KR101216648B1 - 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법 - Google Patents

광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법 Download PDF

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Abstract

광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법이 개시된다. 보다 상세하게는 본 발명은, 적어도 하나 이상의 미세 물체와 상기 미세 물체를 둘러싸는 매질을 포함하는 샘플 챔버부와, 상기 미세 물체를 포획 및 이동시키기 위해 상기 미세 물체의 개수 및 형상에 따라 적응적으로 형성되는 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성부 및 상기 레이저 빔을 집속하여 상기 미세 물체에 조사하기 위한 광 트랩으로 형성하는 대물 렌즈부를 포함하는 광집게 시스템 및 이를 이용하여 미세 물체를 포획하는 방법에 관한 것이다.

Description

광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법{Optical Tweezer System and Method of Trapping Micro-object using The same}
본 발명을 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은, 홀로그램을 이용한 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법에 관한 것으로 복잡한 형상의 마이크로 부품을 포획하기 위한 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 광집게(Optical tweezers)는 집속한 레이저 빔을 주위 매질보다 굴절률이 큰 물체에 가할 때 반사와 굴절을 통해 생기는 모멘텀 차이로 물체를 레이저 초점으로 구속하는 기술이다. 지금까지 광집게에 관한 연구는 주로 마이크로/나노 크기의 구형체를 이용하여 다른 물체의 기계적/물리적/화학적 특성을 측정하는 연구가 많았지만, 최근에는 마이크로 디바이스로의 응용 목적으로 이광자 중합 기술 또는 반도체 공정으로 제작된 마이크로 부품을 포획하는 연구들이 많아지고 있다.
하지만 복잡한 형상의 마이크로 부품은 보통 형상이 대칭적이지 않아 가우시안 빔을 이용한 싱글 트랩과 같은 단순한 광포획 방법으로는 물체를 원하는 자세로 안정적으로 포획하기 어렵다. 특히 마이크로 모터와 마이크로 펌프 등의 응용으로 사용되는 마이크로 크기의 링 형상의 물체는 가우시안 빔 기반 싱글 트랩으로 포획 시 물체의 굴절률이 주위 매질보다 클 경우에는 물체의 반경방향이 광축으로 정렬되며, 포텐셜의 평형이 쉽게 깨져서 위치 및 자세 제어가 힘들다. 이와 관련된 종래의 기술은 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 마이크로 링 포획 방법을 설명하기 위해 도시한 도이다.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 종래의 광집게 시스템(10)은 가우시안 빔 생성부(100), 샘플 챔버부(200), 대물 렌즈부(300)로 구성된다. 가우시안 빔 생성부(100)에서 방사된 가우시안 빔은 대물 렌즈부(300)에 의해 집속된 후 마이크로 물체(900)와 매질을 포함하는 샘플 챔버부(200)에 조사된다. 여기서, DM은 색선별 거울(Dichroic Mirror)로서 가우시안 빔 생성부(100)에서 생성된 가우시안 빔을 샘플 챔버부(200)에 전송하고, 램프(500)에서 방사된 광이 샘플 챔버부(200) 및 대물 렌즈부(300)를 통과한 후 촬상부(400)로 전달되도록 한다. 여기서, M은 거울(Mirror), L1은 렌즈이다.
이와 같은 광집게 시스템(10)에 의한 미세 물체 포획 방법은 가우시안 빔 싱글 트랩, 즉 하나의 가우시안 빔을 이용하여 미세 물체를 포획하는 방법을 사용하는데 도 1(b) 및 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 링 형상을 갖는 마이크로 물체(900, micro-ring)의 중심부에 가우시안 빔 싱글 트랩(1000)을 조사하여 마이크로 링을 포획한다. 즉, 종래의 방법에서는 마이크로 링(900)의 굴절률이 주위 매질보다 작다는 제약 조건하에서, 가우시안 빔 싱글 트랩(1000)을 마이므로 링(900)의 구멍에 위치시켜 광축과 수직인 평면에서 마이크로 링(900)을 포획하였다. 포획이 일어나는 원리는 가우시안 빔 싱글 트랩(1000)의 초점 부근에서 마이크로 링(900)의 내벽에 작용하는 힘이 평형을 이루기 때문인 것으로 알려져 있다.
