JPH0593871A - レーザトラツピング方法及び装置 - Google Patents
レーザトラツピング方法及び装置Info
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- JPH0593871A JPH0593871A JP12071591A JP12071591A JPH0593871A JP H0593871 A JPH0593871 A JP H0593871A JP 12071591 A JP12071591 A JP 12071591A JP 12071591 A JP12071591 A JP 12071591A JP H0593871 A JPH0593871 A JP H0593871A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 レーザトラッピングにおいて、光軸方向のト
ラップ力を増強する。 【構成】 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成分を低減させたＰ偏光のレーザ光
束を使う。円錐筒状のレーザ光束にするために、アキシ
コンプリズムなどの光束の輪帯化手段を、Ｐ偏光のレー
ザ光束とするために、ブリュースター角を利用するなど
の偏光光学手段を光路中に設ける。 【効果】 大出力レーザを使わずとも、光軸方向に微粒
子を強力に捕捉でき、微粒子を安定に速く動かすことが
できる。従来ではトラップ不可能であった高屈折率粒子
もトラップ可能となった。
ラップ力を増強する。 【構成】 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成分を低減させたＰ偏光のレーザ光
束を使う。円錐筒状のレーザ光束にするために、アキシ
コンプリズムなどの光束の輪帯化手段を、Ｐ偏光のレー
ザ光束とするために、ブリュースター角を利用するなど
の偏光光学手段を光路中に設ける。 【効果】 大出力レーザを使わずとも、光軸方向に微粒
子を強力に捕捉でき、微粒子を安定に速く動かすことが
できる。従来ではトラップ不可能であった高屈折率粒子
もトラップ可能となった。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
った、本発明者らの解析の概要と結果について説明す
る。
【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。
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。
【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ｎ１＝
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。
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ｎ１＝
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。
【００２５】図８は、粒子Ｒの比屈折率がｎ２＝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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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／ｃｍ３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。
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／ｃｍ３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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【図１】本発明の一実施例を説明する光路断面図であ
る。
る。
【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。
明図である。
【図３】偏光ビームスプリッタの断面図である。
【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。
ッタの断面図である。
【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。
ある。
【図６】微粒子での反射、透過の説明図である。
【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。
グラフ図である。
【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。
グラフ図である。
【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。
グラフ図である。
【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。
すグラフ図である。
【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。
すグラフ図である。
【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。
グ装置の説明図である。
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
Claims (11)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12071591A JP2947971B2 (ja) | 1991-03-02 | 1991-03-02 | レーザトラッピング方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12071591A JP2947971B2 (ja) | 1991-03-02 | 1991-03-02 | レーザトラッピング方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0593871A true JPH0593871A (ja) | 1993-04-16 |
| JP2947971B2 JP2947971B2 (ja) | 1999-09-13 |
Family
ID=14793210
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12071591A Expired - Lifetime JP2947971B2 (ja) | 1991-03-02 | 1991-03-02 | レーザトラッピング方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2947971B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5953166A (en) * | 1995-03-22 | 1999-09-14 | Moritex Corporation | Laser trapping apparatus |
| JP2001290083A (ja) * | 2000-04-07 | 2001-10-19 | Nikon Corp | 光による微粒子の操作方法及び操作装置 |
| WO2003050588A1 (fr) * | 2001-12-13 | 2003-06-19 | Japan Science And Technology Corporation | Systeme optique permettant de renforcer les forces de capture a pinces optiques |
| JP2008137104A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Tohoku Univ | 光ピンセットの方法および装置 |
-
1991
- 1991-03-02 JP JP12071591A patent/JP2947971B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5953166A (en) * | 1995-03-22 | 1999-09-14 | Moritex Corporation | Laser trapping apparatus |
| JP2001290083A (ja) * | 2000-04-07 | 2001-10-19 | Nikon Corp | 光による微粒子の操作方法及び操作装置 |
| WO2003050588A1 (fr) * | 2001-12-13 | 2003-06-19 | Japan Science And Technology Corporation | Systeme optique permettant de renforcer les forces de capture a pinces optiques |
| US7087894B2 (en) | 2001-12-13 | 2006-08-08 | Japan Science And Technology Agency | Optical system for reinforcing optical tweezers capturing force |
| JP2008137104A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Tohoku Univ | 光ピンセットの方法および装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2947971B2 (ja) | 1999-09-13 |
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