(57)【要約】  液体中の微小気泡の形成、捕獲および操作方法が開示される。この方法は、パルスレーザー照射を発生するパルスレーザー源および焦点調節レンズを提供し；焦点域における液体中のオプティカルブレイクダウンの閾値を超えるエネルギーで、液体中の焦点域にパルスレーザー照射の焦点を合わせることを含む。球面収差についての焦点調節レンズ補償深度に近い深度で焦点にレーザービームの焦点を合わせるために焦点調節レンズを用いることも示唆される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザー照射を発生するパルスレーザー源および焦点調節レンズを提供し、
焦点域における液体中のオプティカルブレイクダウンの閾値を超えるエネルギーで、液体中の焦点域にパルスレーザー照射の焦点を合わせることを含む、液体中の微小気泡の形成、捕獲および操作方法。
【請求項２】
パルスレーザーの焦点を合わせる工程が、乾燥した焦点調節レンズを用いて、液体中の位置にパルスレーザーの焦点を合わせることを含み、液体中の焦点位置の深さが、球面収差についての対物レンズの補償深度の周辺にある、請求項１記載の方法。
【請求項３】
焦点調節レンズが、０．３〜１．６５の開口数を有する請求項２記載の方法。
【請求項４】
パルスレーザーの焦点を合わせる工程が、浸漬焦点調節レンズを用いて、パルスレーザーの焦点を合わせることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
リモート位置に、レーザービームを誘導するための導波路を提供することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
パルスレーザー源が、１０ｆｓ〜１０ｐｓの幅および３５０ｎｍ〜１５００ｎｍの波長のレーザーパルスを発生させるために適合されたレーザー源を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
パルスレーザー源が、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの繰り返し率のパルスを発生させるレーザー源を含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
液体中の焦点域を移動させることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
液体中の焦点域を移動させる工程が：
液体が収納され、容器を再配置するためのシステムを再配置する容器を提供し、
パルスレーザービームに対して容器を再配置することを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
液体中の焦点域を移動させる工程が、焦点調節レンズに対してパルスレーザービームの入射角を変化させることを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
液体中の焦点域の移動を制御する制御装置を用いることを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
パルスレーザービームのエネルギーを調節することを含む、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光トラッピングに関する。特に、本発明は、液体中の気泡の形成、捕獲および操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小粒子の捕獲および操作は、ナノテクノロジーおよびマイクロテクノロジー、並びに医学的および生物学的応用において非常に重要である。微小粒子の捕獲および操作には、通常、液体中の微小粒子上の光圧を与える光トラップ（光またはレーザーピンセット）の使用が含まれる。あるケースにおいては光ピンセットの小さい力にもかかわらず、それはセルおよび他の微小粒子の非接触捕獲および操作のためには十分である。
【０００３】
光ピンセットを用いる、有害でない、微粒子の捕獲および移動の可能性の証明は、Ａ．Ａｓｈｋｉｎの論文「放射圧による粒子の加速および予測」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２４（４），１５６−１５９（１９７０）により与えられた。このときから、光ピンセットのデザインは絶えず改良されてきた。多くの光ピンセットの修飾が開発され、様々な応用が示唆および研究されてきた。
