JP2947971B2 - Laser trapping method and apparatus - Google Patents

Laser trapping method and apparatus

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JP2947971B2 JP12071591A JP12071591A JP2947971B2 JP 2947971 B2 JP2947971 B2 JP 2947971B2 JP 12071591 A JP12071591 A JP 12071591A JP 12071591 A JP12071591 A JP 12071591A JP 2947971 B2 JP2947971 B2 JP 2947971B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を用いて微小
粒子を3次元的に捕捉(トラップ)するレーザトラッピ
ング方法及び装置に関し、詳しくは、光源のある光軸方
向のトラップ力を増強するレーザトラッピング方法及び
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser trapping method and apparatus for three-dimensionally capturing (trapping) fine particles by using a laser beam, and more particularly to enhancing a trapping force in a direction of an optical axis of a light source. The present invention relates to a laser trapping method and apparatus.

【0002】[0002]

【従来技術とその問題点】連続発振するレーザ光を顕微
鏡内に導き、対物レンズで集光しその焦点付近に徴小粒
子を誘導してゆくと、粒子は引き込まれるようにして焦
点近傍にトラップされる。このレーザトラッピング手法
は、生体細胞や微生物の捕捉・転送などの非接触、非破
壊のマニュピレーションに利用されている(佐藤俊一,
稲場文男:光学,第19巻第8号(1990)513−
514)。具体的には、化学の分野で、微粒子のレーザ
アブレーションのターゲット捕捉に用いたものや(H.
Misawa etal.:Chem.Lett.19
90,1479.)、生物学の分野では生体細胞の操作
(A.Ashkin etal.:Nature,33
0,769(1987))さらに細胞融合でのターゲッ
トの移動操作に用いたもの(R.W.Steubing
etal.:SPIE,1202,272(199
0))等が知られている。
2. Description of the Related Art Continuously oscillating laser light is guided into a microscope, condensed by an objective lens, and small particles are guided near the focal point. The particles are attracted and trapped near the focal point. Is done. This laser trapping method is used for non-contact, non-destructive manipulation such as capture and transfer of living cells and microorganisms (Satoichi Sato,
Fumio Inaba: Optics, Vol.19, No.8 (1990) 513-
514). Specifically, in the field of chemistry, those used for capturing a target of laser ablation of fine particles or (H.
Misawa et al. : Chem. Lett. 19
90, 1479. ), In the field of biology, manipulation of living cells (A. Ashkin et al .: Nature, 33).
0,769 (1987)) and those used for moving the target in cell fusion (RW Steubing).
et al. : SPIE, 1202, 272 (199
0)) and the like are known.

【0003】ところで、上記はいずれもが主として光軸
方向に直角な平面(x−y)内での操作であり、光源の
ある光軸方向(z方向)への操作は行なわれておらず,
z方向のトラップ力はx−y面内での操作の補助的な役
割しか果たしていないようにみえる。これは、z方向の
トラップ力がx−y方向のトラップ力に比べて小さいか
らというのが主たる理由であり、z方向のトラップ力が
大きければx−y方向と同様にz方向でも各種の操作を
自在に行え、また、x−y方向における操作を安定かつ
速く行えることとなるので、z方向のトラップ力の増強
が強く望まれている。
[0003] Incidentally, all of the above are operations mainly in a plane (xy) perpendicular to the optical axis direction, and the operation in the optical axis direction (z direction) where the light source is located is not performed.
The trapping force in the z-direction appears to play only an auxiliary role in manipulating in the xy plane. This is mainly because the trapping force in the z direction is smaller than the trapping force in the xy direction. If the trapping force in the z direction is large, various operations are performed in the z direction as in the xy direction. Can be performed freely, and the operation in the xy direction can be performed stably and quickly. Therefore, it is strongly desired to increase the trapping force in the z direction.

【0004】レーザトラッピングにおけるz方向の力の
大きさは、ストークスの法則等を用いて実験的に求めら
れている。例えば、ポリスチレンラテックス球などの球
形粒子を光トラッピングし、その粒子または周囲の媒質
(たとえば水)を動かして、粒子がトラップからはずれ
るときの粒子または媒質の移動速度を測定し、この速度
からトラップ力を算定するものである。このような実験
から、z方向のトラップ力は、定性的に、入射レーザ
パワーに比例する、微粒子と周囲媒質との屈折率差が
大きい程大きくなる、粒径が大きい程大きくなる、と
の結論が得られており、当技術分野ではこれらの結論が
常識化している。
[0004] The magnitude of the force in the z direction in laser trapping is experimentally determined using Stokes' law or the like. For example, light traps spherical particles, such as polystyrene latex spheres, and moves the particles or the surrounding medium (eg, water) to measure the speed of movement of the particles or the medium as the particles move out of the trap. Is calculated. From such experiments, it is concluded that the trapping force in the z direction is qualitatively proportional to the incident laser power, increases as the refractive index difference between the fine particles and the surrounding medium increases, and increases as the particle size increases. And these conclusions are common in the art.

