(57)【要約】簡単な構造の光マイクロモータを提供する。本発明による光マイクロメータは、レーザ光を発生する光源（１０１）と、前記レーザ光をラゲール・ガウシアンビームに変換する光学素子（１０３）と、前記ラゲール・ガウシアンビームが照射されることによって回転するロータ（１０５）と、を備えている。
2009016769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生する光源と、
前記レーザ光をラゲール・ガウシアンビームに変換する光学素子と、
前記ラゲール・ガウシアンビームが照射されることによって回転するロータと、を備えた光マイクロモータ。
【請求項２】
第１のレーザ光を発生する第１の光源と、
前記第１のレーザ光を第１のラゲール・ガウシアンビームに変換する第１の光学素子と、
第２のレーザ光を発生する第２の光源と、
前記第２のレーザ光を第２のラゲール・ガウシアンビームに変換する第２の光学素子と、
前記第１のラゲール・ガウシアンビームが照射されることによって所定の方向に回転し、前記第２のラゲール・ガウシアンビームが照射されることによって前記所定の方向と反対の方向に回転するロータと、を備えた光マイクロモータ。
【請求項３】
前記ロータは、前記ロータの周囲の物質の屈折率よりも高い屈折率を有する物質からなる請求項１または２に記載の光マイクロモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光マイクロモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
光を使って物体を動かす技術として、光トラッピング技術が知られている（たとえば、Ａ．Ａｓｈｋｉｎ，Ｊ．Ｍ．Ｄｚｉｅｄｚｉｃ，Ｊ．Ｅ．Ｂｊｏｒｋｈｏｌｍ，ａｎｄ  Ｓ．Ｃｈｕ：“Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ−ｂｅａｍ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｆｏｒｃｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｐ  ｆｏｒ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１１  Ｎｏ．５，２８８−２９０（１９８６））。この技術は、周辺部の媒質と異なる屈折率を持つ微小物体に入射した光が、微小物体の表面で屈折または反射されることで光子の運動量が変化し、運動量の保存則に基づいて微小物体に運動量の変化を生じさせる原理を利用している。その結果、微小物体には光の焦点方向に力が働き、微小物体は、焦点へ向かって移動する。さらに、光の焦点を移動させれば同時に微小物体も移動させることができるので、液体中の細胞や高分子物質を自由に操作することが可能となる。
光トラッピング技術の利点は、通常のピンセットやマニピュレーターとは異なり、物体に損傷を与えずに非接触で操作できることである。操作対象には、プラスチックなどで構成された微小球や任意形状をもつ微小片といった微小ツールも含まれ、顕微鏡による観測下で細胞や高分子物質を間接的に操作することも行われている（たとえば、Ｚ．Ｈｕ，Ｊ．Ｗａｎｇ，ａｎｄ  Ｊ．Ｌｉａｎｇ：“Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ａｎｄ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｂｙ  ａ  ｌｅｎｓｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｐｒｏｂｅ，”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１２  Ｎｏ．１７，４１２３−４１２８（２００４））。
さらに、光トラッピング技術を微細構造で形成されたポンプやモーターの駆動源として用いる方法が提案されている（たとえば、特開２００５−２７４９５号公報）。この方法は、微細構造で形成されたロータをトラッピング技術で所定の位置に捕捉して、光の反射と透過による運動量変化の効果によって発生する放射圧で、ロータに回転を与える。しかしながら、この方法ではロータの回転中心を捕捉するための光源およびロータを回転させるための光源として、複数のレーザ光源を必要とする。また、ロータを回転させるのに一方のレーザを移動または切り替える必要があるので、全体の構成が複雑になる。ロータの回転中心を固定するために、中心軸を微細加工で製造すれば、ロータを回転させるための光源だけで構成することが可能であるが、中心軸を微細加工で製造することは容易ではない。