【０００４】
例えば、Ａｓｈｋｉｎらによる米国特許第４，８９３，８８６号、「生物学的粒子のための非ブレイクダウン的光捕獲およびそれを実施する方法」（１９９０年１月１６日）は、赤外レーザーを用いる、生物学的粒子を捕獲する、単一ビーム勾配力のための方法および装置を開示している。捕獲のいくつかのモデルが示されている。
【０００５】
Ｆｉｎｅｒらによる、他の米国特許第５，５１２，７４５号、「光トラップシステムおよび方法」（１９９６年４月３０日）は、レーザーピンセットの改良されたデザインを開示している。開示されたシステムには、微小粒子の検出のための象限フォトダイオード検出器による散乱光の検出をベースとする、的はずれの位置を補正するためのフィードバックループ、並びに捕獲ビームを位置を変化させるための音調光学変調器または反照検流計が含まれる。
【０００６】
Ｓｕｔｚｅによる、他の米国特許第５，６８９，１０９号、「小粒子、特に生物学的粒子の操作、処理および観察のための装置および方法」（１９９７年１１月８日）は、異なる波長を有する２種のレーザーからなるレーザーピンセットの修飾を開示している。第一のレーザーの焦点調節放射は光トラップを形成し、第二のレーザーの焦点調節放射は、粒子の操作のために用いられる。
【０００７】
Ｓｈｉｋａｎｏによる、米国特許第５，９５３，１６６号、「レーザー捕獲装置」（１９９９年９月１４日）は、培地中に懸濁した微生物のような微小粒子の群から任意の微小粒子を捕獲するためのレーザー捕獲機構を開示している。
【０００８】
多くの特許が光ピンセットの出願に関するものである。
【０００９】
Ｃｈｅｎらによる、米国特許第６，９４３，０６２Ｂ２号、「光学ピンセットによる、混入粒子の除去」（２００５年９月１３日）は、粒子の光トラッピングおよびそれらの移動をベースとする、表面を損傷させずに、表面から混入粒子を除去する方法が開示されている。
【００１０】
Ｇｈｉｓｌａｉｎらによる、米国特許第５，４４５，０１１号、「光トラップを用いた、走査型力顕微鏡」（１９９５年８月２９日）は、プローブが、光トラップにより位置づけされ、正しい方向に置かれた軸上に少なくとも１個のチップを有する、光学的に透明なシリンダーにより示される走査型力顕微鏡を開示している。
【００１１】
Ｔａｎらによる、米国特許第７，３１５，３７４号、「光学的に捕獲されたカーボンナノチューブのリアルタイム観察」（２００８年１月１日）、およびＣｈａｎｇによる、米国特許第７，３１６，９８２号、「光トラップを用いた、カーボンナノチューブの調節」（２００８年１月８日）は、液体中のカーボンナノチューブの操作のための光ピンセットの方法および修飾を開示している。
【００１２】
公知の光ピンセットのいくつかの限界には：
相対的に低い捕獲力−通常、１０ｍＷのレーザー平均出力に対し、あるケースにおいては十分でない、ピコニュートン（ｐＮ）のレベル；
捕獲された微小粒子を通過する光ピンセットを通過するレーザー照射により起こる損傷の可能性；
光ピンセットは、周囲の液体より高い屈折率を有する微小粒子を捕獲し、そのように低い屈折率であり、不透明な微小粒子は捕獲されないことが含まれる。
【００１３】
従って、放射圧をベースとする光ピンセットの欠点を排除するために、特に、低屈折率かつ不透明な微小粒子の捕獲を可能にする、新しいタイプのトラップを開発することが望ましい。例えば、液体中の気泡の捕獲および操作は、マイクロテクノロジー、生物学および医学における多くの用途について非常に重要である。
【００１４】
連続波（ＣＷ）アルゴンレーザービームを用いた、液状エタノール中の微小気泡の安定に捕獲することの観察が報告された（Ｂ．Ｌ．Ｌｕ，Ｙ．Ｑ．Ｌｉ，Ｈ．Ｎｉ，Ｙ．Ｚ．Ｗａｎｇ「微小気泡のためのレーザー誘導ハイブリッドトラップ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７１，８０１−８０５，２０００）。液体表面に浮いた微小気泡は、培地を垂直に通過するガウスビームにより捕獲された。捕獲効果の説明には、液状媒体の伝達により誘発される光圧および流体力の存在が含まれる。
【００１５】
先行技術において公知の光トラッピングのための他のアプローチは、液体中のオプティカルブレイクダウンをベースとする。
【００１６】
液体中のレーザーパルスの焦点調節が、非線形吸収およびブレイクダウンプラズマ形成のために、焦点の領域から気泡の形成および放出を起こすことが知られている。これらの気泡は、正常には、多重振動を有する、不安定なキャビテーション気泡である。キャビテーション気泡の崩壊時間ｔｃ（気泡の最大、それに続く最小の間の時間間隔）は、Ｒａｌｅｉｇｈ式：
