(57)【要約】  対向する光反射材を含み、流体を収容する光学キャビティを用いて、流体中の分極性粒子の特性が検出される。粒子は流体を通じて光学キャビティに導入される。粒子は一時的にキャビティ内にあっても、光学的にトラッピングされてもよい。粒子を収容する光学キャビティは、粒子に影響を受ける光学キャビティの光モードの共振を励起する光で照明される。励起された共振のパラメーターの測定は、例えば共振によるチューニングの間に得られる。光学キャビティ中の粒子の運動に依存する粒子の特性の測定を得るために反復測定値が用いられうる。
2019522184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を間に収容する対向する光反射材を含む開放型光学キャビティを用いて、前記流体中の分極性粒子の特性を検知する方法であって、
前記光学キャビティに前記流体を通じて少なくとも一つの粒子を導入することと、
個々の粒子によって影響を受ける前記光学キャビティの光モードの共振を励起する光で前記粒子を収容する前記光学キャビティを照明することと、
前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得ることとを含む、方法。
【請求項２】
前記光学キャビティを照明するステップが、共振によるチューニングをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
対向する反射材が相対移動可能であり、前記共振によるチューニングのステップが前記対向する反射材を相対的に動かしてキャビティ長を調整することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
光学測定を行うことによる前記チューニングのステップの間にキャビティ長を監視すること、及び前記監視されたキャビティ長に応じて前記対向する反射材の前記相対移動を制御してドリフトに対し安定化することをさらに含む、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記共振による前記チューニングのステップが繰り返し実行され、前記少なくとも一つの測定値を得るステップが繰り返しチューニングされた共振の少なくとも一つのパラメーターの反復測定値を得ることを含む、請求項２から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得るステップが、
光学キャビティから出力された光を測定すること、及び
前記少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を前記測定された光から得ること
を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記光学キャビティを照明するステップが、前記共振によるチューニングをさらに含み、前記光学キャビティから出力された前記光を測定するステップが前記共振による前記チューニングのステップの間に実行される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記照明するステップが前記粒子を収容する前記光学キャビティをレーザーからの光で照明することを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記照明光は偏光性を有し、前記光モードの共振は分極電界を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学キャビティは光モード体積が10μm3以下である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学キャビティはフィネスが１００以上である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記対向する光反射材の少なくとも一つが２つの直交する次元について凹形である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記対向する光反射材の両方が平面形状である、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
初めに定義された前記光学キャビティを含む複数の光学キャビティのアレイが提供され、それぞれの光学キャビティが対向する光反射材を含み、前記光反射材の少なくとも一つが二つの次元について凹形であり、それぞれの光学キャビティが前記流体を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法であって、
それぞれの光学キャビティに前記流体を通じて個々の粒子を導入すること、
粒子を収容する複数の光学キャビティについて、前記粒子によって影響を受ける前記複数の光学キャビティの光モードの共振を励起する光で前記複数の光学キャビティを照明すること、及び
粒子を収容する光学キャビティのそれぞれについて、前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得ることを含む、
方法。
【請求項１５】
異なる共振周波数の前記光学キャビティの光モードの共振を励起する同一の光源からの光で、全ての前記光学キャビティが照明される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の光学キャビティが異なる共振周波数の光モードを有する、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のキャビティのうち一つ以上に流体を通じて個々の粒子が導入される、請求項１４から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の光学キャビティが、粒子が導入されない基準光学キャビティを含み、粒子を収容する光学キャビティのそれぞれについて全ての前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの前記少なくとも一つの測定値が、粒子を収容する前記光学キャビティと前記基準キャビティとの測定差分値である、請求項１４から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記光学キャビティへ前記流体を通して複数の粒子を導入し、
個々の粒子の周囲にあって、前記個々の粒子に影響を受ける局所領域において前記光学キャビティの光モードの共振を励起する光で前記光学キャビティを照明し、
前記光学キャビティの前記局所領域について前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得る、
請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
異なる共振周波数の前記複数の局所領域について光モードの共振を励起する同じ光源からの光で前記光学キャビティが照明される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記局所領域についての前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの前記少なくとも一つの測定値が、前記光学キャビティのそれぞれ粒子を収容する局所領域と前記光学キャビティの粒子を収容しない局所領域とのの間の測定差分値である、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記共振が、前記光学キャビティに前記粒子を光学的にトラッピングする、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも一つのパラメーターが、前記励起された共振の共振周波数、位相、振幅及び幅の少なくとも一つを含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも一つのパラメーターが、偏光縮退が解消されたモードの共振の共振周波数、位相、振幅及び幅の少なくとも一つを含む、請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも一つのパラメーターが、前記粒子による光分散に依存する少なくとも一つのパラメーターを含む、請求項１から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの測定値を得るステップが、前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの反復測定値を得ることを含む、請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記反復測定値の分布から、前記光学キャビティ中の前記個々の粒子の運動に依存する前記粒子の特性の測定を得ることをさらに含む、請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記粒子の特性の前記測定が、前記粒子の分極率の測定である、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記粒子の特性の前記測定が、偏光テンソルの全体又は一部の測定である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記偏光テンソルの全体又は一部の測定が、前記ナノ粒子の楕円率の測定である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記粒子の特性の前記測定が、前記粒子の温度の測定である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記粒子の特性の前記測定が、前記反復測定値の分布の自己相関関数を用いて得られる前記流体中の前記粒子の摩擦係数の測定である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記摩擦係数の前記測定から、前記粒子のサイズの測定を得ることをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子の特性評価に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液中の粒子（ナノ粒子でもよい）のラベルフリーの特性評価を実現できることは、産業及び科学的な用途に重要である。ヘルスケア、材料科学、環境科学及び安全保障といった様々な分野全てにおいて、粒子の検出及びと特定が必要とされている。非常に低い濃度の30nmから300nmのサイズのナノ粒子を特定可能な技術が、生命科学や安全保障の用途において特に有用である。ウィルスや（遺伝情報の伝達において重要なアクターとなる）エキソソームなどの粒子が、この範囲のサイズで主に見つけられるためである。単一粒子レベルで複数の性質を特性評価することを可能にする方法研究は、特に、流体サンプルの内容を前もって知ることなく粒子をリアルタイムで監視すること及び特定することに価値を持つ。
【０００３】