【発明の開示】
【０００３】
上記の背景技術の下で、簡単な構造の光マイクロモータに対するニーズがある。
本発明による光マイクロメータは、レーザ光を発生する光源と、前記レーザ光をラゲール・ガウシアンビームに変換する光学素子と、前記ラゲール・ガウシアンビームが照射されることによって回転するロータと、を備えている。
本発明の光マイクロモータによれば、ラゲール・ガウシアンビームを照射することにより、微細加工で製造される中心軸を有さないロータを、所定の軸を中心に回転させることができる。また、ロータを回転させるのに、光源を移動させる必要がない。
本発明による光マイクロメータは、第１のレーザ光を発生する第１の光源と、前記第１のレーザ光を第１のラゲール・ガウシアンビームに変換する第１の光学素子と、第２のレーザ光を発生する第２の光源と、前記第２のレーザ光を第２のラゲール・ガウシアンビームに変換する第２の光学素子と、前記第１のラゲール・ガウシアンビームが照射されることによって所定の方向に回転し、前記第２のラゲール・ガウシアンビームが照射されることによって前記所定の方向と反対の方向に回転するロータと、を備えている。
本発明の光マイクロモータによれば、ラゲール・ガウシアンビームを照射することにより、微細加工で製造される中心軸を有さないロータを、所定の軸を中心に、所定の方向および前記所定の方向と反対方向に回転させることができる。また、ロータを回転させるのに、光源を移動させる必要がない。
一実施形態による光マイクロメータにおいて、前記ロータは、前記ロータの周囲の物質の屈折率よりも高い屈折率を有する物質からなる。
本実施形態による光マイクロメータにおいては、ロータへ入射する前に光が発散し、集光しなくなるのが防止される。
本発明によれば、簡単な構造の光マイクロメータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
第１図は、一実施形態による光マイクロモータの構成を示す図である。
第２図は、ラゲール・ガウシアンビームを受光することによってロータが回転する原理を説明するための図である。
第３図は、ラゲール・ガウシアンビームの強度分布を示す図である。
第４図は、入射されたレーザ光をラゲール・ガウシアンビームへ変換する光学素子の位相変化を示した図である。
第５図は、光マイクロモータの設計方法を示す流れ図である。
第６図は、数式を使用して求めた光学素子の形状を示す図である。
第７図は、焦点における強度分布を考慮して、フレネル積分を使用して求めた光学素子の断面形状を示す図である。
第８図は、ラゲール・ガウシアンビームの入射エネルギーＥの強度とトラップ可能なロータの質量との関係を示す図である。
第９図は、他の実施形態による光マイクロモータの構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、一実施形態による光マイクロモータの構成を示す図である。光マイクロモータは、レーザ光源１０１、光学素子１０３およびロータ１０５を備える。レーザ光源１０１から光学素子１０３にレーザ光が照射される。レーザ光は、光学素子１０３によってラゲール・ガウシアンビームＢに変換され、ロータ１０５に照射される。ロータ１０５は、以下に説明する原理により、所定のラゲール・ガウシアンビームＢを受光することによって回転する。
図２は、ラゲール・ガウシアンビームを受光することによってロータが回転する原理を説明するための図である。図２に示すように、ラゲール・ガウシアンビームの光のエネルギーの流れＥは、らせん状に進行する。ラゲール・ガウシアンビーム中の微小物体Ｐには、重力と光のエネルギーによる力が作用する。
微小物体Ｐに作用する鉛直方向の力は、重力と、光のエネルギーの流れＥによる力の鉛直成分Ｆ３と、光の放射圧による力Ｆ４である。光の放射圧による力Ｆ４は、光の進行方向と逆方向に作用する。光が微小物体Ｐ内で屈折し、または微小物体の表面で反射する際に、光自体の運動量が変わる。このため、微小物体には、運動量の変化に対する反作用として、光の進行方向と逆方向に放射圧による力Ｆ４が作用する。ここで、放射圧による力Ｆ４の大きさが、光のエネルギーの流れＥによる力の鉛直成分Ｆ３と微小物体の重力ＦＧの総和に等しければ、微小物体Ｐに作用する鉛直方向の力は０となる。したがって、微小物体Ｐは鉛直方向に対しては静止した状態となる。