【００１７】
【数１】
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【００１８】
（式中、Ｒｍａｘはキャビテーション気泡の最大半径であり、ρは液体の密度であり、ｐは周囲圧力であり、ｐｖは蒸気圧である）から計算することができる。
例えば、Ｒａｌｅｉｇｈ式に従い、最大半径１０μｍを有する気泡の崩壊時間は、０．９μ秒以下であり、比例的にＲｍａｘまで減少する。
【００１９】
気泡のキャビテーションは、微小粒子の捕獲および操作に用い得る、液体の微小循環を起こす。Ｙ．Ｊｉａｎｇら（Ｙ．Ｊｉａｎｇ，Ｙ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｙ．Ｈｏｓｏｋａｗａら、「フェムト秒のレーザー誘導機械力を有する、溶液中の単一の微小物体の捕獲および操作」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９０，ｐ．０６１１０７，２００７）は、衝撃波、キャビテーション気泡および噴流に基づく、捕獲すべき微小粒子の周囲にフェムト秒レーザーパルスをスキャンすることによる、微小物体の捕獲および操作方法を開示している。しかし、この方法は、液体中の気泡の捕獲を可能にしない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】米国特許第４，８９３，８８６号
【特許文献２】米国特許第５，５１２，７４５号
【特許文献３】米国特許第５，６８９，１０９号
【特許文献４】米国特許第５，９５３，１６６号
【特許文献５】米国特許第６，９４３，０６２Ｂ２号
【特許文献６】米国特許第５，４４５，０１１号
【特許文献７】米国特許第７，３１５，３７４号
【特許文献８】米国特許第７，３１６，９８２号
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ａ．Ａｓｈｋｉｎの論文「放射圧による粒子の加速および予測」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２４（４），１５６−１５９（１９７０）
【非特許文献２】Ｂ．Ｌ．Ｌｕ，Ｙ．Ｑ．Ｌｉ，Ｈ．Ｎｉ，Ｙ．Ｚ．Ｗａｎｇ「微小気泡のためのレーザー誘導ハイブリッドトラップ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７１，８０１−８０５，２０００
【非特許文献３】Ｙ．Ｊｉａｎｇ，Ｙ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｙ．Ｈｏｓｏｋａｗａら「フェムト秒のレーザー誘導機械力を有する、溶液中の単一の微小物体の捕獲および操作」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９０，ｐ．０６１１０７，２００７
【非特許文献４】Ｊｉｎｇ  Ｙｏｎｇ  Ｙｅ，Ｇｕｏｑｉｎｇ  Ｃｈａｎｇ，Ｔｈｅｏｄｏｒｅ  Ｂ．Ｎｏｒｒｉｓら「自己焦点レーザービームを用いた、キャビテーション気泡の捕獲」，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２９，Ｎｏ．１８，ｐ．２１３６−２１３８，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
水中のレーザー誘導キャビテーション気泡を捕獲する方法が開示されている（（Ｊｉｎｇ  Ｙｏｎｇ  Ｙｅ，Ｇｕｏｑｉｎｇ  Ｃｈａｎｇ，Ｔｈｅｏｄｏｒｅ  Ｂ．Ｎｏｒｒｉｓら「自己焦点レーザービームを用いた、キャビテーション気泡の捕獲」，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２９，Ｎｏ．１８，ｐ．２１３６−２１３８，２００４）。自家製の２５０ｋＨｚの再生的に増幅するＴｉ：サファイヤレーザーを、１００ｆｓの幅および７９３ｎｍの波長を有する出力パルスと一緒に用いた。レーザービームの焦点を、（約０．３の開口数に相当する、１５のｆ値を有するレンズにより）分光光度グレードの精製水を含む石英キュベットの上部に軽く合わせた。この焦点調節条件下で、２１０ｍＷを超える平均レーザー出力のための、レーザービームの自己焦点調節と関連する、白色光連続体および気泡発生が観察された。