【0005】しかしながら、上記との関連で、大出力
レーザを使うとすると、粒子や媒質での大きな吸収を招
き、温度上昇それによる対流やブラウン運動の増大、さ
らにはレーザ光の散乱の増加、透過光・散乱光の処理の
困難性が加わリ、また、対象が生体試料の場合には、強
い熱や化学作用による損傷、破壊の問題が生じる。
[0005] However, in connection with the above, if a high-power laser is used, a large absorption in particles or a medium is caused, the convection and Brownian motion are increased due to a rise in temperature, and the scattering and transmission of laser light are increased. In addition to the difficulty of processing light and scattered light, when the target is a biological sample, there is a problem of damage or destruction due to strong heat or chemical action.

【0006】また、上記との関連では、本発明者らの
解析によれば、必ずしもこのような結論には導けないと
の結果を得ている。後述するが、解析の結果の一つとし
て、従来の手法に依存しては、比屈折率が2.0以上で
あるとz方向に正のトラップ力ははたらかないとの結論
を得ている。上記のような説になる理由としては、光
の放射圧に関して解明されていない点が多いこと、光の
強度分布に基づく光の勾配力との関連が明確でないこ
と、さらに通常、微粒子は周囲媒質である液体中に置か
れるが光の放射圧との関連で微粒子の液体中での挙動に
未解明の事項があること等が挙げられる。
In connection with the above, according to the analysis by the present inventors, it has been obtained that such conclusion cannot always be reached. As will be described later, as a result of the analysis, it has been concluded that depending on the conventional method, if the relative refractive index is 2.0 or more, a positive trapping force does not work in the z direction. . The reasons for the above-mentioned theory are that there are many points that have not been elucidated regarding the radiation pressure of light, that the relationship with the gradient force of light based on the intensity distribution of light is not clear, and that the fine particles are usually in the surrounding medium. However, the behavior of fine particles in a liquid in relation to the radiation pressure of light is unknown.

【0007】さらに、従来手法では、媒質(たとえば
水)中においては、z方向にトラップ力がはたらくが、
真空中または媒質が空気である場合に、微粒子にz方向
のトラップ力がはたらき安定にトラップできるかどう
か、また、重力との関連で粒子を重力に抗して光照射方
向とは反対の方向に持ち上げられるか否かについては現
状では明らかではない。
Further, in the conventional method, in a medium (for example, water), a trapping force works in the z direction.
In a vacuum or when the medium is air, whether the trapping force in the z-direction works on the fine particles and stably traps the particles, and, in relation to gravity, opposes the particles in the direction opposite to the light irradiation direction against the gravity. Whether it can be lifted or not is currently unclear.

【0008】[0008]

【発明の目的】本発明は、レーザトラッピングにおい
て、光源のある光軸方向(z方向)にはたらく力を大き
くできるようにすることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to increase the force acting in the direction of an optical axis (z direction) of a light source in laser trapping.

【0009】[0009]

【発明の構成】本発明は、実験的に求めたのでなく、本
発明者らがはじめて行った解析の結果に基づくもので、
微粒子に円錐筒状のレーザ光束を入射する、及び/又は
偏光のS成分を低滅させたP偏光のレーザ光束を使うよ
うにしたことを基本的な特徴としている。
The present invention is based on the results of an analysis performed by the present inventors for the first time, not on an experimental basis.
A fundamental feature is that a conical cylindrical laser beam is incident on the fine particles and / or a P-polarized laser beam whose S component of polarized light is reduced is used.

【0010】[0010]

【作用】上記第1の発明においては、微粒子へは光軸方
向に対して大きな角度で入射する光束のみで、光軸方向
とのなす角がゼロからある値までの光束が無いから、主
として反射により反光軸方向に粒子を押す力が滅殺さ
れ、結果として光軸方向の力が増大する。
According to the first aspect of the present invention, since only the light beam incident on the fine particles at a large angle with respect to the optical axis direction and there is no light beam whose angle with the optical axis direction is from zero to a certain value, it is mainly reflected. As a result, the force pushing the particles in the direction of the optical axis is annihilated, and as a result, the force in the direction of the optical axis increases.

