは、電気化学的に、もしくはイオンビームまたは電子ビーム
といった技術によって、原子間力顕微鏡（atom force microscopy）用に構造（
１０）、（１２）または（１４）の端部に微細先端を形成するためにざらざらを
成長させる。さらに、レーザー光源は光ファイバまたはマイクロピペットを加熱
するためにも使用されて曲がった片持ち梁化された装置（５０）（図３）が形成
される。片持ち梁化された装置（５０）は先に形成されたレンズ（３６）（図２
ａ）と合体した先端（５２）を有する（K. Lieberman and A. Lewis、米国特許
第５６７７９７８号で、発明の名称「曲がったプローブの顕微鏡」、公開：１９
９７年１０月１４日）。またレーザービームは原子間力顕微鏡に良好な反射表面
を提供するための平坦面（５４）を曲がった片持ち梁に結合するのに利用できる
。しかしこれは本発明が共に動作できる単純な付け加えである。言いかえれば、
これらの構造改造は本発明と両立できるが、本発明は改造の有無に拘わらず利用
できる。
ことができる。それは、電気化学的に、もしくはイオンビームまたは電子ビーム
といった技術によって、原子間力顕微鏡（atom force microscopy）用に構造（
１０）、（１２）または（１４）の端部に微細先端を形成するためにざらざらを
成長させる。さらに、レーザー光源は光ファイバまたはマイクロピペットを加熱
するためにも使用されて曲がった片持ち梁化された装置（５０）（図３）が形成
される。片持ち梁化された装置（５０）は先に形成されたレンズ（３６）（図２
ａ）と合体した先端（５２）を有する（K. Lieberman and A. Lewis、米国特許
第５６７７９７８号で、発明の名称「曲がったプローブの顕微鏡」、公開：１９
９７年１０月１４日）。またレーザービームは原子間力顕微鏡に良好な反射表面
を提供するための平坦面（５４）を曲がった片持ち梁に結合するのに利用できる
。しかしこれは本発明が共に動作できる単純な付け加えである。言いかえれば、
これらの構造改造は本発明と両立できるが、本発明は改造の有無に拘わらず利用
できる。
【０００８】
上記の構造は、レンズとしてもまた準波長域の開口としても働き、またこの構
造はいままで知られていない複合的機能も可能である。具体的に言うと、表面と
開口の先端との距離が増加したとき、実際に分解能の上昇が可能になるか、少な
くとも近接場で保持されていたのと同程度の分解能を保持することが達成される
。これは準波長域開口と画像化される対象物との距離が離れても、高い分解能を
可能にし、これは今まで知られていなかったことである。さらに、近接場光学と
いう点から、このような開口の伝達効率（transmission efficiency）、これは
重要な性質であるが、それは増加していると思われる。準波長域先端から出てく
る伝達（transmission out of the subwavelength）は測定されて、ファイバに
注入された強度の強度減少は２桁程度であった。さらに、これらのマイクロピペ
ットは開口した（aperturing）高輝度Ｘ線源において大変に有用であった。
造はいままで知られていない複合的機能も可能である。具体的に言うと、表面と
開口の先端との距離が増加したとき、実際に分解能の上昇が可能になるか、少な
くとも近接場で保持されていたのと同程度の分解能を保持することが達成される
。これは準波長域開口と画像化される対象物との距離が離れても、高い分解能を
可能にし、これは今まで知られていなかったことである。さらに、近接場光学と
いう点から、このような開口の伝達効率（transmission efficiency）、これは
重要な性質であるが、それは増加していると思われる。準波長域先端から出てく
る伝達（transmission out of the subwavelength）は測定されて、ファイバに
注入された強度の強度減少は２桁程度であった。さらに、これらのマイクロピペ
ットは開口した（aperturing）高輝度Ｘ線源において大変に有用であった。
【０００９】 このような装置を応用する多くの分野があり、この装置は近接場で通常知られ
ている高分解能の距離を長くした。応用できる１つの分野は、情報記憶装置の分
野で、ここで表面下の分解能は従来知られてきた表面上と同程度の高分解能であ
る。さらにマイクロチップ検査の分野において、マイクロチップの化学的及び機
械的研磨技術の検査があり、検査で重要な構造は表面下で、この先端はそういっ
た構造の結像に効果がある。さらに、発光の高処理量を要求される近接場光学の
どんな領域においても、これは重要な発明である。最後に、この構造のマイクロ
ピペットは、セル（cell）の電気的性質を測定する間セルを固定するのに大変便
利である。
ている高分解能の距離を長くした。応用できる１つの分野は、情報記憶装置の分
野で、ここで表面下の分解能は従来知られてきた表面上と同程度の高分解能であ