同時に、気泡の捕獲が観察された。レーザービームの下方には気泡が捕獲されないことが説明されるべきである。しかし、自己焦点レーザービームを用いて、液体中の所定の位置に気泡を局在化させるための安定なトラップを作成するためにこの方法を用いることは不可能であるが、これは自己焦点調節工程の非制御性による可能性がある。捕獲された気泡のサイズは調節不可能であり、変えることはできない。２１０ｍＷを超える、高い平均レーザー出力の使用および白色光の発生は、周囲の物体の損傷を引き起こし、多くの用途、例えば、医学および生物学における用途を顕著に制限する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
従って、本発明の実施態様によれば、液体中の微小気泡の形成、捕獲および操作方法が提供される。この方法は、パルスレーザー照射を発生するパルスレーザー源および焦点調節レンズを提供し；焦点域における液体中のオプティカルブレイクダウンの閾値を超えるエネルギーで、液体中の焦点域にパルスレーザー照射の焦点を合わせることを含む。
【００２４】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、パルスレーザーの焦点を合わせる工程は、乾燥した焦点調節レンズを用いて、液体中の位置にパルスレーザーの焦点を合わせることを含み、液体中の焦点位置の深さが、球面収差についての対物レンズの補償深度の周辺にある。
【００２５】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、焦点調節レンズは、０．３〜１．６５の開口数を有する。
【００２６】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、パルスレーザーの焦点を合わせる工程は、浸漬焦点調節レンズを用いて、パルスレーザーの焦点を合わせることを含む。
【００２７】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、リモート位置に、レーザービームを誘導するための導波路を提供することを含む。
【００２８】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、パルスレーザー源は、１０ｆｓ〜１０ｐｓの範囲の幅および３５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲の波長のレーザーパルスを発生させるために適合されたレーザー源を含む。
【００２９】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、パルスレーザー源は、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの繰り返し率のパルスを発生させるレーザー源を含む。
【００３０】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、方法は液体中の焦点域を移動させることを含む。
【００３１】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、液体中の焦点域を移動させる工程は：
液体が収納され、容器を再配置するためのシステムを再配置する容器を提供し、
パルスレーザービームに対して容器を再配置することを含む。
【００３２】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、液体中の焦点域を移動させる工程は、焦点調節レンズに対するパルスレーザービームの入射角を変化させることを含む。
【００３３】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、本発明の方法は、液体中の焦点域の移動を制御する制御装置を用いることを含む。
【００３４】
さらに、本発明のいくつかの実施態様によれば、本発明の方法は、パルスレーザービームのエネルギーを調節することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明をさらに理解し、実際の適用を理解するために、以下の図面を提供し、以下に言及する。図面は実施例としてのみ提供され、本発明の範囲を限定するものではないことに注意すべきである。同様の構成要素は同様の参照数字により示される。