微小物体Ｐに作用する水平方向の力は、光のエネルギーの流れＥによる力の水平成分である。光のエネルギーの流れＥによる力の水平成分は、回転力Ｆ１と向心力Ｆ２である。したがて、微小物体Ｐは、ラゲール・ガウシアンビームに沿って円運動する。
上記の説明における微小物体Ｐをロータ１０５に置き換えれば、ロータ１０５が、ラゲール・ガウシアンビームの光のエネルギーの流れＥによって回転することは明らかである。
図３は、ラゲール・ガウシアンビームの強度分布を示す図である。図３（ａ）の横軸は、半径方向を示し、縦軸はビームの強度を示す。図３（ｂ）は、ビームの進行方向に垂直な面を示す図である。図３（ｂ）の２個の同心円は、ビームの強度がピーク強度の０．５となる位置を示す。図３（ｂ）の外側の円の変形をビーム半径と呼称する。
ラゲール・ガウシアンビームの強度は、以下の式（１）で表せる。
2009016769.tif 000003
ここで、ｒは中心からの距離、ｗはビーム半径、ｐ、ｌは任意の整数である。また、Ｃは任意の規格化定数であり、Ｌｐ２ｌはｐのモードを持つｌ次のラゲール関数を示している。
図４は、入射されたレーザ光をラゲール・ガウシアンビームへ変換する光学素子１０３の位相変化を示した図である。光学素子１０３の任意の半径（Ｒ１、Ｒ２）の円に沿って１周した際の位相変化は２πである。
図５は、光マイクロモータの設計方法を示す流れ図である。
図５のステップＳ０１０において、ロータを設計する。具体的には、ロータの直径、重量、形状を定める。また、ロータの周囲の媒質の屈折率ｎ１およびロータの屈折率ｎ２を定める。また、ロータの透過率Ｔおよび反射率Ｒを求める。
図５のステップＳ０２０において、ラゲール・ガウシアンビームを設計する。最初に、レーザ光の波長λおよび焦点距離ｆを定める。一方、ラゲール・ガウシアンビームの強度分布Ｉは、式（１）によって計算することができる。レーザの入射エネルギーＥは最大強度Ｉ０とＩとの積である。
2009016769.tif 000004
一方、入射エネルギーＥのレーザ光によって回転可能なロータの質量は、その質量分布が質点系であると仮定すると、近似的に以下の式（３）から計算することができる。
2009016769.tif 000005
ここで、Ｍはロータの質量、ｇは重力加速度、ｃは光速度ｃ、θ１はロータへの入射角度、θ２は透過角度を表す。
したがって、式（２）および（３）から、入射エネルギーＥの最大強度Ｉ０を求めることができる。
図８は、ラゲール・ガウシアンビームの入射エネルギーＥの強度とトラップ可能なロータの質量との関係を示す図である。ラゲール・ガウシアンビームを、ロータ全体が受けるエネルギーが１ｍＷとなるようにロータに照射している。ロータの屈折率１．５、周辺部の屈折率１．３３、透過率０．９６、反射率０．０４とする。ロータの屈折率を周辺部の屈折率よりも高くするのは、ロータへ入射する前に光が発散し、集光しなくなるのを防ぐためである。
図８（ａ）は、ロータ面上におけるラゲール・ガウシアンビームの強度分布を示す図である。強度の単位は、ｍＷ／μｍである。
図８（ｂ）は、ラゲール・ガウシアンビームの中心からの距離とラゲール・ガウシアンビームの強度との関係を示す図である。横軸は中心からの距離を表し、縦軸はラゲール・ガウシアンビームの強度を表す。
図８（ｃ）は、ラゲール・ガウシアンビームの中心からの距離と、ロータの、該距離を半径とする円の領域が受ける放射圧による力の総和との関係を示す図である。横軸は中心からの距離を表し、縦軸は放射圧による力の総和を表す。ラゲール・ガウシアンビームの中心ではビーム強度が０であるため放射圧が作用しない。中心からの距離が増加すると、図８（ｂ）のビーム強度が０でない領域においては、ロータに作用する放射圧による力の総和は増加する。しかし、図８（ｂ）のビーム強度が０である領域においては、ロータに作用する放射圧による力の総和は増加しない。ロータに作用する放射圧による力の総和の最大値は、０．２６８ｐＮである。