実用において粒子の検出と特性評価に用いられる最も一般的な技術は、動的光散乱法（ＤＬＳ）である。ＤＬＳでは、溶液をレーザー光で照明し、摩擦係数と周囲の流体の粘度とに基づき、散乱強度の空間分布の時間的な揺らぎを用いて粒子のサイズ分布を決定する。通常この技術は粒子の大きな集合を特性評価するのに用いられるが、個々のナノ粒子にも応用可能で（計器の例としてはマルバーンのナノサイト製品がある）、それはナノトラッキング法（ＮＴＡ）として知られている。他の技術とも組み合わせることができ、その例としては、粒子のゼータ電位を特性評価する電気泳動がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サイズ情報のみではサンプル中の粒子を特定するのには不十分であることが多く、形状、構成物質又は化学的性質についてさらなる情報が必要となる。特定に役立つパラメーターの一つが誘電分極率αで、サイズ、形状、屈折率に依存している。分極率（polarizability）を測定する方法の一つは、小粒子ではα２で測られる散乱強度を用いるものだが、これは多分散サンプル中のシグナルのダイナミックレンジが広いこと及び光学強度のキャリブレーションを注意深く行う必要があることにより困難である。小粒子については、反射（又は伝導）光線と散乱光線の干渉がαに比例するシグナルを与えるが、これは動いている粒子を測定するには向かない。動いている粒子では、散乱光の相対位相は強く時間に依存する。ヘテロダイン検出などの干渉法が発展し、位相安定の必要があるものをサンプルから計器へと移行させてきたが、干渉計が環境摂動に対して安定するような強固な計器を製造するには課題が残っている。
【０００５】
集束光線での粒子のトラッピングとマニピュレーションも確立されている。特に、高度に集束したレーザーからのガウシアンビームが用いられることで、粒子は集束領域近くでトラッピングされる。粒子のブラウン運動を抑制するが消失させないようなトラッピング電位（trapping potential）を電界（電場）強度が定義する。トラップ中の粒子の位置を示す散乱光シグナル（又は伝導シグナルでも同等である）における揺らぎを測定することにより、ＤＬＳに類似する方法で粒子の動きを観察しうる。しかしながら、粒子のサイズを抽出するトラップ中の粒子の拡散性の動きの定量分析は、トラップ剛性パラメーターが精確なキャリブレーションを必要とすることにより妨げられる。トラップ剛性パラメーターの精確なキャリブレーションには、粒子の分極率をアプリオリに知る必要がある。粒子の分極率を得るための散乱強度のキャリブレーションの問題が残る。
【０００６】
近年、粒子をトラッピングし特性評価するのに用いられるフォトニック結晶キャビティなどの光共振キャビティについてのレポートが数件出されている。これらのシステムでは、粒子の存在により、粒子自体の屈折率と周囲の媒体の屈折率の違いから、キャビティモードのスペクトルシフトが起こる。これらのスペクトルシフトを監視して粒子の運動を調べることができる。シフトの最大値は、トラップにおける既知の電界強度分布に基づく粒子の分極率の直接的な尺度であり、したがって、完全にキャリブレーションした粒子の拡散性の運動に基づく特性評価を他の粒子の性質の測定と組み合わせることに大きな可能性がもたらされる。
【０００７】
フォトニック結晶キャビティを用いたそのような方法によって、小粒子をトラップし特性評価するために必要な、質の高い共振と小さなモード体積とが実現される。しかしそのような方法は、キャビティモードでは再現性の不足により限られたものになりうる。その理由の一部は、これらのキャビティ設計のトラッピング電位は一般にフォトニック結晶の場所又はフォトニック結晶と固体誘電体用の境界の極めて近くで最も強いという事実のためである。よって、粒子と固体状のキャビティ構造との間の接触力の詳細が重要になり、また液体溶媒中で拡散している粒子の摩擦係数の変化も重要になる。トラッピング電界強度が粒子の位置に依存するという自己誘導バックアクションによりこの問題は軽減されうるが、自己誘導バックアクションはキャリブレーションが困難である。さらなる課題としては、レーザー励起波長に関するフォトニック結晶キャビティモードのスペクトルチューニングにおいて、高価なチューニング可能なレーザー光源が必要であるため商業的なポテンシャルが限定されること、及びキャビティモードへ入出力する光のカップリングにおいて、高度な光学導波技術が必要であることがある。表面プラズモンに基づくナノスケールの光学キャビティについてはいくつかの研究が行われてきたが、これらは再現可能な型で製造するのが難しく、トラッピングされた粒子の定量的分析はまだできない。
【０００８】
要約すると、粒子の定量的特性評価を可能にし、単純で安価な装置を用いて実行しうる技術の開発することが明らかに必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、流体中の分極性粒子の特性を検知する方法が提供される。流体中の分極性粒子の特性を検知する当該方法は、当該流体を間に収容する対向する光反射材を含む開放型光学キャビティを用いる方法であって、
光学キャビティに流体を通じて少なくとも一つの粒子を導入することと、
個々の粒子によって影響を受ける光学キャビティの光モードの共振を励起する光で粒子を収容する光学キャビティを照明することと、
励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得ることとを含む。
【００１０】
つまり、この方法は、対向する光反射材を含む開放型光学キャビティを用いて分極性粒子の特性を検知する。この方法では、光学キャビティ中で対向する光反射材の間に収容される流体の中に粒子を配することで粒子を光学キャビティの中に導入できる。この構造は簡単に実装でき、測定のために粒子を導入することが容易になる。個々の粒子から影響を受ける光学キャビティの光モードの共振が励起され、励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの測定が得られる。粒子と周囲の流体とで光学的性質（例、反射率）が異なることに起因して、粒子によって共振の摂動（perturbation）が起こる。これにより、粒子の本来の性質に対し最小の摂動で粒子の特性評価をすることができる。このような方法は、生物医学及び環境科学から、セキュリティや製造業まで、広い範囲の用途に用いることができる。 
【発明を実施するための形態】
【００１１】
光学キャビティ及び照明光は、光学キャビティ内の粒子が共振によって光学的にトラッピングされるよう配置することができる。これにより多くの利点がもたらされる。第一に、それによって、そうでない場合に粒子が光学キャビティ内に残る標準的な拡散期間より有意に長い時間にわたって、粒子を捉え測定することができる。第二に、測定されたパラメーターはトラッピング電位内の粒子の運動についての情報を提供し、反復測定値を分析することで得られる粒子の特性についての有用な定量的情報を有意に増加させる。例えば、粒子による光散乱に依存するパラメーターの測定を得ることができる。さらに、反復測定値の分布から、光学キャビティ内の粒子の動きに依存する粒子の特性の測定を得ることができる。観察されうる特性の例は、粒子の分極率、粒子の温度、粒子の摩擦係数及び／又は粒子のサイズを含む。
【００１２】
この方法は、比較的低コストで製造が容易な設備を用いて実行されうる。
【００１３】
時間領域における出力の分析によって、励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値が得られるよう、光学キャビティに光を当てるステップは、共振によるチューニング(tuning through the resonance)をさらに含むことが有用である。その場合、チューニングは相対移動可能な対向する反射材を用いて実現されうる。つまり、対向する反射材を相対的に移動させキャビティ長を調整することによる共振でチューニングをする。これによって、この方法は、簡単に低コストの設備で実行することができる。照明光の光源はダイオードレーザーなどの単純な光源を使用できるような一定の周波数とし、チューニング可能な狭線幅の光源を必要としないようにする。同様に、照明の検出部はフォトダイオードのような単純な装置とし、高解像度の分光測定（high resolution spectroscopic measurement）を必要としないようにする。複数の光学キャビティのアレイ又は延長した平面キャビティを、一般に流通する時間分解能のある画像検出部とともに用いることで、この方法をパラレルセンシング用のアレイ装置に容易に拡張することができるという、さらなる利点がこれによってもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明をより理解可能にするため、発明を限定しない例によって添付図面を参照して説明する。
【図１】開放型光学キャビティの断面図である。
【図２】延長された開放型光学キャビティの模式的な透視図である。
【図３】図１に示す種類の複数の光学キャビティを含む装置の模式的な平面図である。
【図４】図３に示す種類の装置の基板の走査型電子顕微鏡の図である。
【図５】図１に示す種類の光学キャビティのシミュレーションの断面図である。
【図６】ナノ粒子が存在する位置の関数とした、図２に示す種類の光学キャビティの場合のバンド端のエネルギーのプロットである。
【図７】粒子の特定評価の方法のフローチャートである。
【図８】当該方法を実行するシステムの模式図である。
【図９】２つの異なるチューニング走査で実験的に得られたシステムの測定値検出の出力の２つのトレースのプロットである。
【図１０】時間の経過とともに繰り返し測定された共振周波数のプロットである。
【図１１】時間の経過とともに繰り返し測定された共振周波数のプロットである。
【図１２】実験的に得られた複数の反復測定値の一組についての共振の共振周波数及び共振の線幅の散布図である。
【図１３】実験的に得られた複数の反復測定値の一組についての標準化シフトに対する占有率のプロットである。
【図１４】記録された一連のモードシフトについての実験的な測定値から得られた標準化自己相関関数のプロットである。
【図１５】測定レーザーの３つの異なるパワーについて算出された剛性パラメーターの平均値の、測定された相関関数における減衰定数に対するプロットである。
【００１５】
ここに説明する方法において用いられる光は、紫外線（ここでは10nmから380nmの範囲の波長を有すものと定義する）、可視光線（ここでは380nmから740nmの範囲の波長を有すものと定義する）、赤外線（ここでは740nmから300μmの範囲の波長を有すものと定義する）でありうる。光の波長は混合されていてもよい。ここでは、「光（学）の」及び「光（学）」という単語はこの方法を適用する光全般について用いる。
【００１６】
ここに説明する方法では、粒子は以下の種類からなる。
【００１７】
当該方法は、関心対象の分極性粒子のあらゆる種類に適用しうる。原理上、分極性のあるあらゆる粒子が共振に影響を与え、応答を出す。ただし、応答の大きさには分極率の程度が影響しうる。
【００１８】
光学キャビティが粒子を収容するのに十分なサイズである必要があるという条件の下、粒子はどのようなサイズでもあってよい。そのようなサイズの制限により、比較的小さな光学キャビティを用いて比較的大きな粒子を特性評価するのを避けうる。
【００１９】
