JPH05232398A - 光学トラップ方法 - Google Patents
光学トラップ方法Info
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- JPH05232398A JPH05232398A JP3626292A JP3626292A JPH05232398A JP H05232398 A JPH05232398 A JP H05232398A JP 3626292 A JP3626292 A JP 3626292A JP 3626292 A JP3626292 A JP 3626292A JP H05232398 A JPH05232398 A JP H05232398A
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- particles
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 放射圧が斥力として作用する粒子を簡単な方
法によって光学的にトラップすることができる手法の提
供を目的とする。 【構成】 ガウス強度分布のレーザビーム１をビームス
プリッタ機能を持った光学素子２で３分割して、放射圧
が斥力として作用する粒子の周囲にこれら３本のレーザ
ービームを収束させる。ここで粒子が移動しようとして
もレーザビームの放射圧を受けて押し戻されるため、該
位置に粒子が光学的にトラップされることになる。
法によって光学的にトラップすることができる手法の提
供を目的とする。 【構成】 ガウス強度分布のレーザビーム１をビームス
プリッタ機能を持った光学素子２で３分割して、放射圧
が斥力として作用する粒子の周囲にこれら３本のレーザ
ービームを収束させる。ここで粒子が移動しようとして
もレーザビームの放射圧を受けて押し戻されるため、該
位置に粒子が光学的にトラップされることになる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は媒質中に浮遊する粒子を
光学的にトラップする光学トラップの技術分野に関す
る。
光学的にトラップする光学トラップの技術分野に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】球形の微粒子にレーザビームを集光する
と光の運動量が変化するが、この時、運動量保存の法則
に従って微粒子に放射圧（光圧）が働く。この力は、微
粒子が照射レーザ光の波長に対して透明で且つその屈折
率が周囲の媒質よりも高い場合に、レーザの焦点位置の
方向を向き、それが重力等の外力とつり合った状態にな
ると微粒子がトラップ（捕捉）される。この現象を利用
した微粒子操作法がレーザトラッピング（レーザ捕捉）
ある。このレーザトラッピングの技術は、例えば細胞な
どを扱う医療分野などでの応用が期待されている。
と光の運動量が変化するが、この時、運動量保存の法則
に従って微粒子に放射圧（光圧）が働く。この力は、微
粒子が照射レーザ光の波長に対して透明で且つその屈折
率が周囲の媒質よりも高い場合に、レーザの焦点位置の
方向を向き、それが重力等の外力とつり合った状態にな
ると微粒子がトラップ（捕捉）される。この現象を利用
した微粒子操作法がレーザトラッピング（レーザ捕捉）
ある。このレーザトラッピングの技術は、例えば細胞な
どを扱う医療分野などでの応用が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら微粒
子が周囲よりも屈折率が低かったり、光を反射あるいは
吸収する性質のものであると、放射圧がレーザ光から遠
ざかる方向すなわち斥力として働くため、単純な構成で
はこの微粒子をトラップできなかった。例えば、溶媒と
して一般的に使われる水は屈折率が低いため、水滴を他
の液体中でトラップすることは困難である。又、光を反
射する金属微粒子や光を吸収するカーボン微粒子等もレ
ーザビームにはね飛ばされてしまいトラップできない。
このような制約は、レーザトラッピングを極微化学に応
用する上で大きな問題となる。
子が周囲よりも屈折率が低かったり、光を反射あるいは
吸収する性質のものであると、放射圧がレーザ光から遠
ざかる方向すなわち斥力として働くため、単純な構成で
はこの微粒子をトラップできなかった。例えば、溶媒と
して一般的に使われる水は屈折率が低いため、水滴を他
の液体中でトラップすることは困難である。又、光を反
射する金属微粒子や光を吸収するカーボン微粒子等もレ
ーザビームにはね飛ばされてしまいトラップできない。