하지만 이러한 종래의 방법은 마이크로 링의 굴절률이 주위 매질보다 반드시 작아야 하므로(nmicro -ring<nmedium), 물체의 굴절률이 주위 매질보다 큰 일반적인 광 포획 조건에서는 적용되기 어려운 문제점이 있었다. 따라서 물체의 굴절률이 주위 매질보다 큰 경우와, 같은 재질의 물체이나 형상이 다른 경우에는 어느 한 물체는 포획할 있지만 다른 물체는 포획할 수 없는 문제가 발생하게 되며, 이는 다양한 형상으로 이루어진 마이크로 부품들 간의 조립을 이루는 데 상당한 제약을 초래하는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 관점으로부터 본 발명은 미세 물체를 포획하기 위한 레이저 빔을 미세 물체의 개수 및 형상에 따라 적응적으로 위상을 변조하여 미세 물체를 포획하는 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법을 제공함을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제와 관련하여, 본 발명은 레이저 빔의 위상을 변조하기 위해 미세 물체의 특성을 고려하여 제작된 홀로그램을 이용하여 LG 빔 또는 복수 개의 가우시안 빔으로 형성되는 광 트랩을 형성하여 미세 물체를 포획하기 위한 광집게 시스템 및 미세 물체 포획방법을 제공한다.
그러나, 본 발명의 기술적 과제는 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 광집게 시스템의 일 실시예에서는, 적어도 하나 이상의 미세 물체와 상기 미세 물체를 둘러싸는 매질을 포함하는 샘플 챔버부와, 상기 미세 물체를 포획 및 이동시키기 위해 상기 미세 물체의 개수 및 형상에 따라 적응적으로 형성되는 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성부 및 상기 레이저 빔을 집속하여 상기 레이저 빔이 미세 물체에 조사되도록 포커싱 하는 대물 렌즈부를 포함한다.
여기서, 상기 레이저 빔 생성부는 상기 미세 물체가 링 형상인 경우, 상기 레이저 빔을 링 형태의 강도(intensity) 분포를 갖는 LG(Languerre-Gaussian) 빔으로 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 레이저 빔 생성부는 가우시안 빔을 생성하는 가우시안 빔 생성기와, 홀로그램으로 상기 가우시안 빔의 위상을 변조하여 상기 LG 빔을 형성하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator) 및 상기 공간 광 변조기에 상기 홀로그램을 전송하는 컴퓨터를 포함하는 것도 바람직하다.
또한, 상기 컴퓨터는 포획하고자 하는 상기 미세 물체의 개수 및 상기 미세 물체의 반경을 고려하여 상기 LG 빔의 개수 및 상기 LG 빔의 반경을 조절하기 위해 상기 홀로그램을 변경하고, 상기 홀로그램을 그레이 레벨 이미지 형태로 상기 공간 광 변조기로 전송한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 레이저 빔 생성부는 상기 레이저 빔을 복수 개의 가우시안 빔으로 형성하며, 상기 대물 렌즈부는 상기 복수 개의 가우시안 빔을 집속하여 집속된 복수 개의 가우시안 빔을 상기 미세 물체의 형상에 대응되도록 조사되도록 함이 좋다.
여기서, 상기 레이저 빔 생성부는 가우시안 빔을 생성하는 가우시안 빔 생성기와, 홀로그램을 이용하여 상기 가우시안 빔의 위상을 변조하여 복수 개의 가우시안 빔을 형성하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator) 및 상기 공간 광 변조기에 상기 홀로그램을 전송하는 컴퓨터를 포함할 수 있을 것이다.
그리고, 상기 컴퓨터는 생성하고자 하는 상기 가우시안 빔의 개수를 고려하여 상기 홀로그램을 변경하고, 상기 홀로그램을 그레이 레벨 이미지 형태로 상기 공간 광 변조기로 전송하는 것도 좋다.
