(57)【要約】  任意の三次元の構成の中に多数の質の高い光トラップを作る方法、及びコンピュータ制御のもとでトラップを動的に再構成する方法が提供される。この方法は、コンピュータが発生した回折光学素子を使用して、１つ以上の光ピンセットを１つ以上の光学渦巻に変換する。この方法は光学渦巻の技術をホログラフィック形光ピンセットの技術と組み合わせて、任意の構成の中に複数の光学渦巻を作り出すステップを含む。この方法には、粒子のクラスタを機能的なマイクロマシンの中に集合させる、前もって組み立てられたマイクロマシンを駆動する、マイクロ流体チャネルを通って流体をポンピングする、マイクロ流体チャネルを通過する流体の流れを制御する、マイクロ流体チャネルの中で流体を混合する、粒子を搬送する、粒子を分類する、及び広い範囲にわたる物体に対して他の関連する操作及び変換を行うために、光学渦巻によってトラップされた粒子に生じた回転を利用することも含まれる。
2005515878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光のビームを提供するステップと、
複数の光トラップを確立するためにレーザ光のビームを集束させるステップと、
前記複数の光トラップを光学渦巻に変換するステップと、
複数の粒子にトルクを加える前記光学渦巻の中に複数の粒子をトラップするステップとを含むことを特徴とするレーザ光のビームを使用して粒子を操作する方法。
【請求項２】
前記複数の粒子が、コンピュータが生成した複数の回折光学素子を用いて前記光学渦巻の中にトラップされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記トルクがその軸の周りに複数の粒子のスピン動作を結果として生ずることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
各々が自分自身のそれぞれの軸に沿ってスピンする複数の粒子が、前記光学渦巻の周囲に沿ってトラップされることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の粒子が前記光学渦巻の中心の回りを回転することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
複数の光学渦巻が前記複数の光トラップから形成され、複数の粒子が前記複数の光学渦巻の各々の周りを回転することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の光学渦巻の各々が交替する局所電荷を含み、かつ前記各光学渦巻の前記局所電荷に基づいて前記複数の光学渦巻を交互に活性化し、非活性化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の光学渦巻の周りを前記複数の粒子が回転することが、前記複数の光学渦巻を通過する流体に対して特定の流れのパターンを結果として生ずることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記トラッピング動作が式
【数１】
2005515878.tif 000038
のアルゴリズムによって示される光学的な力を用いて実現されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の光学渦巻を再構成するために、コンピュータがアドレス指定可能な空間光変調器を用いるステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
レーザ光のビームを提供するステップと、
複数の光ピンセットを確立するために、前記レーザ光のビームを集束させるステップと、
前記複数の光ピンセットをコンピュータが生成する回折光学素子を用いて複数の光学渦巻に変換するステップと、
前記複数の光学渦巻の各々の中に、自分自身のそれぞれの軸の周りをスピンすると共に最も近い光学渦巻の周りを回転する複数の粒子をトラップするステップと、
前記複数の光学渦巻を含むチャネルを通って、前記複数の粒子のスピンと回転の少なくとも一つによってポンピングされる流体を流すステップと
を含むことを特徴とする所定の流れのパターンに基づいてチャネルを通る流体をポンピングする方法。
【請求項１２】
前記複数の光学渦巻の各々が所定のパターンに従って交互に活性化し、非活性化することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の光学渦巻の各々が複数の所定のパターンに従って交互に活性化し、非活性化することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の光学渦巻の各々が正電荷及び負電荷の１つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の光学渦巻の前記正及び負の電荷を使用して、流体がチャネルを通過するとき前記流体の成分を分別することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
複数の光トラップを形成するためにレーザ光の集束されたビームとコンピュータが生成した回折光学素子を用いて、複数の光学渦巻を形成する手段と、
前記複数の光学渦巻の各々の縁の周りに配置された、自身のそれぞれの軸の周りをスピンし前記それぞれの光学渦巻の周りを回転する複数の粒子とを備え、
前記複数のスピン及び回転する粒子が前記複数の光学渦巻を含む領域を通って流体をポンピングすることを特徴とする流体を操作するシステム。
【請求項１７】