粒子はナノメートルオーダー、十ナノメートルオーダー又は百ナノメートルオーダーの平均寸法のナノ粒子でありうる。多くの有用な用途において、特に生命科学及びセキュリティでの用途において、粒子は30nmから300nmの範囲の平均寸法となる。ただし、これには限定されず、粒子はそれ以上大きくてよく、マイクロメートルオーダー又はそれ以上の平均寸法の粒子であってもよい。
【００２０】
粒子は分子又は分子群でありうる。その分子は生物化学的でない分子、例えば化学触媒であってもよい。その分子は生物化学的な分子、例えばタンパク質、ウィルス又はエクソソームであってもよい。
【００２１】
粒子は他の粒子との結合部位を有していてもよく、それは化学的もしくは生物化学的な結合部位でありうる。したがって、反応中に変化していく粒子の性質を化学又は生物化学反応中に監視し特性評価するために、化学又は生物化学反応中に当該方法が実行されうる。
【００２２】
本願の方法と並行して他の特性評価方法が実行されうる。その場合の他の特性評価方法は分光法であってもよい。その場合の他の特性評価方法は、例えば、蛍光性、ラマン散乱又は共振エネルギー転送を利用した方法であってもよい。
【００２３】
当該方法は、粒子の性質が関心対象であるようなあらゆる用途で、粒子を特性評価することに応用されてよく、広い範囲の用途を有する。発明を限定しない一部の例としては、ウィルスやアエロゾルなどの粒子の検出と特定、粒子の表面で起こりうる結合現象及び触媒作用などの化学反応の研究、粒子の時間変化の研究がある。
【００２４】
ここに説明する方法において、流体は粒子を運搬可能なあらゆる種類のものでありうる。粒子は懸濁液の状態でもよい。 
【００２５】
流体は水又は水溶液であってよく、非水溶液であってもよいが、それらに限定されない。
【００２６】
本願の方法は対向する光反射材を含み、その間に流体を収容する開放型光学キャビティを用いる。 
【００２７】
光学キャビティは「開放アクセスマイクロキャビティ」であってもよい。そのようなマイクロキャビティについては近年研究対象となることが増えてきており、開放型キャビティを用いたいくつかの基礎的なセンシング方法が明らかにされてきた。そのようなキャビティは、最大電界強度の領域に流体を流せること、外部自由空間又は光ファイバーへの簡易カップリング等、センシングに多くの利点をもたらす。さらに、こういったキャビティは、定量計測の前提となる高い再現性をもって製造されうる。
【００２８】
光学キャビティは最大100μm、好ましくは最大50μmのキャビティ長を有しうる。 
【００２９】
光モードの横方向閉じ込め及び分離のために、少なくとも一つの反射材は、２つの直交する次元において凹形でありうる。キャビティ長は凹型の反射材の曲率半径より小さくてもよい。キャビティ長が凹型の反射材の曲率半径より小さい場合、そのような光学キャビティでは、全三次元空間に閉じ込められる安定した光モードが与えられる。凹型の少なくとも一つの反射材は２つの直交する次元において曲率半径が最大50μmである。
【００３０】
開放型光学キャビティは国際公開公報2013/164642に開示された種類のものであってよい。
【００３１】
好ましくは、光学キャビティは10μm3以下の光モード体積（例えば、１立方マイクロメートルオーダー）及び／又は100以上、好ましくは1000以上のフィネスを有しうる。そのようなモード体積とフィネスを有する光学キャビティを実現することで、個々の粒子からの摂動を検出することができ、粒子の特性評価をすることができる。
【００３２】
それに代えて、両方の反射材が平面であってもよい。その場合、キャビティ長は100μmから数百ナノメートルの範囲、つまり単一アンチノード限界でありうる。この構成では、光モードは反射材の間に拡がる次元に閉じ込められるが、その次元に直交する次元には閉じ込められず、横方向に伝播することができる。数百μm2までの面積を調べることができ、マルチプレックスを有意に増加することができる。
【００３３】
本願の方法に用いられうる開放型光学キャビティ１の例は、図１及び２に示され、構成は以下の通りである。
【００３４】
図１及び２の例のいずれにおいても、光学キャビティ１は対向する光反射材２及び３を含む。反射材２及び３はそれぞれ基板４及び５に形成された誘電ブラッグ反射材である。ただし、原理上他の形態の反射材を用いることもできる。基板４及び５は光学キャビティ１を光で照明するのに十分な透明度をもつ。 
【００３５】
図１の例では、片方の反射材２が平面形状で、もう片方の反射材３がカーブ形状で、それによって光学キャビティ１が光モード６を閉じ込めることができるようになっている。これに対し、図２の例では、反射材２及び３のいずれも平面形状である。
【００３６】
図１及び２の例の両方において、基板４及び５を互いに相対移動することにより、反射材２及び３が相対移動可能である。光学キャビティ１は対向する光反射材２と３との間で開放され、アクセス可能となっている。使用時、光学キャビティ１は、流体システムを利用して光学キャビティ１に流れ込む流体７を収容する。流体７は図１及び２に概略的に示した粒子８を含みうる。流体７は粒子８を比較的低い濃度で含みうる。光学キャビティ１のサイズの小ささを考慮すると、一度に単一の粒子８を光学キャビティ１に導入しうる。 
【００３７】
当該方法は、それぞれ対向する光反射材を含む複数の光学キャビティ１を含む装置１０に適用されうる。そして、複数の光学キャビティは、例えば、それぞれ図１に示す光学キャビティ１でありうる。これにより、個々の粒子８をそれぞれ異なる光学キャビティ１に導入することができ、全ての光学キャビティ１が同時に、例えば、同じ光源からの光で照明される。よって、粒子を収容する光学キャビティの光モードの共振は、それぞれの粒子に影響を受ける。それによって、粒子８の集団に関する情報を提供するような測定を並行して得ることができる。同時に照明するためには、同じ光源からの光を従来の光線スプリッターを用いて分裂し、異なる複数の光学キャビティ１に向ける。原理上、異なる複数の光学キャビティ１を照明するのに十分な幅のある光線を持つ光源を用いることでその代わりとなりうるが、その場合、それぞれの光学キャビティ１に十分なパワーの光を供給するのに必要な光源の電力を増大させる。
【００３８】
装置が複数の光学キャビティ１のアレイを含む場合、複数の光学キャビティ１の対向する光反射材は共通の対向する基板４及び５に形成される。
【００３９】
もしくは、当該方法は、例えば図２に示す光学キャビティ１のような単一の光学キャビティ１を含む装置１０に適用されうる。これにより、複数の粒子８を光学キャビティ１に導入することができ、当該光学キャビティ１の領域は、例えば同じ光源からの平面波レーザー光で、同時に照明される。よって、個々の粒子に影響を受けた個々の粒子の周囲の局所領域において光学キャビティの光モードの共振が励起され、当該局所領域について励起された共振の測定が得られる。それによって、上述の複数の光学キャビティ８を用いた場合と同様、粒子８の集団に関する情報を提供する測定を並行して行うことができる。同時に照明するために、従来の光学的な部品（例えば、ビームスプリッター）を用いて、同じ光源の光が分裂又は拡大され、光学キャビティ８の異なる領域に向けられてもよい。原理上、光学キャビティ１の広範囲を照明するのに十分な幅の光線を持つ光源を用いることでその代わりとしてもよい。 
【００４０】
検出部は、複数の光学キャビティ１を含む装置１０の場合、それぞれの光学キャビティ１からの出力光をまとめて検出し、複数の粒子８が導入される単一の光学キャビティ１を含む装置１０の場合、複数の異なる局所領域からの出力光をまとめて検出する。検出部は、例えば、異なる局所領域を分けて検出する空間分解能を有し、光学キャビティ１の広範囲からの光を検出するイメージングセンサーであってもよい。それにより、粒子８が動くと、複数の異なる局所領域の共振が検出され追跡される。
【００４１】
複数の光学キャビティ１のアレイを含む装置１０は、複数の異なる共振周波数を有しうる。同様に、複数の粒子８が導入される単一の光学キャビティ１を含む装置１０では、 光学キャビティ１は複数の異なる領域について複数の異なる共振周波数を有しうる。
【００４２】
共振周波数を変化させる反射材のデザインを変えることで、複数の異なる共振周波数を実現することができる。例えば、同一の装置１０に複数の光学キャビティ１が形成されている場合、キャビティ長を変えることによって（例えば、反射材をずらすことによる）及び／又は曲率半径を変えることによって実現される。
【００４３】
反射材がその上に形成されている基板４及び５を０でない角度で相対的に傾斜させることにより、傾いた基板４及び５に沿ってキャビティ長を変化させることで、異なる複数の共振周波数を実現することもできる。これは複数の光学キャビティ１のアレイを含む装置１０又は複数の粒子８が導入される単一の光学キャビティを含む装置１０に適用することができる。
【００４４】
異なる共振周波数を有することで、それぞれの光学キャビティ１又は光学キャビティ１の複数の異なる局所領域からの出力光を検出部によってまとめて検出することができるが、異なる共振周波数を有する複数の光学キャビティ１の光モードの励起された共振は分離されるので、区別することができる。よって、異なる共振周波数を有する複数の光学キャビティ１を用いることで、周波数（又は波長）領域において、複数の異なる光学キャビティ１又は光学キャビティ１の複数の異なる局所領域を空間的に識別しうる。
【００４５】
しかし、その代わりに、それぞれの光学キャビティ１からの出力光は、例えば、複数の別個の検出部に出力光を向けるか、それぞれの光学キャビティ１からの出力光を空間分解できるイメージング検出部を用いることにより、別々に検出されてもよい。その場合、同じ共振周波数を有する複数の光学キャビティのアレイ又は複数の粒子８が導入される一つの光学キャビティ１を用いることができる。
【００４６】
図３は、図１に示した種類の複数の光学キャビティ１を含む装置１０の例で、以下のとおり構成されている。この例では１６個の光学キャビティ１があるが、通常、光学キャビティ１の数はいくつでもよい。装置１０は、図１の例と同様に、基板４及び５をそれぞれ有する。しかし、基板４及び５は、反射材２及び３のアレイをそれぞれ有して、共通の基板４及び５の間に複数の光学キャビティ１をそれぞれ形成する。光学キャビティ１の位置は図３で破線で輪郭を示されているが、基板４及び５の間に形成されている。
【００４７】
図４は、図３に示す種類の装置１０の基板５の走査型電子顕微鏡の図である。図４は凹型反射材３のアレイを示している。この例では、複数の凹型反射材３は曲率半径（ＲｏＣ）が約4μmである（後述する変化の影響を受ける）。トラッピングキャビティ１ａ及び基準キャビティ１ｂとして２つの光学キャビティ１を丸印で示し、後述のとおり用いる。
【００４８】
図４に示す基板５を用いて形成された装置１０において、光学キャビティ１の曲率半径は光学キャビティ１の列ごとに異なるが、各列内では同じである。後述するとおり、この装置１は、基板４及び５を列に沿って０でない角度で相対的に傾斜してキャビティ長、すなわち共振周波数を各列に沿って変化させた基板４及び５とともに、任意に用いられうる。
【００４９】