또한, 상기 레이저 빔 생성부는 상기 가우시안 빔 생성기에서 생성된 가우시안 빔을 확대시킨 후 상기 공간 광 변조기로 전송시키는 빔 확장기를 더 포함하는 것도 좋다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 레이저 빔 생성부는 링 형태의 강도분포를 갖는 LG 빔과 복수 개의 가우시안 빔을 동시에 형성시킬 수도 있을 것이다.
이를 위해, 상기 레이저 빔 생성부는 가우시안 빔을 생성하는 가우시안 빔 생성기와, 홀로그램으로 상기 가우시안 빔의 위상을 변조하여 상기 LG 빔과 복수 개의 상기 가우시안 빔을 형성하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator) 및 상기 공간 광 변조기에 상기 홀로그램을 전송하는 컴퓨터를 포함하는 것이 좋다.
또한, 상술한 본 발명의 다양한 실시예에서, 상기 광집게 시스템은 상기 레이저 빔에 의해 포획된 상기 미세 물체의 이동을 실시간으로 확인하기 위한 촬상부를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 광집게 시스템을 이용한 미세 물체 포획방법은, (a) 가우시안 빔을 생성하는 단계와, (b) 포획하고자 하는 미세 물체의 개수 및 형상을 고려하여 상기 가우시안 빔을 위상 변조하는 단계 및 (c) 상기 위상 변조된 가우시안 빔의 초점 위치를 조절하여 상기 위상 변조된 가우시안 빔을 상기 미세 물체에 조사하여 상기 미세 물체를 포획하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (b) 단계는 상기 가우시안 빔이 링 형태의 강도분포를 갖는 LG 빔과 복수 개의 가우시안 빔 중 어느 하나 이상으로 형성되도록 상기 가우시안 빔을 위상 변조하는 것이 바람직하다. 그리고 여기의 LG 빔은 포획하고자 하는 상기 미세 물체의 개수 및 상기 미세 물체의 반경을 고려하여 상기 LG 빔의 개수 및 상기 LG 빔의 반경이 조절되는 것임이 바람직할 것이다.
또한, 상기 (b)단계는 홀로그램을 이용하여 상기 가우시안 빔을 위상 변조하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 (c)단계 이후에 (d) 상기 포획된 미세 물체를 촬상부를 통해 실시간 관찰하면서 상기 미세 물체를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것이 더욱 바람직할 것이다.
여기서, 상기 (b)단계는 (b1) 상기 가우시안 빔이 공간 광 변조기에 입사되는 단계 및 (b2) 상기 공간 광 변조기에 입사된 가우시안 빔에 홀로그램을 적용하여 링 형태의 강도분포를 갖는 LG 빔으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b)단계는 (b1) 상기 가우시안 빔이 공간 광 변조기에 입사되는 단계 및 (b2) 상기 공간 광 변조기에 입사된 가우시안 빔에 홀로그램을 적용하여 복수 개의 가우시안 빔으로 형성하는 단계를 포함하는 것도 바람직할 것이다.
본 명세서의 기재내용으로부터 파악되는 본 발명에 의한 광집게 시스템에 의하면, 미세 물체의 형상 및 개수에 구애받지 않고 미세 물체를 포획하여 이동시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 미세 물체의 굴절율이 매질의 굴절율보다 큰 일반적인 광 포획 조건에서 미세 물체를 포획할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수 개의 미세 물체를 실시간으로 관찰하면서 조작할 수 있어 마이크로 파트(micro-parts)의 조립이 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 마이크로 링 포획 방법을 설명하기 위해 도시한 도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법을 설명하기 위해 도시한 도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LG 빔 생성을 설명하기 위해 도시한 도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 물체 포획방법을 실험한 결과를 도시한 도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법을 설명하기 위해 도시한 도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수 개의 가우시안 빔을 형성하기 위한 홀로그램을 예시적으로 도시한 도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 물체 포획방법을 실험한 결과를 도시한 도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소에 바로 연결될 수도 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있음을 의미한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법을 설명하기 위해 도시한 도이다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 광집게 시스템(20)은 샘플 챔버부(200), 레이저 빔 생성부(600) 및 대물 렌즈부(300)를 포함한다.