前記複数の光学渦巻の各々の周りを複数の粒子がスピン及び回転する程度を変化させて、前記複数の光学渦巻の各々を選択的に活性化し、非活性化するための手段をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記複数の光学渦巻の各々を選択的に活性化し、非活性化することが、流体をポンピング及びミキシングするための特定のパターンを形成することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数の光学渦巻の各々が少なくとも１つの正電荷及び負電荷を含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記正及び負に帯電した光学渦巻が協同して流体内に混入された粒子を分別することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
レーザ光のビームを提供するステップと、
前記レーザ光のビームから複数の光トラップを形成するステップと、
前記複数の光トラップを複数の光学渦巻に変換するステップと、
材料にトルクを加える前記光学渦巻の中に、材料の一部をトラップするステップとを含むことを特徴とするマイクロマシンを用いて材料を操作する方法。
【請求項２２】
前記トルクが前記複数の光学渦巻によってトラップされた材料の一部にスピンを発生させることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記複数の光学渦巻によってトラップされた材料の一部が最も近い光学渦巻の周りを回転することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
コンピュータが生成した回折光学素子が前記複数の光トラップを複数の光学渦巻に変換することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この研究は許可番号ＤＭＲ−９７３０１８９により国立科学財団から、また許可番号ＤＭＲ−９８０５９５により国立科学財団のＭＲＳＥＣプログラムから資金の提供を受けた。政府は本発明に対して一定の権利を有する。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は全体的に、光トラッピング技術の分野に関する。さらに詳細には、本発明は光学渦巻のトラップ（optical vortex trap）が与えるトルク及び力を用いて粒子及び流体を操作する技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
光ピンセットは、強く集束した光ビームの輝度勾配（intensity gradients）によって得られる力を使用して、微小体積の物体をトラップしたり選択的に移動させるものである。寸法が数ナノメータから数十ナノメータまた数十マイクロメータの範囲の粒子に正確に制御された力を加えることができるため、単一の光ピンセットは生物学的研究や物理的研究に広く採用されている。ホログラフィック形光ピンセットは、必要な輝度プロファイルを作るために位相変調式回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて、任意の三次元構成に多数の光トラップを作るということにより可能性を拡大する。微細加工された回折光学素子を用いて当初実証されたホログラフィック形光ピンセットは、コンピュータ設計の位相変調のパターンを空間光変調器内の液晶領域の方位にコード化することによって実現されている。一連のトラッピングパターンを空間光変調器を用いて投影することにより、トラップを動的に再構成する。
【０００４】
トラップされた粒子が吸収する各光子は、その運動量を粒子に移動させて、その粒子をトラップから移動させようとする。トラッピングビームが円形偏光されている場合、各吸収された光子も１つの量子
【数１】
2005515878.tif 000003
の角運動量をこの吸収された粒子に移動させる。この移動された角運動量は、光子の吸収率と液状媒体中の粘性抵抗との間の釣合いによって設定される周波数で、トラップされた粒子をその場で回転させる。ラゲール−ガウスモードの光は、偏光によるものに加えて角運動量を運ぶことができる。そのようなラゲール−ガウスのビームを回折限界の焦点に移動させることにより、光学渦巻として周知のタイプの光トラップが作られる。光学渦巻は角運動量を運ぶことに加えて、マイクロマシンの組立て及び駆動、流体のポンピング及びミキシング、粒子のソーティング及びミキシング、並びに超小型電気機械システムの動作に対して有用な他の特性を有する。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、あらゆる種類の材料や用途に対して数百及びさらに数千の独立したトラップを作ることができる動的なホログラフィック形光ピンセットの実際的また一般的な実施態様を示すものである。
【０００６】
従来のマイクロマニピュレータとは異なり、動的なホログラフィック形光ピンセットは極めて良く再構成することができ、解放及び閉鎖された環境の両方で非侵襲的に動作し、また完全に自動化されたシステムを作るためにコンピュータビジョン技術（computer vision technology）と接続できる。このように、単一の装置は変更することなく広範囲の用途に適用できる。動的なホログラフィック形光ピンセットには、バイオテクノロジーにおいて広範囲にわたる用途がある。多くの独立した光マニピュレータを利用できることにより、深く平行した処理能力が高いスクリーニング、１つの細胞の外科的な修正、及びスペクトルが広いセンサアレイの製造を行う機会が提供される。材料科学においては、異なる材料を長さが数十ナノメータから数百マイクロメータの範囲の三次元の構造体の中に組織化する能力により、フォトニクス及び機能的なナノ合成材料（nanocomposite material）の製造に対して直接的な用途がある、全く新しいカテゴリーの製造プロセスが構成される。
【０００７】