このような制約は、レーザトラッピングを極微化学に応
用する上で大きな問題となる。
【０００４】そこで上述のような性質の微粒子をトラッ
プするために、微粒子を取り囲むように集光レーザビー
ムを円環状に走査することによって、微粒子が全ての方
向から斥力を受けて光の輪の中に閉じ込められるように
した方法が提案されている。［新技術事業団創造科学技
術研究報告会Ｓｙｍｐｏｓｉａ′９１（Ｔｏｋｙｏ）講
演要旨集ＰＡＲＴ４ Ｐ．１６］
プするために、微粒子を取り囲むように集光レーザビー
ムを円環状に走査することによって、微粒子が全ての方
向から斥力を受けて光の輪の中に閉じ込められるように
した方法が提案されている。［新技術事業団創造科学技
術研究報告会Ｓｙｍｐｏｓｉａ′９１（Ｔｏｋｙｏ）講
演要旨集ＰＡＲＴ４ Ｐ．１６］
【０００５】しかしながらこの方法では、レーザビーム
をガルバノミラー等により常時回転させる機構が必要で
あり、装置構成の複雑さや耐久性の面から好ましいもの
ではない。又、微粒子の比重や大きさによってレーザビ
ームの回転半径を適度に調整する必要があり、安定性高
くトラップすることは難しい。更には上記方法によって
トラップした微粒子を所望の方向に移動搬送させたい場
合、非常に複雑な装置構成を要する。
をガルバノミラー等により常時回転させる機構が必要で
あり、装置構成の複雑さや耐久性の面から好ましいもの
ではない。又、微粒子の比重や大きさによってレーザビ
ームの回転半径を適度に調整する必要があり、安定性高
くトラップすることは難しい。更には上記方法によって
トラップした微粒子を所望の方向に移動搬送させたい場
合、非常に複雑な装置構成を要する。
【０００６】本発明は上記課題を解決すべくなされたも
ので、放射圧が斥力として作用する粒子を簡単な方法に
よって光学的にトラップすることができる手法の提供を
目的とする。
ので、放射圧が斥力として作用する粒子を簡単な方法に
よって光学的にトラップすることができる手法の提供を
目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の光学トラップ方法は、放射圧が斥力として作用する
粒子の周囲に、強度分布を持った複数本の光ビームを収
束させることによって該粒子を光学的にトラップするこ
とを特徴とするものである。
明の光学トラップ方法は、放射圧が斥力として作用する
粒子の周囲に、強度分布を持った複数本の光ビームを収
束させることによって該粒子を光学的にトラップするこ
とを特徴とするものである。
【０００８】
＜実施例１＞図１は本発明の第１実施例を説明するため
の図面である。図示されていないレーザ光源（例えばＨ
ｅ−Ｎｅレーザ）から発したガウス強度分布を有するレ
ーザビーム１はビーム分割機能を持った光学素子２に入
射する。この光学素子２は薄い円柱形状をなし、一方の
面が中央部を中心に斜めに３方向に削られ、円柱の一方
の面を三角錐にした形状を有する。光学素子２の作用に
よって入射したレーザビームは３本の光束に分割される
が、これらは集光レンズ３により焦点面４に光束１−
１，１−２，１−３と分かれて集光される。
の図面である。図示されていないレーザ光源（例えばＨ
ｅ−Ｎｅレーザ）から発したガウス強度分布を有するレ
ーザビーム１はビーム分割機能を持った光学素子２に入
射する。この光学素子２は薄い円柱形状をなし、一方の
面が中央部を中心に斜めに３方向に削られ、円柱の一方
の面を三角錐にした形状を有する。光学素子２の作用に
よって入射したレーザビームは３本の光束に分割される
が、これらは集光レンズ３により焦点面４に光束１−
１，１−２，１−３と分かれて集光される。
【０００９】図面右側は焦点面４の拡大図を示す。微粒
子５は周囲の媒体よりも屈折率が低い、あるいは光を反
射又は吸収する性質を有するもの、すなわち放射圧が斥
力として作用する微粒子である。３本のレーザ光束１−
１，１−２，１−３の収束位置に囲まれた位置にある微
粒子５は、仮に外側に動こうとしてもレーザ光束の放射
圧が斥力として作用するために押し戻されて中心部から
移動できず、レーザ光束に囲まれた位置にトラップされ
ることになる。
子５は周囲の媒体よりも屈折率が低い、あるいは光を反
射又は吸収する性質を有するもの、すなわち放射圧が斥
力として作用する微粒子である。３本のレーザ光束１−
１，１−２，１−３の収束位置に囲まれた位置にある微
粒子５は、仮に外側に動こうとしてもレーザ光束の放射
圧が斥力として作用するために押し戻されて中心部から
移動できず、レーザ光束に囲まれた位置にトラップされ
ることになる。
【００１０】＜実施例２＞図２は本発明の第２実施例を