샘플 챔버부(200)는 적어도 하나 이상의 미세 물체(900)와 상기 미세 물체(900)를 둘러싸는 매질을 포함하는 것으로 램프(500)의 광을 조사받을 수 있는 위치에 배치된다.
레이저 빔 생성부(600)는 미세 물체(900)를 포획 및 이동시키기 위해 상기 미세 물체(900)의 개수 및 형상에 따라 적응적으로 형성되는 레이저 빔을 생성한다. 여기의 일실시예에서 레이저 빔이 적응적으로 형성된다 함은 미세 물체의 형상이 링(ring) 형상인 경우 링 형상 미세 물체의 반경 및 크기 등을 고려하여 링 형상의 레이저 빔을 형성하는 것을 의미한다. 즉, 링 형상의 미세 물체(마이크로 링)를 포획하기 위해 레이저 빔 생성부(600)에서는 LG 빔 (Languerre-Gaussian Beam)을 생성한다.
이 LG 빔은 링 형태의 강도(intensity) 분포와 나선형의 위상 분포를 가지고 있는 빔으로 가우시안 빔의 위상을 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)로 변조하여 생성되는 데, 공간 광 변조기를 이용하여 LG 빔을 생성하는 것에 관한 상세한 설명은 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LG 빔의 생성을 설명하기 위해 도시한 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 빔 생성부(600)는 가우시안 빔 생성기(100), 공간 광 변조기(700) 및 컴퓨터(800)를 포함한다.
가우시안 빔 생성기(100)는 가우시안 빔을 생성하여 방출하고, 여기서 방출된 가우시안 빔은 공간 광 변조기(700)에 입사된다.
공간 광 변조기(700)는 상기 입사된 가우시안 빔을 위상 변조하여 LG 빔을 생성한다. 여기의 공간 광 변조기(700)는 컴퓨터(800)에서 제공되는 홀로그램을 이용하여 가우시안 빔을 LG 빔으로 형성한다. 즉, 이 LG 빔은 정수인 radial mode index (p)와 azimuthal mode index (l)에 의해 링의 개수 및 링의 반경이 결정된다. 생성된 LG 빔은 후술할 대물 렌즈부(300)로 집속되어 샘플 챔버(200)의 평면에서 링 트랩(ring trap)을 생성하며 링 트랩은 매질 속에 있는 굴절률이 높은 링 형상의 미세 물체(이하, 마이크로 링(900))를 포획한다. 마이크로 링(900)의 포획이 가능한 이유는 상기 링 트랩의 강도(intensity)가 강한 부분으로 끌어당겨지는 기울기 힘(gradient force)이 마이크로 링(900)에 작용하기 때문이다. 링 트랩은 azimuthal mode index를 증가시킴에 따라 링 반경이 선형적으로 증가하므로, 링 반경을 조절하면 다양한 크기의 마이크로 링을 포획할 수 있다. 마이크로 링을 포획하기 위해서는 마이크로 링의 크기가 링 트랩의 크기와 유사해야 하며 포획된 마이크로 링(900)은 후술할 촬상부(400)를 통해 관찰된다.
도 3에 도시된 예에서는 공간 광 변조기(700)에 전송된 홀로그램으로 가우시안 빔의 위상을 변조하여 LG 빔을 생성하는 방법이 도시되어 있다. LG 빔을 만들기 위해 사용하는 홀로그램은 azimuthal mode index에 따라 다른 형태를 가지며, 도 3에서는 azimuthal mode index가 10일 때의 홀로그램을 컴퓨터에서 계산한 후 공간 광 변조기(700)로 전송하는 것을 보이고 있다. 이외에도 LG 빔을 만드는 방법은 DOE(Diffractive Optical Element), cylindrical lens쌍으로 이루어진 mode converter, phase plate를 이용하는 방법들이 사용되는 것도 가능함에 유의해야 한다.