本願で説明する用途は、角運動量を光学的にトラップされた粒子に移動させる関連した方法を利用する。この技術はコンピュータが生成した回折光学素子を使用して、単一ビームを複数のトラップに変換し、次に複数のトラップを使用して、１つ以上の光学渦巻を形成する。本発明には、光学渦巻の技術をホログラフィック形光ピンセットの技術と組み合わせて、任意の構成の複数の光学渦巻を作ることが含まれる。本発明には、粒子のクラスタを機能的なマイクロマシンの中に集合させる、前もって組み立てられたマイクロマシンを駆動する、マイクロ流体チャネル（microfluidics channel）に流体をポンピングする、マイクロ流体チャネルを通過する流体の流れを制御する、マイクロ流体チャネルの中で流体を混合する、粒子を搬送する、粒子を分類する、及び大きさが約５〜１０ｎｍから約１００μｍの範囲にわたる物体に対して他の関連する操作及び変換を行うために、光学渦巻によってトラップされた粒子に生じた回転を利用することも含まれる。光学渦巻の特性から、幾つかの用途及び関連した拡張性がもたらされる。
【０００８】
本発明の他の特徴及び利点は、下記の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、説明するために示されているのであって限定するためではないことを理解してほしい。本発明の範囲の中で本発明から逸脱することなく多くの変更及び修正を行うことができるが、本発明はそのような全ての修正を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の前述の利点及び特徴は、下記の詳細な説明及び添付した図面を参照すれば明らかになるであろう。
【００１０】
図１は、１つの入力ビームから複数のレーザビームを作るための反射形液晶空間光変調器１２を使用した、動的なホログラフィック形光ピンセットシステム１０の好ましい形態を実現する概略図である。変調器１２の挿入された位相グレーティングは、２０ｘ２０のトラップのアレイをコード化するホログラム
【数２】
2005515878.tif 000004
の１／２５である。ここで、白領域は２πラジアンの局所位相シフト（つまり、０にもどる）に対応する。回折光学素子によって形成されたビーム１４は、望遠鏡によって開口数が大きい対物レンズ１８の後部開口に中継される。この対物レンズ１８はビーム１４を光トラップに集束させる。挿入されたビデオマイクログラフ（video micrograph）は、対物面内に配置されたミラー面から反射された回折限界の焦点及びパターン内にトラップされた直径が８００ｎｍの２００個のコロイド状のポリスチレンの球体を示す。
【００１１】
ホログラフィック形光ピンセットは、該当する光ピンセットと同じ物理的原理を利用する。この光ピンセットのシステムに接近する誘電性の粒子は、光の電界によって分極される。結果として生じた電気双極子は、トラップされる場合である焦点に向かう輝度勾配に引っ張られ整列する。この光の勾配力（gradient force）は、トラップされた粒子をビームの軸に沿って移動させようとする放射圧と競合する。安定したトラッピングは、集束したビームの軸方向の輝度勾配が十分に大きい場合のみ可能である。このため、光ピンセットは、従来、開口数が大きく収差が極小の顕微鏡の対物レンズの回りに構成されている。
【００１２】
光ピンセットは、入射ビームの伝搬方向及び平行の程度を適切に選択することによって、対物レンズの焦点体積内のどこにでも配置することができる。例えば、無限遠に対して補正された対物レンズ１８の後部開口に入射するコリメートされたビーム２０は、レンズの焦点面の中心に集束するが、角度を持って入射する他のビームは中心から外れた焦点に入る。わずかに発散するビームは焦点面の下流に集束するが、収束するビームは上流に集束する。レンズの入射ひとみに同時に入射する複数のビームは、焦点体積内のそれぞれがその入射角によって決定される位置に、光トラップをそれぞれ形成する。ホログラフィック形光ピンセットの技術は位相を修正する回折光学素子を使用して、１つの入射ビームの波面上に異なる方向に進行する複数のビームに対して位相パターンを加え、これにより、１つのビームを複数のトラップに変換する。
【００１３】
図１に示したシステムを実現する場合、回折光学素子の機能は、Hamamatsu X7550位相専用空間光変調器２２（ＳＬＭ）によって行われる。この空間光変調器２２は、０から２πラジアンにわたる２５６個の位相レベルを、４８０ｘ４８０のアレイの各４０μｍの位相画素の波長がλ＝５３２ｎｍの光にコード化することができる。各画素に加えられた位相シフトは、アレイ全体に対して３Ｈｚの有効リフレッシュ速度でコンピュータインターフェースを通して指定される。この特定の好ましい具体例では、集束素子は、Axiovert S100 TV顕微鏡２４に実装されたZeiss 100 x NA 1.4油浸対物レンズである。ダイクロイックミラー２６はレーザ光を対物レンズ１８に向けて反射して、トラップされた粒子の画像がビデオカメラ２６へと通過できるようにする。２．５倍の広視野のビデオ接眼レンズと組み合わせると、この光学系は７８ｘ５２μｍ2の視野が提供される。
【００１４】
入射ビームの位相のみを変調することで、トラッピングは、ビームの輝度のみに依存しそれらの相対的な位相には依存しないため、光トラップの任意のパターンを確立するのに十分である。振幅変調は、光をトラップからそらし、その効果を減少させる可能性があるため、好ましくない。所望の輝度パターンを確立するために使用する位相専用の回折格子は、キノフォーム（kinoform）として周知である。トラップの特定のパターンを最も良くコード化する位相変調を識別することの実際的な難しさにより、平面的なトラッピングパターン又は少ない面上にごく僅かな粒子の極めて単純な三次元配列に以前のホログラフィック形光ピンセットを実現することが制限されている。さらに、結果として生じたトラップは、誘導性が低い媒体内の誘電体粒子に対してのみ適当であり、金属や吸収性又は反射性、さらに誘電率が小さい材料から作られた粒子を含むより一般的な種類の材料に対しては適当でなかった。