【0011】上記第2の発明においては、微粒子に照射
される光のうちP偏光に比べて反射率の高いS偏光の光
が低滅されているから、反射により反光軸方向に粒子を
押す力が減少する一方、粒子の内部を透過するP偏光の
光はそのままであるから反射により相殺されていた力が
顕在化し、光軸方向の力が増大する。
In the second aspect of the present invention, since the S-polarized light having a higher reflectance than the P-polarized light among the light irradiated to the fine particles is reduced, the force for pushing the particles in the anti-optical axis direction by reflection is obtained. On the other hand, while the P-polarized light transmitted through the inside of the particle remains unchanged, the force offset by the reflection becomes apparent, and the force in the optical axis direction increases.

【0012】上記第1の発明と第2の発明とわ組み合わ
せたものにおいては、上記の作用が相乗的にはたらき、
光軸方向の力は著しく大きなものとなる。
In the combination of the first invention and the second invention, the above functions work synergistically.
The force in the optical axis direction becomes extremely large.

【0013】[0013]

【実施例】図1は、本発明の一実施例を説明する光路断
面図である。光軸1上に、第1のアキシコンプリズム
2、第2のアキシコンプリズム3、集束レンズ4が配置
されている。光軸1上を進むレーザ光束5は、第1のア
キシコンプリズム2の平面21に入射し、内部を直進
し、円錐面22から出射するとき、それぞれ屈折角が一
定の2つの光束51と52に分離される。光束51と5
2は、第2のアキシコンプリズム3の円錐面32に入射
し、それぞれ同じ一定の屈折角で屈折し、光軸1と平行
となって内部を直進し、平面31から出射する。出射光
束53は、円筒形となり、その光軸直角断面は、図2に
示すような輪帯となる。
FIG. 1 is a sectional view of an optical path for explaining an embodiment of the present invention. On the optical axis 1, a first axicon prism 2, a second axicon prism 3, and a focusing lens 4 are arranged. The laser beam 5 traveling on the optical axis 1 is incident on the plane 21 of the first axicon prism 2, travels straight inside, and exits from the conical surface 22 when the two beams 51 and 52 have a constant refraction angle. Is separated into Luminous flux 51 and 5
The light 2 enters the conical surface 32 of the second axicon prism 3, is refracted at the same constant refraction angle, travels straight inside the optical axis 1, and exits from the plane 31. The outgoing light beam 53 has a cylindrical shape, and its cross section perpendicular to the optical axis is an annular zone as shown in FIG.

【0014】光束53が集束レンズ4に入射すると、集
束レンズ4は円筒形光束53をその焦点位置にスポット
54として集束する。このスポット54の近傍に、微粒
子6を誘導してくると、徴粒子6はスポット54に引き
込まれるように移動し、ある位置で静止する。
When the light beam 53 enters the focusing lens 4, the focusing lens 4 focuses the cylindrical light beam 53 as a spot 54 at the focal position. When the fine particles 6 are guided near the spot 54, the collected particles 6 move so as to be drawn into the spot 54 and stop at a certain position.

【0015】微粒子6には、光軸5に対して大きな角度
をなすレーザ光束54のみが入射されているので、光軸
方向に大きなトラップ力が生じる。
Since only the laser beam 54 that forms a large angle with respect to the optical axis 5 is incident on the fine particles 6, a large trapping force is generated in the optical axis direction.

【0016】図1に示された実施例では、第1のアキシ
コンプリズム2、第2のアキシコンプリズム3のそれぞ
れの円錐22,32の頂角がブリュースター角θbとし
たものが使われている。このため、レーザ光束1の偏光
成分のうち、S偏光成分の一部はは円錐面22により反
射され光路外に放出され、光束51、52の残存するS
偏光成分も円錐面32により反射されて光路外に放出さ
れて、光束53はP偏光成分の強い光となっている。図
2にP偏光の偏光方向(電場の振動方向)を矢印で示
す。このように、P偏光のレーザ光束54を微粒子6に
入射することにより、粒子表面での反射を減らすことが
できる。これは、フレネルの公式における強度反射率が
P偏光とS偏光とで大きくことなることを利用したもの
である。粒子表面での反射が減ると、粒子内部を透過す
る表面は相対的に多くなる。反射光の減少は粒子を光入
射方向に押す力の減少となり、粒子内部を透過する光の
増加は粒子に生じる放射圧の増加となる。このように、
P偏光の光を微粒子6に入射することによって、光軸方
向に生じるトラップ力を相加的に強くすることができ
る。
In the embodiment shown in FIG. 1, the first axicon prism 2 and the second axicon prism 3 each have a cone 22 and 32 whose apex angle is the Brewster angle θb. I have. Therefore, a part of the S-polarized light component of the polarized light component of the laser light flux 1 is reflected by the conical surface 22 and emitted out of the optical path, and the remaining S-light fluxes 51 and 52 remain.
The polarization component is also reflected by the conical surface 32 and emitted out of the optical path, and the light beam 53 is a light having a strong P polarization component. In FIG. 2, the polarization direction of P-polarized light (the vibration direction of the electric field) is indicated by an arrow. In this way, by causing the P-polarized laser beam 54 to enter the fine particles 6, the reflection on the particle surface can be reduced. This is based on the fact that the intensity reflectance in Fresnel's formula is different between P-polarized light and S-polarized light. As the reflection at the particle surface decreases, the surface that penetrates inside the particle increases relatively. A decrease in the reflected light results in a decrease in the force for pushing the particles in the light incident direction, and an increase in light transmitted through the inside of the particles results in an increase in the radiation pressure generated in the particles. in this way,
By making the P-polarized light incident on the fine particles 6, the trapping force generated in the optical axis direction can be additively increased.