다시 도 2를 참조하면, 대물 렌즈부(300)는 레이저 빔을 집속하여 미세 물체에 집속된 레이저 빔을 조사한다. 즉, 대물 렌즈부(300)는 대물 렌즈부로 집속된 LG 빔이 미세 물체(900)에 조사되는 광 트랩(1000')으로 형성하기 위해 LG 빔을 미세 물체(900)로 포커싱하는 기능을 담당한다. 기타, 도 2의 참조부호 DM,L1 및 M은 도 1에서 설명한 바와 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.
또한, 촬상부(400)는 램프(500)에서 조사된 광이 입사되어 샘플 챔버부(200)에서 미세 물체(900)가 광 포획된 상태 및 미세 물체(900)가 조작되는 과정을 실시간으로 관찰할 수 있도록 구비된다. 여기의 촬상부(400)는 CCD (Charge-Coupled Device) 카메라가 사용됨이 바람직하나, 이에 국한되지 않고 CMOS 카메라 등 샘플 챔버부(200)에서의 미세 물체(900)의 포획 및 이동을 실시간 관찰할 수 있는 다양한 카메라가 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 물체 포획방법을 실험한 결과를 도시한 도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 실험에서는 azimuthal mode index가 20인 LG 빔(LG0 ,20)을 이용하여 외경이 8μm, 내경이 4.5μm, 두께가 2μm인 마이크로 링을 포획하였다. 도 4(a)는 마이크로 링을 포획한 도이고, 도 4(b)는 포획된 마이크로 링을 좌측으로 이동시킨 도이며 도 4(c)는 샘플 챔버의 깊이 방향 (광축방향)으로 마이크로 링을 들어 올린 모습을 도시한 도로써, 이는 주위 물체들의 포커싱 정도가 달라진 것으로부터 확인된다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법에 관한 설명을 개시한다. 다른 실시예에 따른 광집게 시스템은 미세 물체의 굴절률이 주위 매질보다 큰 일반적인 광포획 조건에서 미세 물체를 포획하는 것이 가능한데, 미세 물체의 안정적인 포획을 위해 미세 물체 상에 다수의 트랩을 동일한 간격으로 배치시키는 방법을 사용한다. 따라서 다양한 형상의 마이크로 부품을 같은 공간에서 포획할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광집게 시스템 및 이를 이용한 미세 물체 포획방법을 설명하기 위해 도시한 도이다. 다른 실시예에 따른 광집게 시스템(30)은 샘플 챔버부(200), 가우시안 빔 생성기(100), 공간 광 변조기(700) 및 대물 렌즈부(300)를 포함한다. 샘플 챔버부(200) 및 대물 렌즈부(300)에 대한 설명은 상술한 바로 갈음하고, 여기서는 가우시안 빔 생성기(100) 및 공간 광 변조기(700)에 관해 상세히 설명한다.
가우시안 빔 생성기(100)는 광 트랩을 형성하기 위한 가우시안 빔을 생성하고, 여기서 생성된 가우시안 빔은 공간 광 변조기(700)에 입사된다. 또한, 공간 광 변조기(700)는 컴퓨터(800)에서 제공되는 홀로그램을 입력받아 상기 가우시안 빔을 위상 변조하여 복수 개의 가우시안 빔을 형성한다. 즉, 공간 광 변조기(700)는 포획하고자 하는 미세 물체의 개수 및 형상에 따라 적응적으로 복수 개의 가우시안 빔을 형성한다. 여기서 복수 개의 가우시안 빔을 적응적으로 형성한다 함은 예를 들면, 미세 물체의 형상이 원기둥 형상(rod)인 경우 상기 미세 물체의 길이 방향을 따라 동일한 간격으로 배열된 초점들을 형성할 수 있는 복수 개의 가우시안 빔을 형성하는 것이며, 이러한 미세 물체들이 여러 개 존재하는 경우에도 상술한 바와 마찬가지로 미세 물체들의 형상을 따라 배열되는 초점들 형성할 수 있도록 복수 개의 가우시안 빔을 형성한다는 의미이다.