【００１５】
下記の説明は、本発明の中で検討された用途に対して必要なキノフォームを計算する１つの好ましい方法を明確に述べる。一般に、回折光学素子の面内で一定の位相Ψ＝０及び単位輝度を有する、回折光学素子の面内の入射レーザビームの電界
【数３】
2005515878.tif 000005
は、
【数４】
2005515878.tif 000006
と表される。この場合、
【数５】
2005515878.tif 000007
は、回折光学素子の開口Ω内の位置を示す。
【数６】
2005515878.tif 000008
は、入射ビームの実数値の振幅プロファイルである。分極の効果は独立にまた本願で検討されるものと連携して動作するという了解の下で、電界の分極ベクトルは一般性を失うことなく省略される。次に、回折光学素子は入射ビームの波面に、出射ビームの望ましいパターンをコード化する位相プロファイル
【数７】
2005515878.tif 000009
を加える。これらのビームは、次に、図１では単純な望遠鏡１６として概略的に示された中継光学素子によって、ビームをトラップに形成する対物レンズ１８に送られる。
【００１６】
各別個のトラップにおける電界
【数８】
2005515878.tif 000010
は、汎用のフーリエ変換によって空間光変調器の面内の電界に関連付けられる。
【数９】
2005515878.tif 000011
【００１７】
カーネル
【数１０】
2005515878.tif 000012
を使用して、従来のピンセットからｊ番目のトラップを別の種類のトラップに変形することができ、Ｋj-1はその逆数である。従来の光ピンセットに対しては、Ｋj＝１である。
【００１８】
【数１１】
2005515878.tif 000013
が入射するレーザビームの振幅プロファイル
【数１２】
2005515878.tif 000014
と同一であるならば、
【数１３】
2005515878.tif 000015
は望ましいトラップのアレイをコード化するキノフォームとなる。残念なことに、これは例外的な場合である。より一般的には、
【数１４】
2005515878.tif 000016
との間の空間的な不一致があると、光は望ましいトラップからそらされて、ゴーストや他の望ましくないアーチファクトへと向けられる。そのようなキノフォームの構成は好都合であるが、それは最も単純で最も対称的なパターンを除いたあらゆるものに対しては不十分な結果しか生まない。それにもかかわらず、理想的なキノフォーム
【数１５】
2005515878.tif 000017
に対する高性能な推定値を計算することができる反復近似方法に対するベースとして、それは機能することができる。
【００１９】
１つの特定の方法に続いて、位相
【数１６】
2005515878.tif 000018
が式（３）を用いて計算されて、望ましいキノフォームに対する推定値
【数１７】
2005515878.tif 000019
が得られ、実際のレーザプロファイルを下記の式とする場合、これを使用してトラップ位置における電界を計算する。
【数１８】
2005515878.tif 000020
【００２０】
指数ｎは、
【数１９】
2005515878.tif 000021
に対するｎ番目の反復近似値を指す。トラップに実際に与えられる入力パワーのフラクション(fraction)
【数２０】
2005515878.tif 000022
はキノフォームの効率の有用な尺度である。
【００２１】
標準的なGerchberg-Saxtonのアルゴリズムは、この推定値の振幅αj(n)を対応する位相φj(n)を変更せずに望ましい振幅αjで置き換え、数９の式（３）を用いて推定値
【数２１】
2005515878.tif 000023
について解く。しかしながら、この方式は遅くまた単調でない収束に遭遇する。別の置き換え方式は下記の式になる。
【数２２】
2005515878.tif 000024
この式は、α≒０．５に対して急速で単調な収束をもたらす。この場合、
【数２３】
2005515878.tif 000025
に対して結果として生じた推定値は、別個にされ空間光変調器に送られてトラッピングパターンを確立することができる。空間光変調器が少数の別個の位相レベルしか提供しない場合は、関連するエラーを最小限にするために、離散化を各反復の中に組み込むことができる。以下に説明する全ての実施例では、このアルゴリズムは２つ又は３つの反復の中で理論的な効率が８０％を超えるキノフォームをもたらす。
【００２２】
ホログラフィック形光ピンセットのキノフォームに対して以前に公表された技術によれば、高速フーリエ変換を利用して、トラッピング面全体にわたって電界が最適化される。これらの技術は、９０％を超える理論的な効率を達成している。しかしながら、そのような方法は、従来の光ピンセットの二次元のパターンに対してのみ適当である。本発明の好ましい形態に基づいて採用された離散的な変換は、光ピンセットのより一般的なパターン及び様々な種類のトラップが混合したアレイをコード化することができる。さらに、離散的な変換は実際のトラップ位置においてのみ計算されるため、本発明の方式は効率的に実現することができる。
【００２３】
図２Ａは、水中に浮遊し平面状で五角形(planar pentagonal)のパターンの光ピンセットにトラップされた、直径が０．９９μｍの２６個のコロイド状のシリカの球体を示す。このキノフォームをトラップがわずかにずれた別のものと置き換えると、球体は隣のトラッピングパターンの中にホップされる。一連のトラッピングパターンを決定的に投影することにより、球体は完全に新しい構造体の中に移動される。図２Ｂは１５回のそのようなホップの後の、図２Ｃは３０回のそのような段階の後の同じ球体を示す。