説明するための図面である。本実施例ではレーザビーム
を移動させることによって微粒子を搬送することができ
る。レーザ光源６から発したレーザビームは、光ピック
アップ８を介して光分割機能を持った偏光変換素子９に
入射する。なお、この偏光変換素子９の詳細については
特開平３−１９１３１８号公報に記載されている。
説明するための図面である。本実施例ではレーザビーム
を移動させることによって微粒子を搬送することができ
る。レーザ光源６から発したレーザビームは、光ピック
アップ８を介して光分割機能を持った偏光変換素子９に
入射する。なお、この偏光変換素子９の詳細については
特開平３−１９１３１８号公報に記載されている。
【００１１】偏光変換素子９に入射したレーザビーム７
は、偏光ビームスプリッタ９−１によってＳ波（反
射）、Ｐ波（透過）の２つに分離される。反射されたＳ
波はくさび形光学素子９−２により光軸が僅かに曲げら
れる。そしてλ／４板９−３を通過し、ミラー９−４で
反射された後、再びλ／４板９−３を通過すると位相が
λ／２変化してＰ波となる。このＰ波はビームスプリッ
タ９−１を透過して、ミラー９−５にて反射され偏光変
換素子９の下面から射出する。一方、レーザビーム７が
入射してビームスプリッタ９−１を透過したＰ波は、そ
のまま偏光変換素子９の下面から射出する。これらの射
出した２本の光束は、レンズ１０にて集光されて焦点面
に７−１，７−２として集光される。
は、偏光ビームスプリッタ９−１によってＳ波（反
射）、Ｐ波（透過）の２つに分離される。反射されたＳ
波はくさび形光学素子９−２により光軸が僅かに曲げら
れる。そしてλ／４板９−３を通過し、ミラー９−４で
反射された後、再びλ／４板９−３を通過すると位相が
λ／２変化してＰ波となる。このＰ波はビームスプリッ
タ９−１を透過して、ミラー９−５にて反射され偏光変
換素子９の下面から射出する。一方、レーザビーム７が
入射してビームスプリッタ９−１を透過したＰ波は、そ
のまま偏光変換素子９の下面から射出する。これらの射
出した２本の光束は、レンズ１０にて集光されて焦点面
に７−１，７−２として集光される。
【００１２】このような光学構成において、不図示の駆
動機構によって光ピックアップ８を光軸と直交する矢印
方向に移動させると、２本のレーザビーム７−１，７−
２は矢印１１−１のように移動する。するとこれに伴っ
てレーザビームの放射圧の斥力によって微粒子を押し進
めるようにして、矢印１１−２のように微粒子５を移動
させることができる。
動機構によって光ピックアップ８を光軸と直交する矢印
方向に移動させると、２本のレーザビーム７−１，７−
２は矢印１１−１のように移動する。するとこれに伴っ
てレーザビームの放射圧の斥力によって微粒子を押し進
めるようにして、矢印１１−２のように微粒子５を移動
させることができる。
【００１３】＜実施例３＞図３は本発明の第３実施例を
説明するための図面であり、先の図２と同一の符号は同
一の部材を表す。図２の構成との違いは２つのレーザ光
源を使用して微粒子の周囲に４本のビームを照射するこ
とである。２つのレーザ光源６−１，６−２を図のよう
に配置し、図２と同様の光学系によって４本のレーザビ
ーム６−１−１，６−１−２，６−２−１，６−２−２
を得る。焦点面上に集光されるこれらのレーザビームに
よって微粒子５がトラップされる。
説明するための図面であり、先の図２と同一の符号は同
一の部材を表す。図２の構成との違いは２つのレーザ光
源を使用して微粒子の周囲に４本のビームを照射するこ
とである。２つのレーザ光源６−１，６−２を図のよう
に配置し、図２と同様の光学系によって４本のレーザビ
ーム６−１−１，６−１−２，６−２−１，６−２−２
を得る。焦点面上に集光されるこれらのレーザビームに
よって微粒子５がトラップされる。
【００１４】本実施例では微粒子５を周囲の四方にレー
ザビームを収束照射して、微粒子をその内部にトラップ
するため、光ピックアップ８を光軸垂直方向あるいは光
軸方向の任意の方向に移動させてレーザビームの収束位
置を三次元的に移動させることで、三次元の任意の方向
へ微粒子５を搬送することが可能となる。又、２つのレ
ーザ光源６−１，６−２のオンオフ制御により微粒子の
トラップ及び解除を自由に行なうことができる。
ザビームを収束照射して、微粒子をその内部にトラップ
するため、光ピックアップ８を光軸垂直方向あるいは光
軸方向の任意の方向に移動させてレーザビームの収束位
置を三次元的に移動させることで、三次元の任意の方向
へ微粒子５を搬送することが可能となる。又、２つのレ