図４に示す基板５及び図３に示す種類の装置１０における、対応する基板４は次のように形成された。ナノメーターの寸法でトポグラフィをコントロールするために集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて基板５上に複数の凹面が作られた。基板４は平面形状である。反射材２及び３は基板４及び５を１６層のＳｉＯ２／ＴｉＯ２で作られた誘電性ブラッグ反射材（ＤＢＲ）の積層でコーティングすることにより形成されたもので、その積層の最後の層はミラーへの場の侵入を最小にするため高い屈折率を有する。反射材２及び３の層の厚さは640nmの波長で最大の反射率となるよう設計された。凹型の反射材２は、図４に示すとおり、おおよそ、一辺300μm長の平方の基板上に配置された。 
【００５０】
基板５に対向して基板４を並べることで、光学キャビティ１は１マイクロメートルオーダーのキャビティ長で形成された。このキャビティ長では、基板４及び５上の反射材２及び３の平面形状の部分が約400nm離れることになり、粒子８が光学キャビティ１の中へと拡散できるのに十分なスペースを提供する。 
【００５１】
このキャビティ長では、閉じ込めた光モードが反射材の間に４つのアンチノード（最大電界強度）を有する。図５は、光学キャビティ１のＴＥＭ００光学モードのＦＤＴＤ法（有限差分時間領域法）シミュレーションを示す（ここでＴＥＭは横電磁波を表し、００はモードの次元（オーダー）が最下位の基本モードであることを示す）。図５は、垂直断面における電界強度の分布を、屈折率の濃淡マップに重ねて示している。４つのアンチノード１２には１から４の番号が振られている。粒子８は４つのアンチノード１２のいずれにも光学的にトラッピングされうる。図５では、粒子８は図示の便宜上直径200nmとする。 
【００５２】
光学キャビティ１は約730nmのモードウエスト（収束点）を有し、モード体積は0.3μm3である。光学キャビティ１の品質係数Ｑは18,000と測定された（3000のフィネスに相当する）。 
【００５３】
それに代わる構成では、図２に示すような平面形状の反射材２及び３がさらに延長されて装置１０を形成している。これをここで「延長平面構成」を有する装置１０と呼ぶ。延長平面構成では、異なる横運動量ktにそれぞれ対応するエネルギーについて平面モードエネルギーが連続体を形成する。この連続体の最低エネルギーE0は横方向に伝播せず、そのため横運動量ktは有さない。粒子８の存在などの、あらゆる障害がモードを局在化し、図６に示すような光学キャビティ１の局所領域において共振モードシフトを有する共振を引き起こす。言い換えると、粒子８によって引き起こされた光媒体の障害が局所的なバンド屈曲を生じさせる。 
【００５４】
結果として、個々の粒子８の周辺の局所領域においてキャビティ１に垂直に出力光を測定することでエネルギーE0におけるモードの共振シフトを測定することができ、前述の方法と同じように粒子８の特性を推定することができる。したがって、この代替構成における個々の粒子８の周囲の複数の局所領域は機能的に図３の装置の複数の光学キャビティと同等で、同様に用いることができる。この手法は同時に測定できる粒子８の数を増加させるという利益も生む。この代替構成は、粒子８を長手方向にトラッピングするのにも用いることができる。
【００５５】
異なる複数の局所領域における共振は、例えば、光学キャビティ１の延長エリアからの光を空間分解するイメージングセンサーである検出部を用いることで、粒子８の移動にともなって検出し追跡される。
【００５６】
粒子の特性評価に光学キャビティ１を用いる方法は、図７に示され、以下のとおり実行される。当該方法は、単一の光学キャビティ１に導入される単一の粒子８を用いて説明されるが、例えば図３に示す装置１０を用いることで、複数の光学キャビティ１に導入される個々の粒子８について行われうるし、もしくは、例えば延長平面構成を有する装置１０を用いることで、単一の光学キャビティ８に導入される複数の粒子８についても、等しく行われうる。
【００５７】
ステップＳ１において、単一の粒子８が一つの光学キャビティ１に導入される。
【００５８】
ステップＳ２において、当該粒子８を収容する光学キャビティ１が、光学キャビティ１の光モードの共振を励起する光で照明される。光はレーザーから放たれうる。
【００５９】
ステップＳ３において、励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの測定値が得られる。光学キャビティ１の中に粒子８が存在することで、粒子８と周囲の流体７の屈折率が異なるので、共振に摂動が起こる。よって、測定値は、粒子８の分極率と光学キャビティ１内でのその位置に依存し、そのため、光学キャビティ１の中の粒子８を本質的に特性評価する。
【００６０】
ステップＳ３において、粒子８は光学キャビティ１中で光学的にトラッピングされうる。その場合、粒子８は、光学キャビティ１の電位の井戸（potential well）に保持され、そこで時間とともに光モード内でのその位置が変化するようにブラウン運動を行う。このことが有用であるのは、そこで、測定値が光学キャビティ１内での粒子８の位置に依存し、トラッピング電位の中で粒子８が拡散するにつれて粒子８と光モードの相互作用についての情報を提供するためである。
【００６１】
流体環境内で閉じた光学場にトラッピングされることで、粒子８は表面との接触を避け、その特性に対し最小の摂動で粒子８をさらに調査することができる。光学トラップは低い光学パワーで機能し、粒子８の加熱を最小限に抑える。生命科学分野でよくあるような、トラッピングされた粒子８がそのローカルの環境に感受性が高い場合に、これらの特徴は特に有用である。
【００６２】
光学トラッピングは有用であるが必須ではない。当該方法は、粒子８が光学キャビティ１を通過する時に測定値を得られるように、粒子８がトラッピングされていない光学キャビティ１に適用されてもよい。
【００６３】
当該少なくとも一つのパラメーターは共振のどのパラメーターであってもよい。少なくとも一つのパラメーターは、共振の共振周波数、位相、振幅又は線幅を含むが、それに限られず、またいかなる組み合わせであってもよい。パラメーターは、偏光（polarization）縮退が解消されたモードにおける共振の共振周波数、位相、振幅、幅又は他のパラメーターであってよい。
【００６４】
ステップＳ４において得られるパラメーターの具体例の一部及びそのさらなる処理を以下で説明する。
【００６５】
単一の光学キャビティ８に導入される複数の粒子８について当該方法が実施される場合、ステップＳ１は複数の粒子８を光学キャビティ１に導入するように変更され、ステップＳ２は個々の粒子８の周囲であって個々の粒子８によって影響を受ける複数の局所領域において光学キャビティ１の光モードの共振を励起する光で光学キャビティ１を照明するように変更され、ステップＳ３は当該局所領域において励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの測定値をとるように変更される。しかし、その他の点では、方法は同じである。
【００６６】
異なる共振周波数を有する複数の光学キャビティ１が用いられる場合、又は異なる共振周波数を有する局所領域において複数の共振が検出される場合、共振は周波数で（したがって波長でも）分離される。この分離によって、それぞれの共振について、すなわちそれぞれの粒子８について、少なくとも一つのパラメーターを得ることが可能になることにより、光学キャビティ１が空間上で識別されうる。
【００６７】
ステップＳ４において、ステップＳ３で得られた測定値は、粒子８を特性評価するさらなる情報を得るために任意に処理される。
【００６８】
ここから、この種類の方法を実施するためのシステム２０の例を説明する。システム２０は、図３に示す複数の光学キャビティ１を有する上述の装置１０又は延長平面構成を有する装置１０を含む、ここに説明されるあらゆる種類の装置１０を含みうる。
【００６９】
装置１０は、光学的測定の実行中に反射材の間に粒子８を含む流体７を注入することができるフローセルアセンブリ２１の中に配置されている。フローセルアセンブリ２１はベース２２とキャップ２３を含む。基板５はベース２２に載置され、基板４はキャップ２３に載置される。ベース２２とキャップ２３は互いに固定され、周縁シール１９で閉じられることで、複数の光学キャビティ１が基板４及び５の間に形成される。 
【００７０】
ベース２２は基板４及び５の間で流体７を通すための流路システム（図示しない）を用いた流体流入口２４と流体流出口２５を含む。
【００７１】
この実施例において、ベース２２及びキャップ２３、すなわち基板４及び５は、光学キャビティ１のキャビティ長を変えるよう相対移動可能である。測定アクチュエーター３０と制御アクチュエーター３１とがベース２２及びキャップ２３、すなわち基板４及び５を相対移動するように配置される。測定アクチュエーター３０は交流周波数で駆動される圧電アクチュエーターであり、制御アクチュエーター３１は直流で駆動される圧電アクチュエーターである。
【００７２】
基板４及び５は透明で、ベース２２及びキャップ２３は基板４及び５に位置合わせされた中央開口部を有し、これにより、フローセルアセンブリー２１内で、装置１０、特に光学キャビティ１中を光が通過可能になっている。
【００７３】
測定レーザー２６と制御レーザー２７がそれぞれ装置１０を照明するよう配置されている。図８では、測定レーザー２６及びコントロールレーザー２７からの出力光が異なる軌道で模式的に示されている。しかし実際には、測定レーザー２６及び制御レーザー２７からの光はいずれも装置１０を通る。 
【００７４】
測定レーザー２６及び制御レーザー２７は異なる周波数の光を放つ。この例では、測定レーザー２６及び制御レーザー２７は、単一の周波数の光をそれぞれ放つ狭帯域光源である。例えば、測定レーザー２６及び制御レーザー２７は5MHzの線幅を有する。一例においては、測定レーザー２６及び制御レーザー２７は150mWの最大電力出力を有する。
【００７５】
測定レーザー２６は装置１０の複数の光学キャビティ１又は同じ光学キャビティ１の複数の領域を同時に照明するよう配置される。特に、測定レーザー２６からの光はビームスプリッター３６で分裂され、複数の光学キャビティ１（必ずしも装置１０の全ての光学キャビティ１でなくてよい）又は同一の光学キャビティ１の複数の領域（必ずしも領域全体でなくてよい）に向けられる。原理上、複数の光学キャビティ１を照明するのに十分な幅の単一の光線で測定レーザー２６から光を出力することにより、ビームスプリッター３６を省略することができる。しかし、その場合測定レーザー２６が必要とする電力が著しく増加する。
【００７６】
測定レーザー２６は複数の光学キャビティ１又は一つの光学キャビティにおける個々の粒子８の周囲の局所領域で光モードの共振を励起するのに選択された周波数を有する。例えば、システム２０においては、測定レーザー２６は、光学キャビティ１のＴＥＭ００光モードを励起するために640nmの光を放ちうる。延長平面構成を有する装置１０の場合、理想的なカップリングは、平面モードの連続体のモードの一つだけの種類に焦点を絞るため、キャビティ１への平面波入射によって行われる。
【００７７】
測定及び制御ループは図８の左及び右手側に示され、以下のとおり配置される。
【００７８】
測定検出部２８及び制御検出部２９は装置１０を通る光を受光するよう配置されているが、その代わりに、装置１０から反射した光を受光するように配置されてもよい。 
【００７９】