【００２４】
面内の同等の動きは、一連の別個の位置を通って１つのピンセットを高速スキャニングし、これにより、時分割方式のトラッピングパターンを作り出すことによって達成することもできる。しかしながら、ホログラフィック形光トラップを連続照射することにより、幾つかの利点が提供される。連続したトラップ内のピーク輝度が低いことは、感光性のサンプルの損傷を最小にする。ホログラフィック形光ピンセットのパターンは、各トラップされた粒子を周期的に解放及び回収する時分割方式のアレイよりも拡張性を高くすることもできる。
【００２５】
さらに、機能的なホログラフィック形光ピンセットは、平面状の動作に限定されない。空間光変調器を照射するレーザビームがわずかに発散する場合、トラップの全体的なパターンの焦点は焦点面の下流に来る。そのような発散は、下記の位相格子としてコード化されたフレネルレンズを用いて取り入れることができる。
【数２４】
2005515878.tif 000026
ここで、ｚは、縦倍率がＭの光学系内の焦点面に対する光トラップの望ましい変位である。上記の場合では、モジュロオペレータ（modulo operator）は、位相シフトする光学素子１５上で最適に実現するために連続する位相プロファイルを分離するものと理解される。同じ機能性は、個々のフレネルレンズを入射ビーム内に配置することではなく、レンズの位相変調機能を現行のキノフォームに加えることによって得ることができる。
【数２５】
2005515878.tif 000027
図３Ａは、この方法で面外に一括して移動させられた一般的な光ピンセットのアレイを示す。本発明による面外の動きのアクセス可能な範囲は±１０μｍである。
【００２６】
個々のレンズ機能をトラッピングパターン全体に加えるのではなく、数９の式（３）及び数１８の式（４）の中で下記のようにカーネルを含むことによって、
【数２６】
2005515878.tif 000028
個々のレンズ機能を各トラップに個別に適用することができる。図３Ｂは、この方法で７つの異なる面内に同時に配置された７つの球体を示す。
【００２７】
図５は、光学渦巻を形成するために有用な、ガウス形光ビームをラゲール−ガウス形ビームに変換する従来周知の方法を示す。図５に示すように、ガウスビーム１０は左から右に伝搬する。このガウスビーム１０は、断面１２で観察すると、挿入図４０で概略的に示すように、均一で一定の位相を有する。ガウスビーム１０は、適切に設計された回折光学素子１５を通過した後、光軸の回りを前進する位相を獲得し、このようにしてラゲール−ガウス形ビームに変換される。断面１８で観察すると、挿入図５０に示すように、位相は波面を横切って変化する。次に、変換されたビームはミラー２０によって強く集光する集束素子２５の後部開口内に反射される。この強く集光する集束素子２５はビーム１０を焦点３０にもたらす。この焦点３０は光学渦巻の位置である。
【００２８】
回折光学素子１５は、振幅形回折光学素子又は位相と振幅とを混合した形の回折光学素子の種類からではなく、位相変調形の回折光学素子の種類から選択されることが好ましい。ビーム１０の振幅を変調する回折光学素子はその振幅を小さくする必要があり、このため輝度を減少させて、光学トレーンの全体的な効率を低下させてしまう。他方、位相専用の回折光学素子は、輝度を低減することなくビーム１０上で動作できる。位相専用の回折光学素子の場合、回折光学素子はＴＥＭ00形のガウスビームを位相電荷ｌのラゲール−ガウス形ビームに変換する必要があり、このためビームの位相を下記の量だけシフトしなければならない。
【数２７】
2005515878.tif 000029
この状態では、位相パターンの中心（ｒ＝０）は、ビームの軸に整列する。
【００２９】
位相シフト形空間光変調器を用いて実現される実際的な位相ホログラムのような位相ホログラムは、何らかの任意の量の位相シフトを行うことはできない。むしろ、そのような実際的な位相ホログラムは、０と最大の位相シフト２πラジアンとの間の離散的な値の位相シフトを実行するように一般的に設計される。そのような例では、必要な位相シフトは下記の特定の考慮すべき事項を説明するために修正される。
【数２８】
2005515878.tif 000030
【００３０】
前述の種類の回折光学素子は、最初のガウスビームと同軸のラゲール−ガウス形のビームに対する近似値を作り出す。そのような配列は幾つかの環境の中では望ましいことではなく、ラゲール−ガウス形のビームを最初の入射ビームから偏向することが好ましい。そのような場合は、望ましい位相のプロファイルを下記のように修正することができる。
【数２９】
2005515878.tif 000031
【００３１】
上記の状況では、ラゲール−ガウス形のビームの角偏向はｓｉｎ-1（ｋλ）で与えられる。ここで、波長λの光に対して、
【数３０】
2005515878.tif 000032
である。この位相関数は、１つの入射するガウスビームから１つの変位された光学渦巻を作り出すことができる。
【００３２】
図６は、ｌ＝６０の光学渦巻と同じ面内に集束した従来の光ピンセットの顕微鏡写真である。渦巻の縁に沿った明らかに非均一な輝度は、結像系の偏光によるアーチファクトであり、渦巻又は渦巻きができることによる本来の特性ではない。
【００３３】
図５に示したミラー２０は、集束素子によって集光された光が結像系に向かってミラー２０を通過するように選択される。例えば、ダイクロイックミラー２０はレーザ光の波長を反射すると同時に、他の波長が結像するためにそこを通過することができるように選択できる。ミラー２０が単に部分的に反射するだけの場合、焦点３０でサンプルによって散乱された幾つかのレーザ光は、ミラーを通って後方に戻り光学渦巻自身の像を作ることができる。図６は、ｌ＝６０の光学渦巻の回折限界のリング状焦点でコントラストが付けられた、従来の光ピンセットの点状の焦点の写真を示す。