【0017】なお、P偏光の強いレーザ光束を用いると
きは、図1に示されるように、必ずしもレーザ光束54
を円錐筒状にすることは必要ではなく、従来手法と同様
に、円錐状の光束を用いることができ、これによっても
光軸方向のトラップ力を十分に大きくすることができ
る。
When a laser beam having a strong P polarization is used, as shown in FIG.
Is not required to be a conical cylindrical shape, and a conical light beam can be used similarly to the conventional method, whereby the trapping force in the optical axis direction can be sufficiently increased.

【0018】図1の実施例では、光束53の断面を輪状
または輪帯状にするのに、2つのアキシコンプリズムを
用いたが、光エネルギの効率を問題にしないのなら、簡
単には、輪帯絞りを用いることができる。光学系の瞳面
に設けるのが最良である。また、2つのアキシコンプリ
ズムに替えて、2つのアキシコンゾーンプレートを用い
てもよく、1つのアキシコンプリズムと1つのアキシコ
ンゾーンプレートの組合わせを用いてもよい。ゾーンプ
レートを用いると、光学系をコンパクト化、軽量化で
き、さらにプレス成型等で多量安価に製作できる利点を
もつ。
In the embodiment shown in FIG. 1, two axicon prisms are used to make the cross section of the light beam 53 into a ring shape or an annular shape. A band iris can be used. It is best to provide it on the pupil plane of the optical system. Further, instead of the two axicon prisms, two axicon zone plates may be used, or a combination of one axicon prism and one axicon zone plate may be used. The use of a zone plate has the advantages that the optical system can be made compact and lightweight, and that it can be manufactured in large quantities at low cost by press molding or the like.

【0019】図1に示したアキシコンプリズム2,3は
いずれも円錐面がポジティブの形状のものであるが、く
ぼんだ円錐面をもつネガティブのものを利用することも
可能である。また、ポジとネガの組合わせをもって光束
輪帯化の手段としてもよい。さらに、図1では、円錐の
頂点が向かい合う構成を示したが、頂点が外向き平面が
対向する構成にしてもよい。この場合、平面をなくし、
一体物とすることも可能であり、光学系構成上の利点を
有するが、輪帯の径を可変としたい場合などでは自由度
が制約される難点がある。アキシコン素子を2つ組み合
わせる構成では、両者の間隔を変化させて簡単に輪帯の
径を変えることができる。アキシコン素子には、アキシ
コン回折格子を含む。
Each of the axicon prisms 2 and 3 shown in FIG. 1 has a positive conical surface, but it is also possible to use a negative one having a concave conical surface. Further, a combination of the positive and the negative may be used as a means for forming a light flux orbicular zone. Further, FIG. 1 shows a configuration in which the vertices of the cone face each other, but a configuration in which the vertices face the outward-facing plane may be adopted. In this case, we eliminate the plane,
Although it is possible to form an integral body, which has an advantage in the configuration of the optical system, there is a drawback that the degree of freedom is restricted when the diameter of the ring zone is desired to be variable. In a configuration in which two axicon elements are combined, it is possible to easily change the diameter of the orbicular zone by changing the distance between them. The axicon element includes an axicon diffraction grating.