測定検出部２８は複数の光学キャビティ１又は光学キャビティ１の複数の局所領域からの、測定レーザー２６の波長の出力光を検出する。測定検出部２８は照明された全ての光学キャビティ１又は光学キャビティ１の全ての局所領域から出力された光を一緒に検出しうる。この場合、測定検出部２８は、例えば、アバランシュフォトダイオード（ＡＰＤ）であってよい。 
【００８０】
もしくは、測定検出部２８は、照明された複数の異なる光学キャビティ１から出力された光を別々に、又は光学キャビティ１の複数の異なる局所領域を別々に検出しうる。例えば、複数の別々のＡＰＤなどの複数の異なる検出素子によって形成したり、又はそれぞれの照明された光学キャビティ１又は複数の異なる局所領域を含む光学キャビティ１の拡張領域からの出力光を空間分解可能なイメージングセンサーとして形成することによって検出してもよい。複数の異なる局所領域を含む光学キャビティ１の拡張領域を空間分解するそのような検出部を使用することで、粒子８が動くのにともない粒子８の周囲の複数の異なる局所領域における共振を検出し追跡することができる。
【００８１】
測定検出部２８の出力はオシロスコープ３５によって記録されうる。 
【００８２】
ステップＳ２における照明の間、一つ又は複数の光学キャビティ１は次のように共振で調整される。この例におけるチューニングは、測定アクチュエーター３０を用いて、基板４及び５を相対的に動かすことにより実行される。キャビティ長は線形に変化され、測定検出部２８の出力の時間軸を一つ又は複数の光学キャビティ１における測定レーザー２６からの光について相対平均的な波長にキャリブレーションすることを可能にする。測定検出部２８の出力がチューニングの間に検出され、共振の全体形が得られる。
【００８３】
信号発生器３２は、測定アクチュエーター３０用の適正な直流駆動信号を、例えば鋸歯形状で与える。基板４及び５が相対的に動くことで、測定レーザー２６の波長での一つ又は複数の光学キャビティ１の共振で、キャビティ長を調整する。共振によるチューニングは連続的な走査で繰り返し行われる。信号発生器３２は 、オシロスコープ３５の時間掃引のトリガーをも提供する。
【００８４】
繰り返しのチューニング走査の走査周波数は少なくとも100Hzで、好ましくは少なくとも1kHzでありうる。望ましくは、二つの測定値の間の粒子８の自由拡散長がキャビティモードの特徴長さ及び粒子８の拡散長さよりも大幅に小さくなるように、走査周波数を十分に高くする。これにより、キャビティ内のパワーが時間連続的であるとみなされうる。
【００８５】
測定検出部２８の応答時間は、チューニング走査の間に得られた測定値を処理するのに十分なほど短い。例えば、それぞれのチューニング走査のための精密な応答機能を提供するため、応答時間は１ナノ秒より短くなる。
【００８６】
それぞれの走査の間、測定検出部２８により得られた強度の測定値がオシロスコープ３５に記録される。オシロスコープ３５及び／又はデータプロセッサーは、測定値にタイミング情報をタグ付けし、データプロセッサーにおけるデータの計算分析を可能にする。
【００８７】
オシロスコープ３５に記録された測定値はデータプロセッサー４０で処理される。データプロセッサー４０はコンピューター装置に実装されうる。これを達成するため、コンピューター装置によって実行可能なコンピュータープログラムが提供されうる。コンピュータープログラムは、実行時、コンピューター装置にデータを処理させるよう構成される。
【００８８】
コンピューター装置はどのような種類のコンピューターシステムものでもよいが、典型的には、従来の構造を有する。コンピュータープログラムはあらゆる好適なプログラミング言語で書かれていてもよい。コンピュータープログラムはコンピューター読み取り可能な記録媒体に保存されうる。記録媒体はどのような種類であってもよく、例えば、コンピューティングシステムのドライブに差し込み可能で、電磁的、光学的又は光学電磁的に情報を保存できるような記録媒体、ハードドライブなどのコンピューターシステムの固定記録媒体、又はコンピューターメモリーである。
【００８９】
ステップＳ３では、各走査の間に、強度の測定値がデータプロセッサー２４によって処理され、一つ又は複数の光学キャビティ１が走査される共振の少なくとも一つのパラメーターの測定値が得られる。すなわち、共振の少なくとも一つのパラメーターの反復測定値が共振による反復走査で得られる。
【００９０】
例えば、パラメーターが共振周波数である場合、走査において共振のピークが現れる時間を決定することで共振周波数が得られる。共振のピークが現れる時間はチューニングにより共振周波数に対応している。共振の位相、振幅又は線幅などの他のパラメーターも同様に得られる。
【００９１】
複数の光学キャビティ１が用いられる場合、一つ又は複数の光学キャビティ１は粒子８が導入されるトラッピングキャビティ１ａとして振る舞う。複数のトラッピングキャビティ１ａがある場合、測定値はそれぞれのトラッピングキャビティ１ａから並行して得られ、収集データの量を増加させる。
【００９２】
複数の光学キャビティ１が用いられる場合、一つ又は複数の光学キャビティ１は粒子８が導入されない基準キャビティ１ｂとして振る舞う。これは下記の任意のいくつかのやり方で達成される。 
【００９３】
光学トラッピングが用いられる実施形態においては、光学トラッピングに必要な閾値未満であるが測定検出部２８で明確な信号（clear signal）を提供するのに十分な高い強度の光で光学キャビティ１を照明することによって、基準キャビティ１ｂが得られる。
【００９４】
原理上、基準キャビティ１ａは粒子８が特定の光学キャビティ１に到達しないようにすることによって得られるが、実際に達成するのは困難である。 
【００９５】
基準キャビティ１ｂは、共振の摂動のないアレイ内の光学キャビティ１を基準キャビティ１ｂとして扱うことによっても得られる。
【００９６】
基準キャビティ１ｂが存在する場合、各トラッピングキャビティの共振のパラメーターの少なくとも一つの測定値は、トラッピングキャビティ１ａと基準キャビティ１ｂの間で得られた測定差分値である。例えば、共振周波数をパラメーターとすれば、共振周波数のそのような測定差分値はトラッピングキャビティ１ａと基準キャビティ１ｂとの共振周波数の差である。共振周波数のこの測定差分値は、粒子８が導入されていない基準キャビティ１ｂと比較してトラッピングキャビティ１ａに粒子８が存在することによる光モードの共振周波数のシフトとみなされるため、ここでは「モードシフト」と呼ばれる。
【００９７】
このように、測定差分値は、トラッピングキャビティ１ａ及び基準キャビティ１ｂの両方に影響を与える共通のモードノイズを相殺する。基準キャビティ１ｂは、ミラー分離を変調させる機械振動などの、両方のキャビティモードに影響するあらゆる共通のモードノイズを除去する効果的な方法である。 
【００９８】
トラッピングキャビティ１ａ及び基準キャビティ１ｂのモード波長が非常に近いとき、ノイズ除去は最も効果的である。なぜならノイズ除去の帯域幅は２つの透過共振（transmission resonance）の間の時間差によって決定されるためである。よって、ノイズ除去帯域幅を大きくするため、共振のチューニングが比較的高い周波数で走査されることが望ましい。実際には、共振のチューニングがシステム２０において走査される速度は、測定アクチュエーター３０の共振周波数によって（特に、測定アクチュエーター３０が圧電アクチュエーターで形成される場合）限定されうる。機械カンチレバーなどの圧電アクチュエーター以外のアクチュエーターは、より高い共振周波数を提供しうるので、それによりノイズ除去にさらなる改善がみられる。 
【００９９】
同様に、複数の粒子８が導入される単一のキャビティ１を用いる場合、粒子８の周囲のそれぞれの局所領域の共振のパラメーターの少なくとも一つの測定値は、粒子の周囲の局所領域と粒子８を収容しない光キャビティ１の別の領域との間で得られた測定差分値でありうる。例えば、共振周波数をパラメーターとすれば、共振周波数のそのような測定差分値は、粒子８の周囲の領域と粒子８を収容しない領域との共振周波数の差である。共振周波数のこの測定差分値は、粒子８が存在しない領域と比較して、粒子８が存在することによる光モードの共振周波数のシフトとみなされるため、ここでは「モードシフト」呼ばれる。これは上述のトラッピングキャビティ１ａと基準キャビティ１ｂとの測定差分値と類似しており、同等の利点をともない同じように実行されうる。
【０１００】
よって、システム２０は、特に反射材２及び３の相対モーメントによって、時間領域において共振のチューニングを可能にする。光学キャビティ１から出力された光は、共振によるチューニングの間に検出されて共振の形状が検出され、それによって共振のパラメーター測定が可能となる。
【０１０１】
この単純な走査は、一つ又は複数の開放型光学キャビティを用いることで可能になり、粒子８のセンシングに重要な利点をもたらす。システム２０は容易に実装でき、固定周波数測定レーザー２６及び例えばフォトダイオードなどの単純な型の測定検出部２８を含む簡単な光学系での測定を可能にする。光モードは共振状態でのみ照明されるため、その強度はチューニングの走査周波数でパルス化する。それでも強度は光学トラッピングを達成するには十分である。光モードは常に走査サイクル毎に一度レーザーとの共振を通過するため、平均のトラッピング能は粒子８の位置やレーザーと光モードの相対波長を制御するシステムの能力に依存しない。
【０１０２】
しかし、当該方法は共振のパラメーターの測定値を提供するよう様々に変更されうる。その例は以下のとおりである。
【０１０３】
一種の変形例では、時間領域での共振によるチューニングは、別のように、例えば測定レーザー２６によって発される光の周波数を変えることによって、実行される。光学キャビティ１から出力された光は、共振によるチューニング中に再度検出されて、共振の形状が検出される。それによって、共振のパラメーター測定が可能となる。共振の当該少なくとも一つのパラメーターは上述と同じように得られるが、測定レーザー２６のチューニング走査を経る。しかし、この変形例はより高価なレーザーを必要とする。
【０１０４】
別の変形例では、光学キャビティ１のアレイにおける一つのキャビティ１の共振が固定波長レーザーにロックされ、アレイ中の他の複数のキャビティ１がそのレーザーからわずかに離調した固定の共振を有するようにする。こうすることで、光学キャビティ１に入る粒子８が存在することによりキャビティモードをレーザーとの共振へシフトさせることができ、そしてキャビティ１を照明し検出部に信号を発生させる。キャビティモードの照明により、粒子８にはモードの中心へ向かう力が加わる。粒子８は、粒子８の位置がレーザーとキャビティモードとの間の共振に帰着するときにのみ、モードが照明されるこの「自己誘導バックアクション」の力によってトラッピングされる。したがってこれが起こるときの検出部２８からの出力が共振のパラメーターを表す。
【０１０５】
この動作方法は、粒子８が曝される光学パワーが他のトラッピング方法よりも低く、キャビティモード又はレーザー波長のいずれの走査も必要としないという利点を有する。検出部信号のタイミングが粒子８の拡散動態についての、すなわち粒子８のサイズについての情報を提供する。キャビティ長を固定レーザー周波数にロックすることは、周知の技術を用いて達成される。
【０１０６】
また別の変形例では、測定レーザー２６が発する光は一つ又は複数の光学キャビティ１の共振にわたる帯域を有する広帯域光源であり、その場合、測定検出部２８はスペクトル検出部として実装される。この場合、共振の少なくとも一つのパラメーターは測定検出部２８のスペクトル出力から得られる。