【００３４】
特に、以前報告された最大の位相電荷はｌ＝３を有し、フォトリソグラフィにより製造された回折光学素子を用いて実現された。しかしながら、本発明に基づいて実現された光学渦巻は、動的な空間光変調器を用いてｌ＝１６０を超える位相電荷を含んでいる。本発明だけの基礎を形成する幾つかの有用で関心のある効果は、電荷が大きい光学渦巻に対して明白に示されるため、従来の技術を用いる場合は観察されることはない。
【００３５】
空間光変調器を用いて光ビームを再構成するための別の技術も光学渦巻を作り出すことができることが、以前から提案されている。しかしながら、この別の技術は、光学トレーンが光学渦巻の位相プロファイルを作らず、このため光学渦巻の独特で有用な特性を実現できないために不完全である。その代わり、この別の方式はトラッピングビームの輝度を環形の中に単に成形する。そのような形成されたビームは明るい焦点になり、従来の光ピンセットの特性を共有する。
【００３６】
これまでは、従来の装置は固定した位置に１つの光学渦巻しか発生しなかった。それに対して、本発明による装置はホログラフィック形光ピンセットの技術の上に構築され、それぞれが自身に指定された位相電荷を有する複数の光学渦巻の任意の三次元配列を形成できる。コンピュータによるアドレス指定可能な空間光変調器を用いて実現すれば、同じ技術により渦巻全体を動的に再構成することができる。
【００３７】
光学渦巻は、少なくとも２つの注目すべき特性を有する。全ての位相はラゲール−ガウス形ビームの円周に沿って存在するため、干渉による弱め合いがその軸に沿った焦点まで
の全ての途中のビームの輝度を相殺する。このように、光学渦巻は幅が約
【数３１】
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の暗い中心を有し、反射、吸収又は誘電性が低い粒子又は従来の光ピンセットと両立しない誘電性が低い粒子をトラッピングすることに有用である。ラゲール−ガウス形ビーム内の各光子は、その偏光とは無関係に角運動量
【数３２】
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を持っている。このため、光学渦巻の中にトラップされている間にそのような光子を吸収する粒子は、この粒子が光子及びビームの位相電荷ｌを吸収する比率に比例するトルクを受ける。従って、光学渦巻は、例えば超小型電気機械システムにおいて、小さいスケールの長さで動きを駆動するために有用である。
【００３８】
光ピンセットのアレイをコード化するキノフォームに
【数３３】
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を適用すると、図４Ａに示すように、同一の光学渦巻のアレイが生ずる。この場合、トラップのアレイからの光は、顕微鏡の焦点面内の鏡面からの反射によって直接画像形成される。集束された光学渦巻からの光は、サンプル面内の鏡面から画像形成される。挿入画は、１つの渦巻構造のより詳細な図を示す。図４Ｂは、ｌ＝１５の渦巻の３ｘ３のアレイの明るい円周上にトラップされた複数のコロイド状の粒子を示す。光学渦巻のアレイの中にトラップされた複数の粒子は、特に位相電荷ｌの大きな値に対して注目すべき協力行動を取る。
【００３９】
渦巻を形成する位相関数は、図４Ｃに示した光ピンセットと光学渦巻との混合アレイの中で実証するように、下記により個々のトラップに適用することもできる。
【数３４】
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ＫvはＫLと組み合わされて、渦巻の三次元のアレイを発生することができる。そのような異質性のトラッピングパターンは、異なる材料を階層的な三次元構造の中にまとめ上げたり、制御された力及びトルクを拡張された動的システム上で働かせるために有用である。
【００４０】
光学渦巻及び従来のピンセットの適当に同期した一次結合が、光学ボトル（optical bottle）及び制御された回転子として動作するように示されている。そのような複合トラップを、本願で説明されるアルゴリズムの直接的な修正と合成することができる。さらに別の位相プロファイルは、新しい機能性を与えることができる。例えば、アクシコンプロファイル（axicon profile）
【数３５】
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は、ガウスビームをベッセルビーム（Bessel beam）の近似波形に変換する。そのようなビームは、数ミクロンに広がる範囲にわたって回折なしの焦点を作る。結果として生ずる軸線方向のトラップは、粒子を三次元の中に導くため、棒状のサンプルや楕円形のサンプルを整列させるため、また粒子の均一なスタック(stack)を作るために有用である。位置の用途を有する他の一般的な例は、本来、光のほとんど全てのモードに追従する。
【００４１】
光学渦巻の前の説明及び具体例は、１つの光学渦巻からのトルクの移送によってマイクロマシンを駆動するための潜在的な有用性を強調した。これらの場合では、位相電荷が小さい１つの光学渦巻を使用することが強調された。以下の応用例では、ホログラフィック形光ピンセット（ＨＯＴ）技術を用いて作られた光学渦巻及び光学渦巻のアレイの１つ以上の特性が利用される。
【００４２】