【0020】図1に示した実施例においては、P偏光の
強いレーザ光束を得るために、アキシコンプリズムの頂
角をブリュースター角にしたものを用いたが、S偏光成
分をほぼ完全に排除するために、第3図に示されるよう
な、透明な誘電体薄膜7をはさんで高屈折率の三角プリ
ズム8,9を貼り合わせた偏光ビームスプリッタを用い
るようにしてもよい。図3中、P,Sの符号は、偏光成
分のP,Sを示し、S偏光成分は境界面でほぼ完全に光
の進行方向と直角の方向へ偏向されることを示してい
る。
In the embodiment shown in FIG. 1, an axicon prism whose apex angle is set to the Brewster angle is used in order to obtain a laser beam having strong P polarization, but the S polarization component is almost completely eliminated. In order to do so, a polarizing beam splitter, as shown in FIG. 3, in which triangular prisms 8 and 9 having a high refractive index are sandwiched between transparent dielectric thin films 7 may be used. In FIG. 3, the symbols P and S indicate the polarization components P and S, and indicate that the S polarization component is almost completely deflected at the boundary surface in a direction perpendicular to the traveling direction of light.

【0021】また、これとは別に、頂角をブリュースタ
ー角にしたポジとネガのアキシコンプリズム10,11
を第4図に示されるように、薄膜12を挾んで貼り合わ
せたものを利用してもよい。前記の偏光ビームスプリッ
タと同様このプリズムの材質の屈折率が大きいと、それ
だけ消光比を大きくすることができる。
Separately, positive and negative axicon prisms 10 and 11 having a Brewster angle at the apex angle are provided.
As shown in FIG. 4, a thin film 12 may be used with the thin film 12 interposed therebetween. If the refractive index of the material of this prism is large, as in the case of the polarization beam splitter, the extinction ratio can be increased accordingly.

【0022】次に、上記のような実施例を構成するに至
った、本発明者らの解析の概要と結果について説明す
る。
Next, the outline of the analysis by the present inventors and the results that led to the construction of the above embodiment will be described.

【0023】計算方法は、幾何光学近似としているが、
近似ではないフレネルの公式及びスネルの法則に従う光
線追跡法を適用している。その計算の仮定は、レーザ
スポットは粒子に比べて十分に小さい、レーザ波長に
比べて粒子は十分に大きい、散乱光同氏の干渉による
効果は排除する、表面上での表面波は考えない、入
射光は理想的な一様収束光または輪帯収束光である、
粒子は理想的な球形で屈折率は一様である、とするもの
である。
Although the calculation method is based on geometrical optics approximation,
A ray tracing method that follows Fresnel's formula and Snell's law, which is not an approximation, is applied. The calculations assume that the laser spot is sufficiently small compared to the particle, the particle is sufficiently large compared to the laser wavelength, the effects of interference from scattered light are eliminated, surface waves are not considered on the surface, The light is ideal uniform convergent light or annular convergent light,
The particles are assumed to be ideally spherical and have a uniform refractive index.

【0024】図5に示すように、半径rの球形粒子Rへ
の入射光Iのスポット位置を原点Fとし、原点Fから粒
子の中心Oまでの距離l、光軸AX方向の力を正とす
る。図6のように、各境界面において強度反射率の大き
さと強度透過率の大きさで粒子Rがどちらの方向にどれ
ぐらいの大きさの力で押されるかが決められ、境界点の
計算を1000回程度反復し力の各成分を方向別に積算
するようにした。図7は、粒子Rの比屈折率がn
1.2で1mWのレーザパワーにより粒子位置l(単位
はr)における粒子Rにはたらく力(×10−12N)
の特性曲線3種を示しいる。実線の曲線は、開口数NA
が0から0.95(円錐状の光束),破線の曲線はNA
が0.94から0.95(円錐筒状の光束)、一点鎖線
の曲線はNAが0.94から0.95(円錐筒状の光
束)で100%のP偏光とした場合を示す。
As shown in FIG. 5, the spot position of the incident light I on the spherical particle R having a radius r is defined as the origin F, the distance l from the origin F to the center O of the particle, and the force in the direction of the optical axis AX is positive. I do. As shown in FIG. 6, the magnitude of the intensity reflectance and the magnitude of the intensity transmittance at each boundary surface determine in which direction and how much force the particles R are pushed. By repeating about 1000 times, each component of force was integrated for each direction. FIG. 7 shows that the relative refractive index of the particles R is n 1 =
A force (× 10 −12 N) acting on a particle R at a particle position 1 (unit is r) with a laser power of 1 mW at 1.2
3 characteristic curves are shown. The solid curve represents the numerical aperture NA.
Is from 0 to 0.95 (conical luminous flux), and the broken curve is NA
Is 0.94 to 0.95 (conical cylindrical light beam), and the dashed line curve shows the case where NA is 0.94 to 0.95 (conical cylindrical light beam) and 100% P-polarized light is used.