ーザ光源６−１，６−２のオンオフ制御により微粒子の
トラップ及び解除を自由に行なうことができる。
【００１５】＜実施例４＞次に本発明の第４実施例を説
明する。前述の各実施例は１個の微粒子を対象とするも
のであったが、本実施例では２個の微粒子を個別に移動
させ、例えば２個の微粒子同士を付着融合させることが
できる。
明する。前述の各実施例は１個の微粒子を対象とするも
のであったが、本実施例では２個の微粒子を個別に移動
させ、例えば２個の微粒子同士を付着融合させることが
できる。
【００１６】１本のレーザビームを４分割するために、
図４に示すような片側が四角錐の光学素子１０を用意し
て図１と同様に構成する。更に光軸上の光源側に光ピッ
クアップ８を設ける。光ピックアップ８は光軸方向に動
かすことができる。同様の光学系を図４に示すように光
軸上に対称になるようにもう１台配置し、同一光軸上で
各々計２個の微粒子を独立にトラップ及び移動させるこ
とができる。
図４に示すような片側が四角錐の光学素子１０を用意し
て図１と同様に構成する。更に光軸上の光源側に光ピッ
クアップ８を設ける。光ピックアップ８は光軸方向に動
かすことができる。同様の光学系を図４に示すように光
軸上に対称になるようにもう１台配置し、同一光軸上で
各々計２個の微粒子を独立にトラップ及び移動させるこ
とができる。
【００１７】このように構成において２つの光ピックア
ップ８を光軸方向に沿って動かせば、レーザの収束位置
を光軸方向に移動させることができ、そこにトラップさ
れる微粒子をそれぞれ移動させることができる。図５は
その様子を示すもので、（ａ）の状態から（ｂ）の状態
に移行させることで２個の微粒子同士を付着融合させて
いる。
ップ８を光軸方向に沿って動かせば、レーザの収束位置
を光軸方向に移動させることができ、そこにトラップさ
れる微粒子をそれぞれ移動させることができる。図５は
その様子を示すもので、（ａ）の状態から（ｂ）の状態
に移行させることで２個の微粒子同士を付着融合させて
いる。
【００１８】＜実施例５＞次に本発明の第５実施例を説
明する。本実施例では図６に示すように４分割の光学素
子１０の手前に４分割の光学シャッタ１１を設ける。該
光学シャッタ１１はＰＬＺＴ光学シャッタであり、四角
錐の４面に対応するように放射状に４分割された円形形
状を有し、独立に焦点面上の４つのビームをオン、オフ
することができる。このような光学系を図６のように２
つ並べて配置する。各光ピックアップ８は光軸と直交す
る面内で動かすことができる。
明する。本実施例では図６に示すように４分割の光学素
子１０の手前に４分割の光学シャッタ１１を設ける。該
光学シャッタ１１はＰＬＺＴ光学シャッタであり、四角
錐の４面に対応するように放射状に４分割された円形形
状を有し、独立に焦点面上の４つのビームをオン、オフ
することができる。このような光学系を図６のように２
つ並べて配置する。各光ピックアップ８は光軸と直交す
る面内で動かすことができる。
【００１９】図７は制御方法を示したもので、２個の微
粒子同士を付着させる場合の様子を時系列的な変化とし
て示した。（ａ）の状態では各微粒子の周囲に４つのビ
ームを照射して微粒子同士が接近するように移動させ
る。２個の微粒子同士が近づいたら、光学シャッタ１１
を制御して（ｂ）のように各々のレーザービームのうち
相手粒子に近い側のビームのみ照射をオフにする。これ
により（ｃ）のように安定して２個の微粒子同志を付着
させることができる。
粒子同士を付着させる場合の様子を時系列的な変化とし
て示した。（ａ）の状態では各微粒子の周囲に４つのビ
ームを照射して微粒子同士が接近するように移動させ
る。２個の微粒子同士が近づいたら、光学シャッタ１１
を制御して（ｂ）のように各々のレーザービームのうち
相手粒子に近い側のビームのみ照射をオフにする。これ
により（ｃ）のように安定して２個の微粒子同志を付着
させることができる。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、放射圧が斥力として作
用する微粒子を簡単な方法によって光学的にトラップす
ることができる。
用する微粒子を簡単な方法によって光学的にトラップす
ることができる。
【図１】第１実施例を説明するための図である。
【図２】第２実施例を説明するための図である。
【図３】第３実施例を説明するための図である。
【図４】第４実施例を説明するための図である。
【図５】第４実施例を説明するための図である。
【図６】第５実施例を説明するための図である。
【図７】第５実施例を説明するための図である。