以前の応用例は、マイクロマシンの個々の成分を回転させるために、円形に偏光した光によって作用されたトルクを使用している。円形運動を駆動するために光学渦巻を使用することにより、幾つかの利点が得られる。吸収された光の光子に対して転送される角運動量を増加することによって、位相電荷ｌは望ましいトルク量を得るために必要な力を減少させる。この現象は、吸収された光による不要な加熱を最小にするために、またレーザに対するパワーに関する要求事項及び費用を減らすためにも有用である。角運動量をミクロ機械加工されたギヤの縁に送ることは、そのような装置の中心は軸、ベアリング又は他の固定部品として動作することが多いために効率も改良する。そのような点で吸収された光は単に加熱の一因になるか、そうでない場合は無駄にされる。
【００４３】
ただ１つのミクロ機械加工されたギヤを従来の技術を用いて他の利用可能な技術で駆動することは難しいため、従来のマイクロ電気機械装置（ＭＥＭ）は１つの点だけにおいて駆動されるように設計される。ホログラフィック形光ピンセットのシステムの中で多数の独立した渦巻を利用できることにより、ＭＥＭシステムの中に駆動力を割り当てることが容易になる。複雑な機械システムの複数の段にトルクを送ることにより、効率が向上され、磨耗が減少され、また任意の１つの部品が耐える必要がある最大トルクに関する要求事項が軽減される。
【００４４】
光学渦巻は、トルクを照射された粒子に移す。さらに、光学渦巻は光トラップとしての役割も果たす。従来の光ピンセットにおけるトラッピング動作と同様に、光学渦巻の明るい縁に引き付けられた誘電性の粒子を三次元の中にトラップすることができる。しかしながら、渦巻の中にトラップされた粒子は、光の吸収と粘性抵抗との間の釣合いによって支配される速度で、それらの軸上でスピンする。これらのスピンする粒子は周りの流体に中で流れを引っ張り、またこれらの流れは幾つかの目的のために使用できる。
【００４５】
光学渦巻の縁の円周が粒子の直径よりも大きい場合、各々がその軸上でスピンする幾つかの誘導性の粒子を縁上で同時にトラップすることができる。光学渦巻の縁上でスピンする１つの粒子は、周囲の流体を通って自発的に移動することはない。しかしながら、隣接するトラップされた粒子間の流体力学的な結合により、粒子全体の集合は渦巻の中心の回りを回転するようにされる。レーザの輝度を変化させ、同時に他の全ての制御パラメータは固定したままにすることによって、スピン及び回転の速度を広範囲にわたって制御することができる。図８Ｃは、ｌ＝６０の光学渦巻を用いて作られたそのような粒子のリングを示す。リングが約１００Ｈｚで回転するため、図８Ｃの各球体の像は不鮮明である。
【００４６】
ホログラフィック形光ピンセットの技術は、ほとんど全ての望ましい構成の中に複数の光学渦巻を作ることができる。例えば、図８Ｄは、ｌ＝１５の光学渦巻の中にトラップされた粒子の同時回転するリング（co-rotating ring）の３ｘ３のアレイを示す。図７に示した渦巻のアレイが、このマイクロマシンを作るために使用された。そのようなリング間の相互作用により、１つのリングでは可能でないが、１つの渦巻の中に複数の粒子をトラッピングすることが、１つのトラップされた粒子では見られないような新しい効果をもたらすように、協調的な効果を発生することができる。
【００４７】
本願で説明されたマイクロマシンを組立て及び駆動する方式の主要な利点の１つは、この方式が可動部なしで動作することである。全ての組立体は静的な光の勾配力（gradient force）によって実現され、全ての動きは光の位相電荷に固有の角運動量によって駆動される。
【００４８】
１つのスピンする粒子又は粒子のリングの外側の流れを使用して、小さなチャネルを通って流体をポンピングすることができる。図１０は、閉ループ内で流れを引っ張る４つの回転中心を持つ典型的な具体例を示す。自己組織化されたマイクロマシンに関しては、図６に示した光学渦巻のこの応用例には、可動部に頼ることなく、閉じたシステム上で非侵襲的に動作する利点がある。実際に、定常状態のポンピングは、ホログラフィック形光ピンセットの光学トレーン内の１つの静的な回折光学素子を用いて実現できる。
【００４９】
図９Ｂの実施例のようにポンピングパターンを確立した後、渦巻の１つの回転方向を逆にすると、結果として流体の流れを向け直すポンピングパターンが再構成される。この再構成されたパターンは、図９Ｃに示されている。図９Ｂにおいて、４つのトラップされた粒子（又はリング）は協働して流体を閉鎖ループを通るようにポンピングする。この動的な流れの再構成は、ホログラフィック形光ピンセットのシステムの中に投影された回折光学素子を変えることによって、リアルタイムで実行することができる。
【００５０】
図８Ｃ及び図８Ｄに示した実施例のように粒子のリングを回転させることにより、極めて複雑な流れのパターンの巻込みを行うことができる。これらの流れのパターンを使用して、幅が数百ナノメータから数百マイクロメータにわたる体積の中で流体を混合することができる。このような混合動作は、微小流体系における層流が一般に混合を妨げるようなラボオンアチップ（lab-on-a-chip）の用途に対して有用である。
【００５１】
ホログラフィック形光ピンセットは光学渦巻をほぼどのような望ましい構成の中にも配置することができ、また渦巻のパターンの順番を交互に変えることができる。例えば、図１０に示した概略図は、位相電荷が符号を交互に変える３つの重なり合った光学渦巻を示す。必要な場合、異なる種類の渦巻を交互にオン及びオフさせて、特定の寸法の粒子の収集をできるようにする決定論的な移送（deterministic transport）を行うことができることに注意されたい。そのような輝度フィールドを受ける１つの粒子は、その場でスピンする。しかしながら、複数の粒子は各渦巻の縁に沿って駆動される。ホログラフィック形光ピンセットの技術を使用して、渦巻を互いに接線方向に配置することができる。交差部に到来する粒子は自身のスピンが抑圧されることが分かり、隣接する粒子によって別の方向の回転が行われる渦巻の中に押し込まれる。２つ以上の粒子が押し込まれると、収集は第２の渦巻の縁に沿って回転し、以下同じ動作が繰り返される。この技術により、可動部なしで、１つの静的なホログラムを用いて、１つ又は複雑な軌道に沿って粒子を迅速に移送することができる。