【0025】図8は、粒子Rの比屈折率がn=2.0
で1mWのレーザ(λ=1.6μm)により粒子位置l
(単位はr)における粒子Rにはたらく力(×10
−12N)の特性曲線3種を示している。実線の曲線
は、開口数NAが0から0.95(円錐状の光束),
破線の曲線はNAが0.94から0.95(円錐筒状の
光束)、一点鎖線の曲線はNAが0.94から0.95
(円錐筒状の光束)で100%のP偏光とした場合で、
図7の特性と対応している。
FIG. 8 shows that the relative refractive index of the particles R is n 2 = 2.0.
At 1 mW laser (λ = 1.6 μm)
Force acting on particle R in (unit is r) (× 10
-12 N) are shown. The solid line curve indicates that the numerical aperture NA is 0 to 0.95 (conical luminous flux),
The dashed curve has an NA of 0.94 to 0.95 (conical cylindrical light beam), and the dashed line curve has an NA of 0.94 to 0.95.
(Conical cylindrical light beam) and 100% P-polarized light,
This corresponds to the characteristic in FIG.

【0026】曲線C1から、比屈折率が2.0ときわめ
て高いと、従米方法では、光軸方向に正の力がはたらか
ないことが分かる。これは、たとえ100mWとしても
同様にトラップ力は生じない。又、両図から、P偏光の
手法は、比屈折率が高いと強く作用することが分かる。
From the curve C1, it can be seen that when the relative refractive index is as high as 2.0, a positive force does not work in the optical axis direction in the conventional method. This means that no trapping force is generated even if the power is 100 mW. From both figures, it can be seen that the P-polarized light method works strongly when the relative refractive index is high.

【0027】図9、図10はともに空気中でのトラッピ
ング特性を示し、図9は絶対屈折率n03=1.6のガ
ラスビーズを対象とし、開口数NAの範囲が異なること
を除き条件は図7と同様である。図10の特性は、絶対
屈折率n04=3.4710のシリコンビーズを対象と
し、図8の特性を得るのに与えた条件と同一の条件での
特性を示している。
9 and 10 show trapping characteristics in air, and FIG. 9 is for glass beads having an absolute refractive index n 03 = 1.6, and the conditions are the same except that the range of the numerical aperture NA is different. It is the same as FIG. The characteristics in FIG. 10 are for silicon beads having an absolute refractive index n 04 = 3.4710, and show the characteristics under the same conditions as those given for obtaining the characteristics in FIG.

【0028】曲線C2から、この開口数における従米方
法では、光軸方向に正の力がはたらくことはないから、
ガラスビーズは光軸方向にトラップできず、当然ながら
重力に抗して上方へ持ち上げることなどは決してできな
いことが分かる。曲線C3と曲線C4とから、空気中で
屈折率の大きなシリコン粒子などを持ち上げようとする
場合には、必ずP偏光の手法と、輪帯収束の手法とを併
用しなければならないことが分かる。空中でのトラッピ
ングには、P偏光の手法がきわめて有効に作用すること
がこの両図の特性から明らかである。
From the curve C2, according to the U.S.A. method at this numerical aperture, a positive force does not act in the optical axis direction.
It can be seen that glass beads cannot be trapped in the direction of the optical axis, and cannot be lifted upward against gravity, of course. From the curves C3 and C4, it can be seen that, when trying to lift silicon particles having a large refractive index in the air, the P-polarized light technique and the annular convergence technique must be used together. It is clear from the characteristics of these figures that the P-polarized light method works extremely effectively for trapping in the air.

【0029】図11は、絶対屈折率n05=1.5の光
学ガラスBK7のトラップ力特性を示したものである。
P偏光かつNAが0.94−0.94の場合のピーク高
さは、2.01×10−12N/mWである。BK7の
比重は、2.51g/cmであり、粒径rを1μm、
10μm、100μmと変えたとき、この球形のビーズ
に作用する重力は、それぞれ、12.6×10
−15N、12.6×10−12N12.6×10−9
Nである。前記条件において、BK7の10μmの粒子
を重力に抗して浮上させるには、約10mW、粒径10
0μmのものであれば約10Wのレーザパワーが必要で
あることが分かる。逆に言えば、10Wのレーザパワー
を使えば、粒径が数十μmのBK7のビーズ玉を、空気
中でのレーザトラッピングにより重力に抗して光照射方
向とは反対の方向に持ち上げることができるのである。
FIG. 11 shows the trapping force characteristics of the optical glass BK7 having an absolute refractive index n 05 = 1.5.
The peak height in the case of P polarization and NA of 0.94 to 0.94 is 2.01 × 10 −12 N / mW. BK7 has a specific gravity of 2.51 g / cm 3 , a particle diameter r of 1 μm,
When changed to 10 μm and 100 μm, the gravity acting on the spherical beads is 12.6 × 10
−15 N, 12.6 × 10 −12 N 12.6 × 10 −9
N. Under the above-mentioned conditions, in order to make 10 μm particles of BK7 levitate against the gravity, it is required to have a particle diameter of about 10 mW.
It can be seen that a laser power of about 10 W is required for a laser of 0 μm. Conversely, if a laser power of 10 W is used, BK7 beads having a particle size of several tens of μm can be lifted in a direction opposite to the light irradiation direction against the gravity by laser trapping in air. You can.

