JP4897382B2 - 光学的勾配力を適用するための装置 - Google Patents
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Description
本発明は、一般的に、光学勾配力を使用して、誘電体小粒子または他の物質を操作するための方法及び装置に関する。特に、本発明は、多数の用途のうちの任意の1つのための所望の空間パターンへと粒子状物質またはその他の作用を受ける物質を集め、向けて、様々な選択可能な光学場パターンのうちの任意の1つを形成するように、例えばホログラム及び回折格子などの光学回折素子により案内される、集束されたレーザー光を使用する方法及び装置に関する。
従って、現在の従来のシステムでは、単一光学トラップを発生するために単一光ビームを使用して、単一粒子を操作することが可能である。このようなシステムにより複数の粒子を操作するには、複数の光ビームが使用されなければならない。従来の光学ピンセットを使用して、拡大された複数のビームトラップを形成する困難に起因して、化学的及び生物学的アッセイ、及びホログラフィ及びコンピュータ記憶基質での使用のために、電子、光子及び光電子装置、化学センサアレイを含むナノ複合材料の製造及び操作などの、多数の潜在的商業的用途でそれらを使用することができないでいる。
本発明の別の1つの目的は、複数の光学トラップを形成するために、光ビームの1つの形態を形成するために、回折光学装置を有する単一光ビームを使用するために新規の方法及びシステムを提供することにある。
本発明の別の1つの目的は、光子回路製造、ナノ複合材料用途、電子構成要素の製造、光電子装置、化学及び生物学的センサアレイ、ホログラフィデータ記憶基質の組立、組合せ化学用途への利用、コロイド自己集合の促進、及び生物学的材料の操作などの、小粒子の操作に関連する、様々な商業的用途のための複数の光学トラップを形成するための、改善された方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらに別の1つの目的は、誘電体物質を操作するべく、光学トラップの選択可能な時間変化するおよび/または特定の空間的アレイを形成するために、一以上の光学回折素子と組み合せて、一以上のレーザービームを使用するための新規の方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらなる1つの目的は、ユーザにより直接に観察可能である光学トラップアレイを形成するための新規の方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらに別の1つの目的は、対物レンズ集束面に対して選択可能な個所にトラップ形を形成するために、レーザービーム、光学回折素子及び発散及び集束光学システムを使用して、光学トラップ形を形成するための、新規の方法及び装置を提供することにある。
本発明の別の1つの目的は、対物レンズの集束面から、光学トラップの少なくとも1つの2次元配置を生成するために、光学回折素子へのレーザービームの入力を使用する新規の方法及び装置を提供することにある。
本発明のさらに別の1つの目的は、小さい振幅の振動変位が、光学トラップをダイナミック的に硬化するために適用されるように、光学トラップアレイを制御可能に走査するために、光学回折素子及び光学システムへの単一光ビームの入力を使用して、光学トラップのアレイを形成する新規の方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらに別の1つの目的は、顕微鏡粒子の分離のために、時間依存性光学勾配場を形成する新規の方法を提供することにある。
前記光学トラップが、時間に依存する光学勾配場を含む光学勾配条件を形成するものであってもよい。
前記集束素子が、対物レンズと光学回折素子との少なくとも1つを含んでいてもよい。
前記集束素子が形成する集束面の内部及び外部の位置からなる群から選択される空間に光学トラップを形成するように前記光学回折素子を構成してあってもよい。
前記光学回折素子は、本装置により形成されるダイナミックに変化する光学トラップを使用可能にするダイナミックに変化する回折構成要素を含んでいてもよい。
前記回折構成要素は、前記コンピュータにより形成されるホログラムを用いて刻印される液晶構成要素をさらに含んでいてもよい。
前記装置は、前記テレスコープレンズ系の下流に、レーザービームを受け取るように配置された可動の鏡を含んでいてもよい。
前記装置は、前記可動の鏡の下流側であって前記集束素子の上流側に配置された、他のテレスコープレンズ系をさらに含んでいてもよい。
前記装置は、前記他のテレスコープレンズ系と前記集束素子との間に配置されたビームスプリッタをさらに含んでいてもよい。
前記光学回折素子は、前記集束素子の後部開口を含む平面内、または前記集束素子の後部開口に対して共役な平面内に配置されていてもよい。
この発明は、また、複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法に関する。この方法は、レーザービームを供給するステップと、前記レーザービームを光学回折素子によって操作して分離した複数の回折されたレーザービームを同時に形成するステップと、前記分離した複数の回折されたレーザービームの各々を集束素子によって集束し、前記光学回折素子を前記集束素子と協働させて、前記分離した複数の回折されたレーザービームの各々から、分離した複数の光学トラップを形成するように光学勾配条件を確立し、3次元配置された前記複数の光学トラップを形成するステップとを含む。
前記方法は、時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体を用いて前記複数の分離したレーザービームを形成するために前記レーザービームを操作するステップを含んでいてもよい。
前記方法は、前記複数の分離したレーザービームと相互作用する伝達光学系を設けて、光学トレーンの光学的な点を或る位置から別の位置に移動するステップをさらに含んでいてもよい。
前記レーザービームを操作するステップは、(a)前記複数の分離したレーザービームの少なくとも1つを集束素子により集束させるステップと、(b)前記複数の分離したレーザービームの少なくとも1つを発散素子により発散するステップとの少なくとも1つのステップを含んでいてもよい。
また、この発明は、光学トラップアレイを形成する装置であって、レーザービームを受光して、分離した複数の回折された光ビームを形成するための光学回折素子と、前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、前記光学回折素子は、前記分離した複数の回折された光ビームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、複数の粒子の各々のために前記分離した複数の回折された光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成し、前記複数の光学トラップが3次元配置された3次元光学トラップアレイを形成するための手段を確立するものであり、前記光学回折素子は、前記3次元光学トラップアレイを形成するためにコンピュータにより形成されるホログラムを含むものである、光学トラップアレイを形成する装置である。