【図１】図１は、本発明の一実施態様による、液体中の気泡の形成、捕獲および操作のための配置を示す。
【図２】図２は、球面収差についての種々の補償深度を有する３種の物体についてプロットするために存在する、微小気泡捕獲の深度−パルスエネルギーの略図である。
【図３】図３は、焦点を合わせるリモート位置に、レーザービームを誘導するためのガイドワイヤを用いる、本発明の他の実施態様による、液体中の気泡の形成、捕獲および操作のための配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の一実施態様によれば、液体中に高い繰り返し率の超高速レーザーパルスの焦点を当てることにより、気泡を形成し、捕獲し、サイズを調節する方法が、調節可能なサイズの微小気泡を形成する。気泡はレーザービームの焦点位置中に捕獲され、液体容量中、焦点位置を移動させることにより操作し得る。
【００３７】
本発明の他の実施態様によれば、例えば他のレーザーパルス（必ずしも超短波パルスレーザーでない）、放電または超音波発生装置のような外部電源により発生するレーザービームの焦点を気泡内部に合わせることにより、気泡を液体中に捕獲することが可能である。
【００３８】
本発明のさらに他の実施態様によれば、レーザービームを向けるための光学導波路と結合した焦点調節レンズを用いても良い。
【００３９】
本発明の実施態様による安定な捕獲された気泡の発生は、所定のパラメータの窓、例えば１０ｆｓ〜１０ｐｓの範囲のパルス幅、３５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲の波長、１ｎＪ〜１０μＪの範囲のパルスエネルギー、１０ｋＨｚ〜１００ｍＨｚの範囲のパルス繰り返し率、０．３〜１．６５の範囲の焦点調節対物レンズの開口数（ＮＡ）を有するレーザーパルスにおいて可能であることが主張される。安定な捕獲形成のために、好ましくは、球面収差についての対物レンズの補償深度に近い深度で、乾燥した対物レンズの焦点を液体内に配置すべきである。透明な材料の断片を通過する液体中の焦点レーザービームの場合（乾燥した焦点調節レンズ）には、透明な材料および液体中の全てのビームの通過は、液体中の焦点深度が球面収差についての対物レンズの補償深度の付近の深度の範囲にあるようにすべきであり、その範囲はレーザーパルスのパルスエネルギーおよび繰り返し率に依存する。
【００４０】
浸漬対物レンズを用い、液体中の任意の焦点深度において安定な捕獲が形成され得る。
【００４１】
捕獲された気泡の直径はレーザーパルスのエネルギーに依存し、従って、レーザーパルスのエネルギーを変えることにより気泡のサイズを調節することが可能であることが証明された。微小気泡、並びに気泡と結合した低指数および不透明な粒子の３Ｄ操作を容易にできるように、捕獲された微小気泡は、レーザービームの焦点を移動させることによって液体体積内を移動することができる。形成された微小気泡は、周囲の液体よりも高温を有すると思われ、従って、液体中で調節可能な熱蒸着マイクロ源（ｈｅａｔ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｉｃｒｏ  ｓｏｕｒｃｅ）として用いることができる。
【００４２】
本発明の実施態様によれば、液体中の調節可能なサイズの微小気泡の形成、捕獲および操作が可能である。
【００４３】
図１は、本発明の実施態様による、微小気泡の形成、捕獲および操作のための装置を示す。
【００４４】
パルスレーザー源（１）が、可変減衰器（２）を通過し得るパルスレーザービームを発生する。次いで、例えば、微小気泡を誘発するための容器（４）内の透明な液体中の対物レンズ（３）のような焦点調節レンズを用いてビームの焦点を合わせる。焦点ビームと液体を含む容器との間の相対運動を得るために、再配置システム（５、例えば、Ｘ−Ｙ−Ｚ移動ステージ）が供給される。これは、誘発された微小気泡の操作を可能にする。また、レーザービームの焦点は他の手段（例えば、光学的手段、例えばスキャナー、または機械的手段、例えば電動マニピュレーター）によって移動してもよい。
【００４５】
例えば、コンピュータ（６）のような制御装置は、例えば、再配置システム（５）を調節および作動することにより、ビームの焦点の操作を調節する。
【００４６】
レーザービームの方向に平行および垂直に２つの視覚システムが使用される。各視覚システムは、照明光源（７、８）、焦点調節レンズ（３、９）、並びにＣＣＤカメラ（１０、１１）のような画像センサーを含む。
【００４７】