【０１０７】
測定レーザー２６は一つ又は複数の光学キャビティ１の単一の光モードの共振を励起するものとして上で記載されているが、これに代えて、粒子８についてのさらに詳しい情報を提供するために同じ光学キャビティ１において２つ以上のモードの共振が監視されてもよい。これは複数の測定レーザー２６又は広帯域の測定レーザー２６を用いて達成される。
【０１０８】
光学モードの共振は、照明する光が分極されることで得られる分極性電界を有しうる。その場合、粒子８が分極の方向に対して回転するのに応じた変化を通じて粒子８の形状が特性評価されうる。
【０１０９】
制御検出部２９は制御レーザー２７の波長の光を検出するものであり、標準的なフォトダイオード（ＰＤ）でありうる。制御検出部２９によって得られる強度の測定値はフィードバックコントローラー３３に提供される。フィードバックコントローラー３３は制御アクチュエーター３１を駆動する制御信号を発生させるＰＩＤ（比例−積分−微分）コントローラーでありうる。
【０１１０】
このように、制御検出部２８は、制御レーザー２７からの光を用いてキャビティ長の光学的測定値を提供する。フィードバックコントローラー３３は、対向する反射材の相対的な動きをその測定値に応じて制御し、個々の走査よりも長い時間にわたって起こるドリフトに対して安定させる。そのドリフトは、例えば、キャビティ内媒質の圧力変化や熱的作用によって引き起こされるものである。 
【０１１１】
したがって、制御レーザー２７の波長としては、反射材２及び３が比較的低い反射率となるような領域が選択され、その結果、透過強度はキャビティ長に応じておおよそ正弦波変調に従う。例えば、532nmの波長が選択されるが、これは反射材２及び３の高反射率帯域よりも短い波長である。 
【０１１２】
制御検出部２８及びフィードバックコントローラー３３の応答時間はドリフトの影響に応じて選択される。応答帯域幅が10Hzよりも大きい場合、例えば100Hzオーダーである場合、良いパフォーマンスが得られる。
【０１１３】
キャビティ長の光学測定値は、例えば以下のように、装置１０の２カ所から反射する異なる波長の単色光の強度から得られ、リサジューグラフが形成される。
【０１１４】
制御検出部２８が反射材２及び３の平面形状部分の２カ所において制御レーザー２７の強度を検出し、信号Ｘ及びＹを与える。ミラーは、しま（フリンジ）の位相が（例えば四分の一周期）ずれるよう、それらのあいだに小さな角度ができるよう配置される。するとＸ−Ｙのプロットはリアルタイムで監視可能なリサジューグラフとなり、キャビティ長の変動の直接の読み出しを可能にする。これらの測定された変動は閉じ込められた光学キャビティ１などの基準点に対して望ましいキャビティ長を構築するため、もしくは、直流配置圧電積層である制御アクチュエーター３１へ補正信号をフィードバックすることによって、望ましくない揺らぎに対して安定化するために用いられうる。フィードバックループの時定数を、モード摂動を記録するのに用いるキャビティ長の走査レートよりも遅くすることにより、これらの変調がフィートバック信号に影響を与えない。図８に示されるシステム２０は、50Hz帯域幅のフィードバックループを用い、制御アクチュエーターが2μmの運動範囲を有することで、有意な温度のゆらぎを相殺する。 
【０１１５】
図示例として、図９及び１０は、図３に示す種類の装置１０を含むシステム２０によって得られるいくつかの測定値を示す。この例では、粒子８は相当径200nm、屈折率1.58のポリスチレン粒子で、粒子８を含む流体７は水であった。測定アクチュエーター２６は5kHzの周波数の鋸歯状駆動信号で駆動された。測定されたパラメーターはモードシフト、すなわち共振周波数の測定差分値であった。関心対象のキャビティモードがチューニングの走査範囲内であったとき、モードシフトδλ(t)の測定値は5kHzのサンプリングレートで得られた。5kHzの走査レートは〜20nmの拡散長に対応し、キャビティモードの特徴長さ及び粒子８の拡散長より適度に小さい。 
【０１１６】
測定レーザー２６は同時に２つの光学キャビティ１、特に、トラッピングキャビティ１ａ及び基準キャビティ１ｂを照明するよう配置された。キャビティ長、すなわち共振周波数は、トラッピングキャビティ１ａと基準キャビティ１ｂの間のように異なるように、列に沿って０でない角度に相対的に傾斜した基板４及び５を有する装置１０が用いられた。
【０１１７】
測定検出部２８及びオシロスコープ３５は重複して用いられた。しかし、後述のとおり、どちらの測定検出部２８も、トラッピングキャビティ１ａ及び基準キャビティ１ｂの両方全てからの出力光を検出し、それらの異なる共振周波数は空間分解能を得るために用いられた。
【０１１８】
一方のオシロスコープ３５は、粒子８がいつ光学キャビティ１にトラッピングされたかを使用者が特定できるよう、リアルタイムで事象を監視するのに用いた（自動システムでは、光学キャビティ１の状態の監視はコンピューター化されうる）。もう一方のオシロスコープ３５はデータプロセッサー４０による処理のためにデータを記録するのに用いられた。基準キャビティを通って拡散する粒子８の存在を示唆する偶発的事象は切り捨てられた。
【０１１９】
図９は、装置１０についての測定検出部２８の出力の対のトレース４１及び４２を示す。その装置１０のトラッピングキャビティ１ａ及び基準キャビティ１ｂは、異なるキャビティ長、すなわち異なる共振周波数を有する。トレース４１及び４２のそれぞれは、共振による単一の走査チューニングについての出力であり、２つのトレース４１及び４２は２つの異なる時間tで記録されている（具体的には、t=0s及びt=1.45s）。これらは毎秒５０００個記録されるトレースのうちの２つであり、２つの異なるチューニング掃引についての応答のモードの形状を図示するために選択された。出力信号は時間領域で記録され、水平軸は光学キャビティの相対平均波長640nmの光に変換されている。散布図は測定された出力を表し、破線はそのフィッティングを表している。
【０１２０】
図９に示す出力信号の形は以下のとおりである。 
【０１２１】
トレース４１及び４２のそれぞれがトラッピングキャビティ１ａ及び基準キャビティ１ｂの共振に対応する２つの共振を有し、２つの共振はトラッピングキャビティ１ａと基準キャビティ１ｂのキャビティ長の違いゆえに分離している。これにより、周波数（波長）領域における分離によるトラッピングキャビティ１ａと基準キャビティ１ｂとを空間的に識別することが可能である。共振はそれぞれローレンツ型線形を有しており、共振によるチューニング走査の間に装置１０の振動による歪みが起こらなかったことを表す。 
【０１２２】
トレース４１及び４２の両方に含まれる相対波長λ=0.75nm（おおよそ）の共振は、基準キャビティ１ｂの共振である。
【０１２３】
時間t=0sでは、トラッピングキャビティ１ａには粒子８が存在せず、トレース４１はトラッピングキャビティ１ｂの相対波長λ=0.05nm（おおよそ）の共振を含む。 
【０１２４】
時間t=1.45sでは、トラッピングキャビティ１ａには粒子８が存在せず、トレース４２はトラッピングキャビティ１ｂの相対波長λ=0.2nm（おおよそ）の共振を含む。時間t=0sのトレースに対する共振の約0.15nmのシフトは、光学キャビティ１に粒子８が存在することにより、共振に上述したように摂動が起こることによって引き起こされる。 
【０１２５】
共振のシフトは粒子８の光学的性質（主に偏光に関連付けられる屈折率）及び光学キャビティ１の電界分布における粒子８の位置に依存し、光モードとの相関作用に影響する。粒子８の位置に依存するため、トラッピングキャビティ１ａに光学的に粒子８がトラッピングされるときのシフトは、粒子８が動くにつれて時間とともに変化する。 
【０１２６】
図示例として、図１０は、時間の経過とともに繰り返し測定された粒子８を収容するトラッピングキャビティ１ｂの共振周波数の例を示す。それは、（図９において示すような）それぞれのチューニング走査の間に測定された共振から共振周波数を得ることによって測定されている。 
【０１２７】
図１０において、上方のトレース４３は基準キャビティ１ｂの共振の共振周波数に対応する相対波長（図９の水平軸と同じスケールだが、図９と比べて相対波長λ=0nmを移動させるようにシフトしている）をプロットしている。見てわかるとおり基準キャビティ１ｂの共振の共振周波数は相対波長λ=0.75nm（おおよそ）でかなり一定だが、いくらかのノイズにさらされている。
【０１２８】
図１０において、下方のトレース４４はトラッピングキャビティ１ａの共振の共振周波数に対応する相対波長をプロットしている。時間t=0.3s以前では、トラッピングキャビティ１ａに粒子８は存在せず、共振周波数は相対波長λ=0nmである。時間t=0.3s以前でのトレース４３及び４４の形の類似によって、共通のモードノイズ除去を達成するために位置差分を用いることの価値を証明している。
【０１２９】
時間t=0.3sでは、粒子８は光学キャビティ１にトラッピングされ、共振周波数はマイナスの相対波長へとシフトする。それ以後、粒子８はトラッピング電位に拡散し、1.5sを超える期間の間、共振を連続して高速にシフトさせる。この期間は、図１０の白色の線条によって示されるように、約80msの自由拡散時間τdiffを大幅に超過しており、それによって光学トラッピングがあることを明示している。この時間の間の大きな変動は、粒子８がトラッピング電位中で自由に拡散し続けていることをも表している。
【０１３０】
ここから、ステップＳ３において得られた少なくとも一つのパラメーターの測定値に対しステップＳ４において実行される処理について説明する。この処理によって、粒子８を特性評価するさらなる情報が得られる。一般的にいえば、この処理によって、反復測定値の分布から、光学キャビティ１における粒子８の運動に依存する粒子の特性を一つ以上測定できる。この処理では追加情報を得るために反復測定値を利用している。測定は、例えば、粒子８の運動についての摩擦係数、粒子８の分極率、粒子８の屈折率、粒子８の光吸収又は粒子８の光学散乱断面積の一つ以上を含みうるが、これらに限定されない。
【０１３１】
測定は、粒子８の形に依存する性質、例えば全体的又は部分的な偏光テンソルの測定、又はナノ粒子の楕円率の測定でもよい。マイクロキャビティの基本モードは二重に偏光縮退している。細長い粒子であれば複屈折効果を引き起こし、この縮退が解消されるだろう。よって、基本モードは、異方性粒子の影響下で２つのモードに分裂するだろう。理想的には、マイクロキャビティは２つのモードを等しく励起するために円偏光によって照明される必要がある。この分裂はナノ粒子が横方向にあると最大になり、粒子が縦方向にあると最小になるだろう。トラッピング事象の間、粒子はブラウン運動によりあらゆる可能な空間配置をとるだろう。最大の分裂は横方向にある粒子に対応する。分裂はモデル（例えば双極子モデルや減極率（偏光解消度）によって粒子の異方性の程度に直接結びつけることができる。モードの分裂、すなわち粒子異方性を測定するために、マイクロキャビティの出力において光の偏光状態（つまりストークスパラメーター）を調べることもできる。
【０１３２】