図８（ｄ）は、ラゲール・ガウシアンビームの中心からの距離と、トラップ可能なロータの質量との関係を示す図である。横軸は中心からの距離を表し、縦軸はトラップ可能なロータの質量を表す。ラゲール・ガウシアンビームの中心ではビーム強度が０であるため放射圧が作用せず、トラッピングを行うことができない。中心からの距離が増加すると、トラップ可能なロータの質量は、図８（ｂ）のビーム強度が０でない領域においては、ロータに作用する放射圧による力の総和の増加にしたがって増加する。しかし、図８（ｂ）のビーム強度が０である領域においては、ロータに作用する放射圧による力の総和は増加しないのでトラップ可能なロータの質量も増加しない。トラップ可能なロータの質量の最大値は、２．７３ｘ１０−１４ｋｇである。このように、放射圧によってトラップできるロータの質量は、入射ビーム径の照射範囲とビームの強度によって決まる。
図５のステップＳ０３０において、ラゲール・ガウシアンビームを形成する光学素子を設計する。
設計する光学素子による位相分布を、所定の焦点距離ｆで集光させる回折レンズの位相分布φ１と、ラゲール・ガウシアンビームへ変換するための位相分布φ２とに分けて考える。位相分布φ１，φ２は、素子平面上
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と表せる。ここでラゲール・ガウシアンビームへ変換するための位相分布φ２は、図４に示した位相分布に対応する。式（４）および式（５）を使用して、格子周期およびレンズ部分の断面形状を算出する。
ロータの、中心軸を含む断面において、中心から周縁部に向かって、段差部分に番号ｍをつける（図６（ａ）参照）。第ｍ番目の段差部分の中心からの距離をｒｍして、
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を満たすｒｍを求めと、格子周期Λｍは，
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と表せる。
一方、光学素子の、中心からの距離ｒにおける格子高さをｈ（ｒ）とすると、
2009016769.tif 000009
と表せる。
図６は、式（４）乃至式（９）を使用して求めた光学素子の形状を示す図である。具体的に、図６（ａ）乃至図６（ｄ）は、図４において、Ｘ軸に対する角度が、それぞれ、
０，．π／２，π，（３π）／２
の方向の、光学素子の断面形状を示す図である。図６（ａ）の段差部分に付した数字は、上記のｍである。上記の計算には、焦点における強度分布の計算が含まれていない。
図７は、焦点における強度分布を考慮して、フレネル積分を使用して求めた光学素子の断面形状を示す図である。具体的に、焦点における強度分布は、ラゲール・ガウシアン分布となるようにする。図７は、図４において、Ｘ軸に対する角度が、
０
の方向の、光学素子の断面形状を示す図である。
光学素子の設計条件は、位相変化の段差数は１６とし、レーザの波長６５０ｎｍ、焦点距離５０μｍ、光学素子の大きさは５０μｍである。また、光学素子の材質は、ガラスもしくはプラスチックであり、屈折率は１．５である。
ここで、位相変化の段差数をＬとすると、格子高さは、
2009016769.tif 000010
と表せる。
ここで、位相変化の段差数とは、格子凸部を階段形状とした場合に、最大の段差数である。たとえば、図７において、素子の幅方向の座標値が−１０乃至−５マイクロメータ付近の格子凸部の段差数は８である。
図９は、他の実施形態による光マイクロモータの構成を示す図である。光マイクロモータは、レーザ光源１０１ａおよび光学素子１０３ａを備える第１の光学系と、レーザ光源１０１ｂおよび光学素子１０３ｂを備える第２の光学系と、ロータ１０５と、を備える。第１の光学系によって、ロータ１０５の一方の面にラゲール・ガウシアンビームＢ１が照射され、第２の光学系によって、ロータ１０５の他方の面にラゲール・ガウシアンビームＢ２が照射される。第１および第２の光学系によるロータ１０５の回転方向が同一になるように構成すれば、単一の光学系による場合と比較して、２倍の質量のロータを回転させることができる。第１および第２の光学系によるロータ１０５の回転方向が反対になるように構成すれば、一方の光学系からレーザ光を入射させることにより、ロータ１０５の回転方向を切り替えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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