【0030】図12は、上記の結果を踏まえて示した、
手に持ちうる大きさのレーザトラッピング装置の概略断
面図を示している。図1に示したのと同様の構成とし、
光源には市販のCW発振出力10W半導体レーザ70を
用いる。半導体レーザ70、アキシコンプリズム2,
3、収束レンズ4を鏡筒80に固定し、ケーブル90を
介して半導体レーザ70に給電する。空気中の面60に
乗っている粒径が数十μmの球状、だ円状、偏平状、棒
状の粒子61,62,63,64を自在に空中に持ち上
げ、また任意の位置にトラップすることができる。
FIG. 12 shows the above results.
1 shows a schematic cross-sectional view of a laser trapping device of a size that can be held in a hand. The configuration is the same as that shown in FIG.
As the light source, a commercially available semiconductor laser 70 having a CW oscillation output of 10 W is used. Semiconductor laser 70, axicon prism 2,
3. The converging lens 4 is fixed to the lens barrel 80, and power is supplied to the semiconductor laser 70 via the cable 90. Spherical, elliptical, flat, and rod-shaped particles 61, 62, 63, and 64 having a particle size of several tens of μm on the surface 60 in the air are freely lifted into the air and trapped at arbitrary positions. Can be.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、粒子に
照射するレーザ光強度を上げることなく、光軸方向のト
ラップ力を増大でき、xy方向における粒子の移動操作
が安定に速く行えるとともに、光軸方向の移動操作も安
定に行うことができるようになった。
As described above, according to the present invention, the trapping force in the optical axis direction can be increased without increasing the intensity of the laser beam applied to the particles, and the operation of moving the particles in the xy directions can be performed stably and quickly. At the same time, the moving operation in the optical axis direction can be stably performed.

【0032】そして、従来の手法では高屈折率粒子は光
軸方向に捕捉できないことが判明する一方で、本発明に
よれば、高屈折率粒子でも光軸方向に力を生じさせこれ
を捕捉することがができ、さらには、粒子を液体中に置
かない非媒質の環境においても光軸方向のトラップ力を
生じさせるようにすることができ、真空中や空中におけ
る微粒子のレーザトラッピングが可能である。
While it has been found that the high refractive index particles cannot be captured in the optical axis direction by the conventional method, according to the present invention, even the high refractive index particles generate a force in the optical axis direction to capture the force. In addition, a trapping force in the optical axis direction can be generated even in a non-medium environment in which particles are not placed in a liquid, and laser trapping of fine particles in a vacuum or in the air is possible. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例を説明する光路断面図であ
る。
FIG. 1 is an optical path cross-sectional view illustrating an embodiment of the present invention.

【図2】レーザ光束の光軸直角断面と偏光方向を示す説
明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a cross section perpendicular to the optical axis of a laser beam and a polarization direction.

【図3】偏光ビームスプリッタの断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a polarizing beam splitter.

【図4】アキシコンプリズムを用いた偏光ビームスプリ
ッタの断面図である。
FIG. 4 is a sectional view of a polarization beam splitter using an axicon prism.

【図5】本発明に係る光線追跡の解析に供する説明図で
ある。
FIG. 5 is an explanatory diagram provided for analysis of ray tracing according to the present invention.

【図6】微粒子での反射、透過の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of reflection and transmission by fine particles.

【図7】粒子位置lにおけるトラップ力の大きさを示す
グラフ図である。
FIG. 7 is a graph showing the magnitude of a trapping force at a particle position 1;

【図8】粒子位置lにおけるトラップ力の大きさを示す
グラフ図である。
FIG. 8 is a graph showing the magnitude of a trapping force at a particle position 1;

【図9】粒子位置lにおけるトラップ力の大きさを示す
グラフ図である。
FIG. 9 is a graph showing the magnitude of a trapping force at a particle position 1;

【図10】粒子位置lにおけるトラップ力の大きさを示
すグラフ図である。
FIG. 10 is a graph showing the magnitude of a trapping force at a particle position 1;

【図11】粒子位置lにおけるトラップ力の大きさを示
すグラフ図である。
FIG. 11 is a graph showing the magnitude of a trapping force at a particle position 1;