る。さらにマイクロチップ検査の分野において、マイクロチップの化学的及び機
械的研磨技術の検査があり、検査で重要な構造は表面下で、この先端はそういっ
た構造の結像に効果がある。さらに、発光の高処理量を要求される近接場光学の
どんな領域においても、これは重要な発明である。最後に、この構造のマイクロ
ピペットは、セル（cell）の電気的性質を測定する間セルを固定するのに大変便
利である。
【図１ａ】 本発明による、レンズを有する準波長域の開口を形成するガラ
ス構造と組合わせるレーザービームの配置の概略図である。
ス構造と組合わせるレーザービームの配置の概略図である。
【図１ｂ】 本発明による、レンズを有する準波長域の開口を形成するガラ
ス構造と組合わせるレーザービームの配置の概略図である。
ス構造と組合わせるレーザービームの配置の概略図である。
【図１ｃ】 本発明による、レンズを有する準波長域の開口を形成するガラ
ス構造と組合わせるレーザービームの配置の概略図である。
ス構造と組合わせるレーザービームの配置の概略図である。
【図２ａ】 本発明による、レーザー処理を行った後の光ファイバとマイク
ロピペット（部分断面図である）との、それぞれの概略図である。
ロピペット（部分断面図である）との、それぞれの概略図である。
【図２ｂ】 本発明による、レーザー処理を行った後の光ファイバとマイク
ロピペット（部分断面図である）との、それぞれの概略図である。
ロピペット（部分断面図である）との、それぞれの概略図である。
【図３】 本発明に組み込まれている、片持ち梁化のガラス構造の概略図で
ある。
ある。
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】
Claims (12)
- 【請求項１】 テーパー化された、またはテーパーのない光ファイバあるい
はマイクロピペットの先端に位置するレンズに数十ナノメートルまたはその前後
の開口からなる複合構造を製造する方法であって、 上記光ファイバまたはマイクロピペットの先端に対向し適切に配置されたレーザ
ービームを使用してこれらの構造の先端を溶融し、有効なレンズを形成し、 被覆方法または金属除去が可能な高エネルギービームを用いる方法によって光フ
ァイバ先端に開口を形成するか、またはこの方法を使用して肉厚な周囲壁に囲ま
れた数十ナノメートルまたはその前後の開口を有するマイクロピペットを形成す
るために被覆可能で、この構造は被覆されても被覆されなくてもよい、製造方法
。 - 【請求項２】 同時力検出のために片持ち梁化された構造であることを特徴
とする請求項１記載の製造方法。 - 【請求項３】 力検出及びトンネリング用途のための高解像度点を形成する
ために先端に成長させたざらざらしを有することを特徴とする請求項１記載の製
造方法。 - 【請求項４】 力検出及びトンネリング用途のための高解像度点を形成する
ために先端に成長させたざらざらしを有することを特徴とする請求項２記載の製
造方法。 - 【請求項５】 力検出内の良好な反射のために、小さい鏡が片持ち梁の上に
置かれていることを特徴とする請求項２記載の製造方法。 - 【請求項６】 力検出内の良好な反射のために、小さい鏡が片持ち梁の上に
置かれていることを特徴とする請求項４記載の製造方法。 - 【請求項７】 テーパー化された、またはテーパーのない光ファイバまたは
マイクロピペットの先端に位置するレンズに数十ナノメートルまたはその前後の
開口からなる複合構造の装置であって、 上記光ファイバまたはマイクロピペットの先端に対向し適切に配置されたレーザ
ービームを使用してこれらの構造の先端を溶融し、有効なレンズを形成してなり
、金属被覆方法または金属除去が可能な高エネルギービームを用いる方法によっ
て光ファイバ先端に開口を形成するか、または肉厚な周囲壁に囲まれた数十ナノ
メートルまたはその前後の開口を有するマイクロピペットを形成するために被覆
可能で、この構造は被覆されても被覆されなくてもよい、装置。 - 【請求項８】 同一の(同時に)力検出のために、片持ち梁化された構造であ
ることを特徴とする請求項７記載の装置。 - 【請求項９】 力検出及びトンネリング用途のための高解像度点を形成する
ために先端に成長させたざらざらしを有することを特徴とする請求項７記載の装
置。 - 【請求項１０】 力検出及びトンネリング用途のための高解像度点を形成す
るために先端に成長させたざらざらしを有することを特徴とする請求項８記載の
装置。 - 【請求項１１】 力検出内の良好な反射のために、小さい鏡が片持ち梁の上
に置かれていることを特徴とする請求項８記載の装置。 - 【請求項１２】 力検出内の良好な反射のために、小さい鏡が片持ち梁の上
に置かれていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
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