光学ピンセットシステム10において、スタティックまたは時間依存性の光学回折素子40を使用できる。ダイナミックすなわち時間依存性の変形例においては、光学トラップ50の時間変化アレイを形成することができ、光学トラップ50は、このような特徴を利用するシステムの一部であることが可能である。さらに、これらのダイナミック光学素子40は、粒子及び基質媒体とを、互いに対して能動的に動かすのに使用されることが可能である。例えば、光学回折素子40は、コンピュータ生成ホログラフィパターンにより刻印される変化を行う液晶相アレイであってよい。
本発明の好ましい実施例が、示され、説明されたが、様々な変化または改変が、請求の範囲に記載の面より広い面において、本発明から逸脱することなしに、行われることが可能であることは、当業者には自明である。
Claims (5)
- 光学トラップアレイを形成する装置であって、
ダイナミックに変化する回折構成要素を有し、レーザービームを受光して、分離した複数の回折された光ビームを形成するための光学回折素子と、
前記光学回折素子の下流に位置する集束素子と、
前記光学トラップアレイにトラップされた粒子を観察可能なイメージング光学装置と
を含み、
前記光学回折素子は、前記分離した複数の回折された光ビームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、複数の粒子の各々のために前記分離した複数の回折された光ビームの一つを用いて前記複数の粒子の各々に対して前記複数の集束スポットの対応するものの内部に分離した光学トラップを形成し、複数の前記光学トラップが前記ダイナミックに変化する回折構成要素により3次元に配置されかつ独立的に操縦される3次元光学トラップアレイを形成するための手段を確立するものであり、
前記光学回折素子は、前記3次元光学トラップアレイを形成するためにコンピュータにより形成されるホログラムを含むものである、光学トラップアレイを形成する装置。 - ダイナミックに変化する回折構成要素を有し、レーザービームを受光して、分離した複数の回折された光ビームを形成するための光学回折素子と、
前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、
前記光学回折素子は、前記分離した複数の回折された光ビームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離した複数の回折された光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記複数の集束スポットの対応するものの内部に分離した光学トラップを形成し、複数の前記光学トラップが前記ダイナミックに変化する回折構成要素により3次元に配置されかつ独立的に操縦される3次元光学トラップアレイを形成するための手段を確立するものであり、
前記3次元光学トラップアレイにトラップされた複数の前記粒子を観察可能なイメージング光学装置を更に備える、
光学トラップを形成する装置。 - 複数の粒子を準備するステップと、
レーザービームを供給するステップと、
ダイナミックに変化する回折構成要素を有する光学回折素子を前記レーザービームに対して用い、分離した複数の回折された光ビームを同時に形成するステップと、
前記光学回折素子の下流において、前記分離した複数の回折された光ビームの各々を集束素子によって集束して複数の集束スポットを形成し、各粒子のために前記分離した複数の回折された光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記複数の集束スポットの対応するものの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立し、複数の前記光学トラップが前記ダイナミックに変化する回折構成要素により3次元に配置されかつ独立的に操縦される3次元光学トラップアレイを形成するステップと、
前記3次元光学トラップアレイにトラップされた複数の前記粒子をイメージング光学装置を用いて観察するステップと、
を含む、光学トラップアレイを形成する方法。 - 光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置であって、
ダイナミックに変化する回折構成要素を有し、レーザービームを受光して、分離した複数の回折されたレーザービームを形成するための光学回折素子と、
前記光学回折素子の下流に位置する集束素子と、
前記光学トラップにトラップされた粒子を観察可能なイメージング光学装置と
を含み、
前記光学回折素子は、前記分離した複数の回折されたレーザービームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離した複数の回折されたレーザービームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記複数の集束スポットの対応するものの内部に分離した光学トラップを形成し、前記ダイナミックに変化する回折構成要素により3次元に配置されかつ独立的に操縦される複数の前記光学トラップを同時に形成するための手段を確立するものである、光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置。 - 複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法であって、
レーザービームを供給するステップと、
前記レーザービームを、ダイナミックに変化する回折構成要素を有する光学回折素子によって操作して分離した複数の回折されたレーザービームを同時に形成するステップと、
前記分離した複数の回折されたレーザービームの各々を集束素子によって集束し、前記光学回折素子を前記集束素子と協働させて、前記分離した複数の回折されたレーザービームの各々から、分離した複数の光学トラップを形成するように光学勾配条件を確立し、前記ダイナミックに変化する回折構成要素により3次元に配置されかつ独立的に操縦される前記複数の光学トラップを同時に形成するステップと、
前記複数の光学トラップにトラップされた複数の前記粒子をイメージング光学装置を用いて観察するステップと、
を含む、複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法。
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