【図12】空中で操作可能な可搬型のレーザトラッピン
グ装置の説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram of a portable laser trapping device that can be operated in the air.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…光軸 2、3…アキシコンプリズム 4…集束レンズ 5…レーザ光束 54…円錐筒状レーザ光束 6…微粒子 7…半導体レーザ θb…ブリュースター角 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical axis 2, 3 ... Axicon prism 4 ... Focusing lens 5 ... Laser beam 54 ... Conical cylindrical laser beam 6 ... Fine particle 7 ... Semiconductor laser θb ... Brewster angle

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 21/32 G02B 21/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G02B 21/32 G02B 21/00

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 真空または媒質中の粒子に、円錐筒状の
レーザ光束を入射し、粒子に生じる光照射方向とは逆向
きの力を大きくするようにしたことを特徴とするレーザ
トラッピング方法。
1. A laser trapping method, wherein a laser beam having a conical cylindrical shape is incident on particles in a vacuum or a medium, and a force in a direction opposite to a light irradiation direction generated on the particles is increased.
【請求項2】 偏光のS成分を低減したレーザ光束を集
束し、この集束レーザ光束を真空または媒質中の粒子に
照射し、該粒子に生じる光照射方向とは逆向きの力を大
きくするようにしたことを特徴とするレーザトラッピン
グ方法。
2. A laser beam having a reduced S component of polarized light is focused, and the focused laser beam is radiated to a particle in a vacuum or a medium to increase a force generated in the particle in a direction opposite to a light irradiation direction. A laser trapping method, comprising:
【請求項3】 前記集束レーザ光束は円錐状である、請
求項2記載のレーザトラッピング方法。
3. The laser trapping method according to claim 2, wherein the focused laser beam has a conical shape.
【請求項4】 前記集束レーザ光束は円錐筒状である、
請求項2記戟のレーザトラッピング方法。
4. The focused laser beam has a conical cylindrical shape.
3. A method for laser trapping according to claim 2.
【請求項5】 真空または媒質中の粒子に集束レーザ光
を照射して、粒子に光の放射圧を生ぜしめ空間内に該粒
子を捕捉できるようにした光学装置において、光学装置
の光路中に、レーザ光束を、光軸直角断面が輪状または
輪帯状の光束に変換する光束変換手段を備えるようにし
たことを特徴とするレーザトラッピング装置。
5. An optical device which irradiates a focused laser beam to a particle in a vacuum or a medium to generate a radiation pressure of light on the particle so that the particle can be trapped in a space. A laser trapping device for converting a laser beam into a beam having a ring shape or an annular shape in a cross section perpendicular to the optical axis.
【請求項6】 前記光束変換手段は、単一または複数の
アキシコン素子からなる請求項5記載のレーザトラッピ
ング装置。
6. A laser trapping apparatus according to claim 5, wherein said light beam converting means comprises a single or a plurality of axicon elements.
【請求項7】 前記アキシコン素子は、アキシコンゾー
ンプレートである、請求項6記載のレーザトラッピング
装置。
7. The laser trapping device according to claim 6, wherein the axicon element is an axicon zone plate.
【請求項8】 前記アキシコン素子は、円錐プリズムで
ある、請求項6記載のレーザトラッピング装置。
8. The laser trapping device according to claim 6, wherein said axicon element is a conical prism.
【請求項9】 前記光束変換手段は、2つの円錐プリズ
ムを組み合わせたものでなり、粒子に向けて集束レーザ
光を射出する集光レンズの前段に配設されたものであ
る、請求項6記載のレーザトラッピング装置。
9. The light beam converting means is a combination of two conical prisms, and is disposed in front of a condenser lens for emitting a focused laser beam toward particles. Laser trapping equipment.
【請求項10】 前記円錐プリズムは、頂角がブリュー
スター角のものである、請求項8又は9記載のレーザト
ラッピング装置。
10. The laser trapping apparatus according to claim 8, wherein the conical prism has a vertex angle of Brewster angle.
【請求項11】 真空または媒質中の粒子に集束レーザ
光を照射して、粒子に光の放射圧を生ぜしめ空間内に該
粒子を捕捉できるようにした光学装置において、光学装
置の光路中に、レーザ光束のP偏光はほぼ透過させる一
方でS偏光のほとんどは光路外に放出する偏光光学手段
を備えるようにしたことを特徴とするレーザトラッピン
グ装置。
11. An optical device which irradiates a focused laser beam to a particle in a vacuum or a medium to generate a radiation pressure of light on the particle so that the particle can be trapped in a space. A laser trapping device, comprising: a polarization optical means for transmitting substantially P-polarized light of a laser beam while emitting most of S-polarized light out of an optical path.
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