바람직하게는, 가우시안 빔 생성기(100)에서 출력된 가우시안 빔은 두 개의 렌즈로 이루어진 빔 확장기(150)에 의해 2배 확대되며, 확대된 가우시안 빔은 제1 거울(M1)을 통해 공간 광 변조기(700)에 입사된다. 공간 광 변조기(700)는 컴퓨터(800)에서 제공되는 홀로그램을 입력받아 가우시안 빔을 복수 개의 가우시안 빔으로 형성한다. 복수 개의 가우시안 빔은 제1 렌즈(L1) 및 제2 렌즈(L2)를 통해 색선별거울(DM, Dichroic Mirror))에서 대물 렌즈부(300)로 전달되어 집속된다. 대물 렌즈부(300)에 의해 집속된 복수 개의 가우시안 빔은 샘플 챔버부(200)에 존재하는 미세 물체(900)를 포획하기 위해 상기 미세 물체에 조사된다. 이러한 복수 개의 가우시안 빔을 복수 개의 가우시안 빔 싱글 트랩이라 지칭한다. 이 때, 복수 개의 가우시안 빔 싱글 트랩은 사용자의 제어에 따라 자유롭게 위치 제어 되어 미세 물체(900)의 형상에 대응하도록 형성된다.
따라서, 도 5(b)에서와 같이, 링 형상의 미세 물체(마이크로 링, 900)의 경우 마이크로 링(900)의 둘레를 따라 배열되는 복수 개의 가우시안 빔 싱글 트랩(1000")을 형성한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수 개의 가우시안 빔을 형성하기 위한 홀로그램을 예시적으로 도시한 도이다.
공간 광 변조기(700)로 입사된 가우시안 빔은 홀로그램에 의해 미세 물체의 형상을 커버할 수 있는 복수 개의 가우시안 빔을 형성할 수 있다. 도 6(a) 및 도 6(b)는 링 형상의 미세 물체를 포획하기 위해 복수 개의 가우시안 빔 싱글 트랩(1000")으로 이루어진 광 트랩을 생성하기 위한 홀로그램을 예시적으로 나타낸 도로써, 여기서 도 6(a)는 5개의 가우시안 빔 싱글 트랩(1000")을 형성하기 위해 사용된 홀로그램이며, 도 6(b)는 8개의 가우시안 빔 싱글 트랩(1000")을 형성하기 위해 사용된 홀로그램이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 물체 포획방법을 실험한 결과를 도시한 도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 실험에서는 복수 개의 가우시안 싱글 빔 트랩을 이용하여 외경이 8μm, 내경이 5μm, 두께가 5μm인 마이크로 링을 포획하였다. 도 7(a)는 광포획 전 마이크로 링이 매질(물) 속에 자유롭게 있는 상태를 나타낸다. 단일의 가우시안 빔 싱글 트랩을 마이크로 링 가까이 가져갔을 경우에는 도 7(b)에서와 같이 마이크로 링이 회전되어 광축으로 정렬되는 현상이 발생하였고 이로 인해 포획된 마이크로 링의 자세 제어가 어려웠다. 그러나, 다른 실시예에서 제안된 방법으로 복수의 가우시안 빔 싱글 트랩을 미세 물체상에 배치였을 경우에는 도 7(c)에서와 같이 마이크로 링을 광축과 수직인 평면에서 포획할 수 있었으며 포획된 마이크로 링을 위치를 쉽게 제어할 수 있었다. 포획을 위해 노란색 점으로 표시된 5개의 가우시안 빔 싱글 트랩을 사용하였다. 그러나, 더 많은 트랩을 균일한 간격으로 배치한다면 더욱 안정적으로 마이크로 링을 포획함이 가능하다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 레이저 빔 생성부에서 링 형태의 강도 분포를 갖는 LG 빔과 복수 개의 가우시안 빔을 동시에 생성하여 미세 물체의 개수 및 형상에 따라 적응적으로 광 트랩을 형성한다. 즉, 레이저 빔 생성부를 구성하는 공간 광 변조기는 입력된 가우시안 빔을 컴퓨터가 제공하는 홀로그램을 이용하여 위상 변조하여 동시에 LG 빔과 복수 개의 가우시안 빔을 형성한다. 가우시안 빔의 위상 변조에 의해 LG 빔과 복수 개의 가우시안 빔을 동시에 형성하는 방법은 상술한 LG 빔 또는 복수 개의 가우시안 빔을 형성하는 방법을 참조하는 것에 의해 쉽게 구현될 수 있으므로 여기서는 이에 대한 설명을 생략한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 사상적 범주에 속한다.