以下の説明では、図９及び１０を参照して上述したのと同じ粒子８及び流体７を測定するためにシステム２０を用いて得た結果を参照する。参照を簡便にするために、以下の説明では光学キャビティ１が図１に示す種類である場合を例とするが、それには限定されず、図２に示す種類の光学キャビティ１を含む他の種類の光学キャビティ１にも同様に適用されうる。
【０１３３】
ステップＳ４における処理の第１の例は以下のとおりである。
【０１３４】
この処理は、ステップＳ３において得られた共振の共振周波数のパラメーターを、粒子の分極率を測定するために粒子８の延長されたトラッピングと組み合わせて用いる。
【０１３５】
図１１は、光学キャビティ１に４秒間トラッピングされた粒子によって引き起こされる経時的な共振周波数の典型的なプロットである。 
【０１３６】
粒子８の分極率の測定は、観測された共振周波数の最大シフトから決定される（最大値は80msの時間窓内で決定される）。なぜならこれが、閉じ込められたキャビティモード６の最大電界強度に配置された粒子８に対応すると知られているためである。例えば、図１１に示すデータでは、370 pmのシフトは8.4×105 nm3の分極率に対応し、これは粒子の相当径についてミー理論で推定される10.5×105 nm3の分極率にうまく合致する。
【０１３７】
図１１におけるデータは、共振周波数の最大シフトが時間の関数として４段階のステップを示すことを明らかにしている（プロットされたデータの最上部に引かれた太線によって示される）。この動きは、図５に示すような光モードの４つのアンチノード１２の間で、トラッピングされた粒子８がホッピングすることに起因する。最大のシフトは、平面形状の反射材２に隣接ビームウエストに位置する、電界強度が最大のアンチノードにおいて起こる。
【０１３８】
測定されたモード線幅の変化も観測されるが、それは粒子８によるキャビティ光子の散乱又は吸収に起因する。粒子８の拡散にともなうモード線幅の変化を記録することにより、キャビティ１の興味深い性質が明らかになる。図１２はシフトの関数として線幅の散布図を示す。ここで、カラースケールは、点の密度に関連している。 
【０１３９】
ステップＳ４における処理の第２の例は以下のとおりである。
【０１４０】
この処理はステップＳ３で得られた共振の共振周波数及び線幅のパラメーターを用いる。共振の線幅は、粒子８による散乱の程度に依存するので、関心対象となる。散乱に依存する他のパラメーターも同様に用いることができる。
【０１４１】
図１２は繰り返し測定されたこれら２つのパラメーターを互いに対応させた１組の散布図である。図１２のメインのプロットはすべての測定値を反映している。これは、粒子８による散乱の程度が、点線４６及び４７で示す双極子推定又はミー理論によって推定されるよりも大いに低いことを示している。これは光学キャビティ１における光学的状態密度の低下によるもので、光モードから光子が散乱していく状態が少なくなることで散乱断面積を小さくする。
【０１４２】
図１２の挿入図は、４つのアンチノード１２に存在する粒子８に対応するデータの４つの部分集合を個別に示す散布図であり、上記の通り決定されている。これは４つのアンチノード１２に存在する粒子８ごとに散乱の程度が異なることを示している。そこではそれぞれについて異なる散乱の程度が図示されている。
【０１４３】
ステップＳ４における処理の第３の例は以下のとおりである。
【０１４４】
この処理は、ステップＳ３において得られた共振の共振周波数のパラメーター（モードシフト）を用いる。このパラメーターの分布はトラップ強度（熱エネルギーに対するトラッピング電位の深さの比）を測定するのに用いられ、ひいては、以下のように粒子８の分極率及び粒子８の温度を測定することとなる。
【０１４５】
特定のモードシフト（共振周波数）は、一般に、トラッピング電位における粒子８の位置が様々に異なることよって起こる。そこで、特定のモードシフトについて粒子８がとりうる位置の相対数を表す状態濃度ρを定義することができる。状態密度の変数は、トラッピング電位の最小値においてこの変数がゼロであると都合が良いため、v＝1−Δλ〜とする。ここで、Δλ〜は標準化されたモードシフトとする（すなわち、Δλ〜=1はデータセット中で最大のモードシフトに対応する）。トラップ深度をUとすると、トラップ中央の上方の粒子８の電位エネルギーはvUに等しい。発生する特定のモードシフトの確率は、数式（１）にしたがい、取りうる状態の集合のボルツマン分布によって与えられる。
【数１】
2019522184.tif 000003
ここでN0は標準化定数、Uはトラッピング電位の深度である。取りうる状態の集合N(v)を、ここで占有率（PO）と呼ぶ。数式（２）のパラメーターはトラップ強度として知られる。
【数２】
2019522184.tif 000004
ここで、数式（３）により、トラップ深度Uは粒子８の分極率α及びトラップにおける最大電界強度I0と関連付けられる。
【数３】
2019522184.tif 000005
ここでnは流体７の屈折率、cは真空における光の速度、ε0は自由空間の電気定数である。温度Tも、数式（４）にしたがってトラップ内電界強度に依存する。
【数４】
2019522184.tif 000006
ここでT0は環境温度、P0はキャビティ内パワー、βは定数である。
【０１４６】
P0はキャビティモードの照明に用いられる640nmのレーザーのパワーに比例し、ρ(ν)はP0に依存していないため、選択したレーザーパワーにおける測定されたモードシフトN(v)の分布をプロットすることで２つのパラメーターU及びβを決定することができる。これらのパラメーターはそれぞれトラップ深度及び粒子８の測定である。トラップ深度Uは、したがって、入射されるレーザーパワーの関数として定められる。
【０１４７】
この処理を図示するため、図１３は測定レーザー２６の３つの異なるパワー（最大レーザーパワーの８０％、８８％、１００％）で実験で測定された占有率N(v)を示す。図１３において、占有率N(v)は標準化されたモードシフトΔλ〜に対してプロットされている。散布図は３つの異なるレーザーパワーPについての実験データを示し、実線は数式（１）（トラップの状態密度とボルツマン熱分布関数の積）へのフィッティングを表す。挿入図は、測定レーザー２６の３つの異なるパワーでの測定値から得たトラップ強度をキャビティ内光学パワーの関数として示している。挿入図における線は、数式（２）と（４）のこれらのデータ点へのフィッティングで、原点も通っており、温度パラメーターβの上限を与える。
【０１４８】
図１３に示す測定レーザーの３つのパワーはパラメーターβの上限を与えるのに十分というのみであり、その結果、温度は上昇はたった50Kであるとの確証が得られる。測定レーザー２６のより多くのパワーにおいて測定することにより、このフィッティングのパラメーターがより正確に決定され、パラメーターβのさらに正確な値が得られるだろう。
【０１４９】
抽出された状態密度関数ρ(v)はトラッピング電位について詳細な情報を提供する。こうして、モデル化されたトラッピング電位は、測定された占有率N(v)へのフィッティングを得るために用いられる。これらの光学キャビティ１のキャビティモード分布の高い再現性は、電界強度のＦＤＴＤ法シミュレーションの利用が信頼できることを意味する。しかし、トラッピング電位についてアプリオリに知っておく必要がないように、原理上、ρ(v)は測定された分布から抽出されることもできる。
【０１５０】
ステップＳ４における処理の第４の例は以下のとおりである。
【０１５１】
上記の方法によって粒子８の分極率の測定が定められ、光学キャビティ１を照明するのに用いられる光の入射強度にトラップ深度がキャリブレーションされる。第４の処理では、ステップＳ３で得られた共振の共振周波数（モードシフト）のパラメーターを用いて摩擦（又は拡散性）係数を測定し、また、その摩擦（又は拡散性）係数を粒子８のサイズを測定するために用いる。
【０１５２】
摩擦係数はモードシフトの自己相関関数を用いて以下のように測定される。
【０１５３】
時間従属のモードシフトの自己相関関数は数式（５）で表される。
【数５】
2019522184.tif 000007
【０１５４】
光学キャビティ１において、時間の関数としてのモードシフトの自己相関関数は、双指数関数的に減衰する。２つの減衰成分は、数式（６）で与えられる軸方向及びその横断方向の２つの異なるトラップ剛性（stiffness）の値に対応する。
【数６】
2019522184.tif 000008
２つの減衰時間定数τz及びτx,yは、軸方向及び横断方向のトラップ剛性の平均値に関係付け、数式（７ａ）及び（７ｂ）で与えられる。
【数７Ａ】
2019522184.tif 000009
【数７Ｂ】
2019522184.tif 000010
ここで、γは流体７中の粒子の摩擦係数（流体力学的抵抗）、〈kz〉及び〈kx,y〉は等分配定理の数式（８）を用いて計算することのできる平均トラップ剛性である。
【数８】
2019522184.tif 000011
ここで、平均二乗位置はエネルギーのボルツマン分布から計算され、標準化波長シフト及び変位の関係は数式（９）にしたがってＦＤＴＤ法モデリングデータから計算される。
【数９】
2019522184.tif 000012
【０１５５】
この処理を図示するため、図１４は、記録された連続するモードシフトについて、実験測定値から得られた標準化自己相関関数を表している。散布図は実験データであり、実線は数式（６）へのフィッティングを示し、その時定数は横断方向(x,y)と縦(z)方向で異なるトラップ強度に対応する。数式（６）のパラメーターk = 1/3 (又は2/3)はトラップ中の各空間的次元の標準化相関関数への寄与を示す。
【０１５６】
見てわかるとおり、減衰時定数τz＝0.32 ms ± 0.02 ms及びτx,y＝7.1 ms ± 0.1 msとすると、良好に双指数関数的に減衰にフィッティングされる。  
【０１５７】
図１５は、測定レーザー２６の３つのパワーについて、算出された剛性パラメーターｋの平均値の、対応する３つの測定された相関関数における減衰定数τに対するプロット４８、４９を示す。プロット４８は横断(x,y)方向、プロット４９は縦(z)方向に関するプロットである。プロット４８及び４９のそれぞれが、数式（７ａ）及び（７ｂ）を用いて摩擦係数を計算するのに用いられる反比例の関係を示し、摩擦係数の値γz＝4.8×10-9 kg s-1及びγx,y＝3.1×10-9 kg s-1を与える。
【０１５８】
次のように、摩擦係数が粒子８のサイズと周囲の流体７の特性に依存することから、粒子８のサイズの測定は摩擦係数の測定によって得られる。 
【０１５９】
等方性粘度ηでバルク流体環境における半径rの粒子８についての摩擦係数は、γ＝6πηrで与えられる。半径r＝100 nmとすると、粒子８が室温の水(η≒10-3Pa.s)の中で自由に拡散していた場合、γz=γx,y=1.7×10-9 kg s-1と期待される。ここに示された結果では、反射材２及び３が存在することにより粒子８が受ける抵抗が増大して摩擦係数が増加し、光学キャビティ１の形状によりzとx,yとで増加量が異なる。
【０１６０】
大きさは、固定表面からの距離hでの粒子８についての解析方程式を用いて得られ、γは数式（１０）にしたがって増加する。
【数１０】
2019522184.tif 000013