【００５２】
正及び負の渦巻を交互にオン及びオフさせることにより、渦巻の縁の周りの移送時間に基づいて粒子を動的に選択する別の可能性が開かれる。そのような方式は、粒子分別技術の基礎として使用できる。
【００５３】
本発明の上記の説明並びに特定の実施例及び実施形態は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、実証によって与えられたのであり限定するためではないことは理解されよう。本発明の範囲の中で多くの変更及び修正を本発明の精神から逸脱せずに行うことができ、また本発明は全てのそのような変更及び修正を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】１つの入力ビームから複数のレーザビームを作るために、反射形液晶空間光変調器を使用する動的なホログラフィック形光ピンセットを実現する概略図である。
【図２】図２Ａは動的なホログラフィック形光ピンセットを用いる変換前の、直径が１．５μｍの２６個のコロイド状のシリカ球体のパターンであり、図２Ｂは１６ステップの変換プロセスの後の同じパターンであり、図２Ｃは３８ステップの変換プロセスの後の最終構成のパターンである。
【図３】図３Ａは１つの面内にトラップされ、次に式（６）を用いて±５μｍ移動された、３４個の直径が０．９９μｍのシリカ球体を示す、ホログラフィック形光ピンセットを用いて付加的な三次元の運動をさせた画像である。ここで、球体の画像は、焦点面からの球体の移動に呼応して変化する。図３Ｂは式（７）で計算されたキノフォーム（kinoform）を用いて、７つの異なる面内に同時にトラップされた７つの球体を示す図である。
【図４】図４Ａはピンセットと等価なアレイから作られた、位相電荷がｌ＝２０の光学渦巻の三角形のアレイの画像であり、図４Ｂはｌ＝１５の光学渦巻の３ｘ３の正方形のアレイの中にトラップされた、直径が８００ｎｍのコロイド状のポリスチレンの球体の画像であり、図４Ｃは式（１１）で計算された（ａ）と同じ構成の、光ピンセット（ｌ＝０）とｌ＝１５及びｌ＝３０の光学渦巻との混合アレイの画像である。
【図５】コリメートされたガウス形レーザビームから１つの光学渦巻のトラップを作るために使用された、光学トレーンの概略図である。
【図６】ｌ＝６０の光学渦巻と同じ面内に集束された、従来の光ピンセットの顕微鏡写真である。
【図７】式（５）で説明したシステムを用いて従来のホログラフィック形光ピンセットの３ｘ３のアレイを修正することによって作られた、ｌ＝１５の光学渦巻のアレイを説明する図である。
【図８】図８Ａは軸の回りにスピンする光学渦巻の中にトラップされ、流体が円運動する流れの中に混入された１つの粒子の概略図であり、図８Ｂは光学渦巻の縁上でトラップされ、渦巻の中心の回りを集団で回転するために流体力学的に相互作用する複数の粒子の概略図であり、図８Ｃは水中に分散されｌ＝４０の光学渦巻の中にトラップされた、直径が１μｍのコロイド状のシリカの球体のリングを示す図であり、図８Ｄは直径が８００ｎｍのコロイド状のポリスチレンの球体のリングを作りまた駆動する、ｌ＝１５の光学渦巻の３ｘ３のアレイを示す図である。
【図９】図９Ａは循環する流体の流れを伴う光学渦巻の中でスピンする粒子又は粒子の回転リングを概略的に示す図であり、図９Ｂはマイクロ流体チャネルの中で流体をうまく移送できる複数のスピンする粒子によって駆動された流れの重ね合わせを概略的に示す図であり、図９Ｃは１つの粒子の回転の方向を逆にすることにより、流れをチャネルの１つの外に向ける方法を概略的に示す図である。
【図１０】線に沿って粒子を急速に移送させる正及び負の位相電荷を交番する光学渦巻を概略的に示す図である。
【図１】
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【図２（Ａ）】
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【図２（Ｂ）】
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【図２（Ｃ）】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図４（Ａ）】
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【図４（Ｂ）】
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【図４（Ｃ）】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８（Ａ）】
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【図８（Ｂ）】
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【図８（Ｃ）】
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【図８（Ｄ）】
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【図９（Ａ）】
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【図９（Ｂ）】
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【図９（Ｃ）】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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