焦点から反射するビームを分割する二色性鏡（１２）を用いてブレイクダウンレーザー照射が開始すると、レーザービームに沿った観察は、好ましくは同じ対物レンズを通して実施される。
【００４８】
捕獲された気泡の高い繰り返し率を得るために、特定の液体のためのオプティカルブレイクダウンの閾値を超えるパルスエネルギーを用い、超高速レーザーパルスの焦点を液体容量内部に合わせる。パルス幅、焦点調節対物レンズのＮＡ、球面収差についての対物レンズの補償深度、および液体中の焦点の深度のような実験パラメータの停止は、前述のパラメータウィンドウの範囲内である。
【００４９】
レーザーパルスによる液体のブレイクダウンの結果として、気泡のパルスキャビテーションが発生する。キャビテーションが完了した後、残りの泡は、キャビテーションによって生じる液体の流れによって焦点容量から移動する。パルスからパルスへのキャビテーションの無秩序な方向性のため、残りの泡は次のレーザーパルスが到達する時に焦点容量内にあると思われ、対物レンズの焦点容量中のレーザー照射の非線形吸収のための加熱によって発生する泡中のガス膨張のため、成長し始める。この局所加熱源は液体中の泡の位置を安定化し、圧力、熱線の伝播、およびそれらの泡表面との相互作用は、次のレーザーパルスが、泡の直径をさらに増大させる泡の容量中に更なるエネルギーを加えることを可能にする。最終的に、熱伝導率による気泡の外の熱流が非線形吸収による気泡内の熱流と等しくなると、泡のサイズは増大を停止する。
【００５０】
従って、捕獲のメカニズムは、気泡壁を伴うレーザー照射の非線形吸収のため、気泡内部の気体の局所加熱により発生する圧力および熱線の相互作用を含む。
【００５１】
本発明の発明者らは、結果が以下の実施例に与えられる実験を実施した。
【実施例１】
【００５２】
２００ｆｓの幅および８００ｎｍのレーザーパルス（１、図１）を、可変減衰器（２）に直接通過させ、開口数０．５５を有する乾燥した対物レンズ（３）により蒸留水に焦点を合わせた。水（４ｂ）を含むキュベット（４）を、コンピュータ（６）により制御された三軸オープンフレーム位置決めシステム（５）を用いて対物レンズの焦点（４ａ）に対して移動させた。セットアップは、レーザービームの方向に平行および垂直に機能する２つの視覚システムを有する。各可視システムは、照明源（７、８）、対物レンズ（３、９）およびＣＣＤカメラ（１０、１１）を有する。二色性鏡（１２）を用いたブレイクダウンレーザー照射を開始すると、同じ対物レンズ（ＮＡ＝０．５５、補償深度６．３ｍｍ）を通して、レーザービームに沿った観察を実施した。レーザービームに対して垂直な可視システムにおいて、ＮＡ＝０．３の対物レンズ（９）を用いた。
【００５３】
前述したように、通常、高い繰り返し率による水中でのブレイクダウンの開始に続き、一連のレーザーパルスにより生成するキャビテーション気泡により生成する累積するマイクロジェットの無秩序な方向と関連する、種々の角度および速度でのブレイクダウン域から残りの気泡が放出する。従って、通常は、高い繰り返し率による水中でのレーザーブレイクダウンは、不安定なキャビテーション気泡の形成、およびブレイクダウン域からの残りの気泡の不規則な放出を必要とする。
【００５４】
蒸留水の容量で、５０×０．５５ＮＡの対物レンズにより、２５０ｎＪのパルスエネルギー（我々の条件におけるオプティカルブレイクダウンの閾値は９０ｎＪであった）を用い、１００ｋＨｚの繰り返し率で２００ｆｓのレーザーパルスの焦点を合わせることにより、対物レンズの焦点域が、水中で５．９〜６．７ｍｍ（これは、球面収差（６．３ｍｍ）についての対物レンズの補償深度に近い）の範囲内の深度に配置される場合に、気泡を得、それを対物レンズの焦点域内に捕獲することが可能であることがわかった。捕獲された気泡は、非常に長く、実際には無限の時間、安定な位置に捕獲されたままであり得る。パルスエネルギーは水中でブレイクダウンの閾値を超えるが、気泡が捕獲されている間、ブレイクダウンが観察されないことに注意すべきである。捕獲した気泡は、焦点対物レンズ上のレーザービームの入射角を変えるか、または水の容器に対してビーム軸に平行および横方向に焦点を移動させることにより、水中で移動させることができる。
【実施例２】
【００５５】
水中で浸水させた０．７５ＮＡの対物レンズの近くで、１５０ｎＪのパルスエネルギーおよび１００ｋＨｚの繰り返し率のＴｉ−サファイヤレーザーのレーザーパルス２００ｆｓの焦点を合わせた。このケースにおいては、水中の対物レンズの焦点の任意の深度で安定な捕獲された気泡が得られた。捕獲した気泡は、焦点対物レンズ上のレーザービームの入射角を変えるか、または水の容器に対してビーム軸に平行および横方向に焦点を移動させることにより、水中で移動させることができる。