ここで、χhはバルク方程式への補正パラメーターとして定義された。装置１０において、hの適正値は粒子８がトラッピングされる電界アンチノードに依存する。ミラー（１及び４）に直接隣接した電界アンチノードにトラッピングされた直径200 nmの粒子８について、粒子８の中心がミラーから平均λ/(4n)離れている場合、補正パラメーターはχh=0.51と算出され、２及び３と附番された電界アンチノード１２にトラッピングされた粒子について、粒子８の中心がミラーから平均3λ/(4n)離れている場合、χh=0.18となる。
【図１】
2019522184.tif 000014
【図２】
2019522184.tif 000015
【図３】
2019522184.tif 000016
【図４】
2019522184.tif 000017
【図５】
2019522184.tif 000018
【図６】
2019522184.tif 000019
【図７】
2019522184.tif 000020
【図８】
2019522184.tif 000021
【図９】
2019522184.tif 000022
【図１０】
2019522184.tif 000023
【図１１】
2019522184.tif 000024
【図１２】
2019522184.tif 000025
【図１３】
2019522184.tif 000026
【図１４】
2019522184.tif 000027
【図１５】
2019522184.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月31日(2019.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を間に収容する対向する光反射材を含む開放型光学キャビティを用いて、前記流体中の分極性粒子の特性を検知する方法であって、
前記光学キャビティに前記流体を通じて少なくとも一つの粒子を導入することと、
個々の粒子によって影響を受ける前記光学キャビティの光モードの共振を励起する光で前記粒子を収容する前記光学キャビティを照明することと、
前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得ることと、
前記測定値から前記少なくとも一つの粒子の少なくとも一つの特性を得ることとを含み、
前記光学キャビティは光モード体積が10μm3以下である、方法。
【請求項２】
前記光学キャビティを照明するステップが、共振によるチューニングをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
対向する反射材が相対移動可能であり、前記共振によるチューニングのステップが前記対向する反射材を相対的に動かしてキャビティ長を調整することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
光学測定を行うことによる前記チューニングのステップの間にキャビティ長を監視すること、及び前記監視されたキャビティ長に応じて前記対向する反射材の前記相対移動を制御してドリフトに対し安定化することをさらに含む、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記共振による前記チューニングのステップが繰り返し実行され、前記少なくとも一つの測定値を得るステップが繰り返しチューニングされた共振の少なくとも一つのパラメーターの反復測定値を得ることを含む、請求項２から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得るステップが、
光学キャビティから出力された光を測定すること、及び
前記少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を前記測定された光から得ること
を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記光学キャビティを照明するステップが、前記共振によるチューニングをさらに含み、前記光学キャビティから出力された前記光を測定するステップが前記共振による前記チューニングのステップの間に実行される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記照明するステップが前記粒子を収容する前記光学キャビティをレーザーからの光で照明することを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記照明光は偏光性を有し、前記光モードの共振は分極電界を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学キャビティはフィネスが１００以上である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記対向する光反射材の少なくとも一つが２つの直交する次元について凹形である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記対向する光反射材の両方が平面形状である、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
初めに定義された前記光学キャビティを含む複数の光学キャビティのアレイが提供され、それぞれの光学キャビティが対向する光反射材を含み、前記光反射材の少なくとも一つが二つの次元について凹形であり、それぞれの光学キャビティが前記流体を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法であって、
それぞれの光学キャビティに前記流体を通じて個々の粒子を導入すること、
粒子を収容する複数の光学キャビティについて、前記粒子によって影響を受ける前記複数の光学キャビティの光モードの共振を励起する光で前記複数の光学キャビティを照明すること、及び
粒子を収容する光学キャビティのそれぞれについて、前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得ることを含む、
方法。
【請求項１４】
異なる共振周波数の前記光学キャビティの光モードの共振を励起する同一の光源からの光で、全ての前記光学キャビティが照明される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の光学キャビティが異なる共振周波数の光モードを有する、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のキャビティのうち一つ以上に流体を通じて個々の粒子が導入される、請求項１３から１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の光学キャビティが、粒子が導入されない基準光学キャビティを含み、粒子を収容する光学キャビティのそれぞれについて全ての前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの前記少なくとも一つの測定値が、粒子を収容する前記光学キャビティと前記基準キャビティとの測定差分値である、請求項１３から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記光学キャビティへ前記流体を通して複数の粒子を導入し、
個々の粒子の周囲にあって、前記個々の粒子に影響を受ける局所領域において前記光学キャビティの光モードの共振を励起する光で前記光学キャビティを照明し、
前記光学キャビティの前記局所領域について前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの少なくとも一つの測定値を得る、
請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
異なる共振周波数の前記複数の局所領域について光モードの共振を励起する同じ光源からの光で前記光学キャビティが照明される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記局所領域についての前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの前記少なくとも一つの測定値が、前記光学キャビティのそれぞれ粒子を収容する局所領域と前記光学キャビティの粒子を収容しない局所領域とのの間の測定差分値である、請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記共振が、前記光学キャビティに前記粒子を光学的にトラッピングする、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも一つのパラメーターが、前記励起された共振の共振周波数、位相、振幅及び幅の少なくとも一つを含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも一つのパラメーターが、偏光縮退が解消されたモードの共振の共振周波数、位相、振幅及び幅の少なくとも一つを含む、請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも一つのパラメーターが、前記粒子による光分散に依存する少なくとも一つのパラメーターを含む、請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも一つの測定値を得るステップが、前記励起された共振の少なくとも一つのパラメーターの反復測定値を得ることを含む、請求項１から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記反復測定値の分布から、前記光学キャビティ中の前記個々の粒子の運動に依存する前記粒子の特性の測定を得ることをさらに含む、請求項１から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記粒子の特性の前記測定が、前記粒子の分極率の測定である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記粒子の特性の前記測定が、偏光テンソルの全体又は一部の測定である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記偏光テンソルの全体又は一部の測定が、前記ナノ粒子の楕円率の測定である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記粒子の特性の前記測定が、前記粒子の温度の測定である、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記粒子の特性の前記測定が、前記反復測定値の分布の自己相関関数を用いて得られる前記流体中の前記粒子の摩擦係数の測定である、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記摩擦係数の前記測定から、前記粒子のサイズの測定を得ることをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
流体中の分極性粒子の特性を検出する装置であって、請求項１から３２のいずれか一項に記載の方法を実行するよう構成された、装置。
【国際調査報告】
2019522184.tif 000029
2019522184.tif 000030
2019522184.tif 000031