Claims (18)

  1. 적어도 하나 이상의 미세 물체와 상기 미세 물체를 둘러싸는 매질을 포함하는 샘플 챔버부;
    상기 미세 물체를 포획 및 이동시키기 위해 상기 미세 물체의 개수 및 형상에 따라 적응적으로 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성부; 및
    상기 레이저 빔을 집속하여 상기 레이저 빔이 미세 물체에 조사되도록 포커싱하는 대물 렌즈부를 포함하고,
    상기 레이저 빔 생성부는, 상기 레이저 빔을 홀로그램을 이용하여 링 형태의 강도(intensity) 분포를 갖는 LG(Languerre-Gaussian) 빔으로 형성하고, 상기 LG빔은 포획하고자 하는 상기 미세 물체의 개수 및 상기 미세 물체의 반경을 고려하여 상기 LG 빔의 개수 및 상기 LG 빔의 반경이 조절되는 것임을 특징으로 하는 광집게 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔 생성부는
    가우시안 빔을 생성하는 가우시안 빔 생성기;
    상기 홀로그램을 이용하여 상기 가우시안 빔을 위상 변조하여 상기 LG 빔을 형성하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator); 및
    상기 공간 광 변조기에 상기 홀로그램을 전송하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광집게 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 홀로그램은 그레이 레벨 이미지 형태로 상기 공간 광 변조기로 전송되는 것을 특징으로 하는 광집게 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔 생성부는
    링 형태의 강도분포를 갖는 상기 LG 빔과 복수 개의 가우시안 빔을 동시에 생성하는 것임을 특징으로 하는 광집게 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 레이저 빔 생성부는
    상기 가우시안 빔을 생성하는 가우시안 빔 생성기;
    상기 홀로그램을 이용하여 상기 가우시안 빔의 위상을 변조하여 상기 LG 빔과 상기 복수 개의 가우시안 빔을 형성하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator); 및
    상기 공간 광 변조기에 상기 홀로그램을 전송하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광집게 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광집게 시스템은
    상기 레이저 빔에 의해 포획된 상기 미세 물체의 이동을 실시간으로 확인하기 위한 촬상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광집게 시스템.
  12. (a) 가우시안 빔을 생성하는 단계;
    (b) 포획하고자 하는 미세 물체의 개수 및 형상을 고려하여 상기 가우시안 빔을 위상 변조하는 단계; 및
    (c) 상기 위상 변조된 가우시안 빔의 초점 위치를 조절하고 상기 위상 변조된 가우시안 빔을 상기 미세 물체에 조사하여 상기 미세 물체를 포획하는 단계를 포함하되,
    상기 (b) 단계는, 상기 가우시안 빔이 링 형태의 강도분포를 갖는 LG빔을 형성하도록 홀로그램을 이용하여 상기 가우시안 빔을 위상변조하며, 상기 LG빔은 포획하고자 하는 상기 미세 물체의 개수 및 상기 미세 물체의 반경을 고려하여 상기 LG 빔의 개수 및 상기 LG 빔의 반경이 조절되는 것임을 특징으로 하는 미세 물체 포획방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서, 상기 (c)단계 이후에
    (d) 상기 포획된 미세 물체를 촬상부를 통해 실시간 관찰하면서 상기 미세 물체를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 물체 포획방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 (b)단계는
    (b1) 상기 가우시안 빔이 공간 광 변조기에 입사되는 단계; 및
    (b2) 상기 공간 광 변조기에 입사된 가우시안 빔에 상기 홀로그램을 적용하여 링 형태의 강도분포를 갖는 상기 LG 빔으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 물체 포획방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
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