１ レーザビーム ２ 光学素子 ３ レンズ ６ レーザ光源 ８ 光ピックアップ ９ 偏光変換素子 １０ 光学素子 １１ ４分割光学シャッタ
Claims (3)
- 【請求項１】 放射圧が斥力として作用する粒子の周囲
に、強度分布を持った複数本の光ビームを収束させるこ
とによって該粒子を光学的にトラップすることを特徴と
する光学トラップ方法。 - 【請求項２】 前記複数本の光ビームの収束位置を同時
に移動させることでトラップした粒子を搬送する請求項
１の光学トラップ方法。 - 【請求項３】 前記光ビームはレーザビームである請求
項１又は２記載の光学トラップ方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3626292A JP2714305B2 (ja) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | 光学トラップ方法 |
| AT93102257T ATE172791T1 (de) | 1992-02-20 | 1993-02-12 | Verfahren und messapparatur zur handhabung von teilchen |
| DE69321748T DE69321748T2 (de) | 1992-02-20 | 1993-02-12 | Verfahren und Messapparatur zur Handhabung von Teilchen |
| EP93102257A EP0556748B1 (en) | 1992-02-20 | 1993-02-12 | Method and apparatus for particle manipulation, and measuring apparatus utilizing the same |
| US08/375,253 US5495105A (en) | 1992-02-20 | 1995-01-19 | Method and apparatus for particle manipulation, and measuring apparatus utilizing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3626292A JP2714305B2 (ja) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | 光学トラップ方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05232398A true JPH05232398A (ja) | 1993-09-10 |
| JP2714305B2 JP2714305B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=12464860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3626292A Expired - Fee Related JP2714305B2 (ja) | 1992-02-20 | 1992-02-24 | 光学トラップ方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2714305B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005504618A (ja) * | 2000-11-13 | 2005-02-17 | ジェノプティクス・インコーポレーテッド | 微粒子を分離するためのシステム並びに方法 |
-
1992
- 1992-02-24 JP JP3626292A patent/JP2714305B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005504618A (ja) * | 2000-11-13 | 2005-02-17 | ジェノプティクス・インコーポレーテッド | 微粒子を分離するためのシステム並びに方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2714305B2 (ja) | 1998-02-16 |
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Legal Events
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