【実施例３】
【００５６】
水中、浸水させた０．７５ＮＡの対物レンズの近くで、１００ｎＪのパルスエネルギーおよび５ＭＨｚの繰り返し率のＴｉ−サファイヤオシレータのレーザーパルス５０ｆｓの焦点を合わせた。このケースにおいては、水中の対物レンズの焦点の任意の深度で安定な捕獲された気泡が得られた。捕獲した気泡は、焦点対物レンズ上のレーザービームの入射角を変えるか、または水の容器に対してビーム軸に平行および横方向に焦点を移動させることにより、水中で移動させることができる。
【００５７】
実験は、捕獲した気泡の直径は連続したレーザーパルス（１０μｓ）間の時間間隔で実際に変化しない、すなわち、キャビテーション振動を受けないことを示した。
【００５８】
ある最適な深度における水中で対物レンズの焦点が移動し、それに対し、用いられる対物レンズの球面収差が最小である場合にのみ気泡捕獲モードが起こることが実験的にわかった。このことは、深度における捕獲の存在領域の略図を示し、レーザーパルスエネルギーが、異なる球面収差補償深度を有する３種の対物レンズについて適合することを示す、図２に示される。最初の対物レンズ（２１で示される領域）（５０Ｘ、ＮＡ０．５）は０．１７ｍｍ厚みのプローブガラスについての球面収差を補正し、第二の対物レンズ（２２で示される領域）（５０Ｘ、ＮＡ０．６）についてはガラス中の球面収差についての補償深度は１．５ｍｍであり、第三の対物レンズ（２３で示される領域）（５０Ｘ、ＮＡ０．５５）については６．３ｍｍであった。図２からわかるように、焦点域が全ての対物レンズのための最適な深度から離れて移動すると気泡捕獲のために必要なパルスエネルギーは著しく増大し、これは、トラップ形成のための密接な収差のないビーム焦点調節の重要性を示す。図２は、焦点の小さい深度における第一の対物レンズについて、トラップが存在する領域が制限されることをも示す。レーザービーム焦点域が水−空気の境界に接近する時に、それは気泡捕獲の方法、および液泡噴流形成の方法に対する捕獲からの突然の変換と関連づけられる。両方の方法は、ＮＡ０．５を有する対物レンズを使用して実現する。気泡捕獲様式から液泡噴流形成への切り替えは、ブレイクダウンのないレジメからレーザーパルス毎にブレイクダウンのあるレジメへの変換と同時に起こる。気泡捕獲および捕獲様式においてこのような発光がないと、液胞噴流の場合に、ブレイクダウンプラズマ発光が観察された。
【００５９】
焦点調節対物レンズ上のビームの入射角を変化させることにより、または入射するビームの方向に対して平行および垂直の両方で、対物レンズの焦点と水を含むキュベットとの間の相対的な移動を確保することにより、水中で捕獲された気泡の移動が可能である。捕獲された気泡の壁に対する、直径３〜１０μｍの微粒子の付着も観察され、それらはさらに一緒に移動し、水中で微小対物レンズを操作する可能性を開く。
【００６０】
次いで、捕獲された気泡の温度が室温より高いことが示された。従って、捕獲された気泡が安定な気泡に接近し、プローブガラスの表面上の水に固定されると、周囲の水の熱のため、固定された気泡の膨張が観察された。従って、捕獲された気泡は、局所的な容積内の水の加熱のための熱源として用いることができる。
【００６１】
捕獲力値は、２種の方法で評価した。パルスエネルギーに依存する、捕獲された気泡の直径を調べ、実験条件下で安定な捕獲された気泡の最大直径は３５μｍに達することがわかった。更なるエネルギー増大および対応する気泡の直径の成長により、気泡は分離し、浮力の方向に対物レンズの焦点域が残った。
【００６２】
分離の時に（水中の対流は無視する）、捕獲力Ｆｔｒは浮力：
Ｆｔｒ＝ρ・ｇ・Ｖ
（式中、ρは水の密度であり、Ｖは気泡の容積であり、ｇは重力係数である）と等しくなる。１７．５μｍの半径の気泡について、捕獲力は２２０ｐＮと等しく計算される。
【００６３】
一方、捕獲力は、捕獲された気泡が、レーザービームに対して垂直な面において移動する実験において測定された。水を含むキュベットを、可変速度で対物レンズの焦点に対して移動させた。分離した気泡が特定の速度に達すると、捕獲力Ｆｔｒは水中の粘性抵抗力に等しくなり、ストークスの式：
Ｆｔｒ＝６π・η・Ｒｂ・ν
（式中、ηは水の粘度であり、Ｒｂは気泡の半径であり、νは気泡の速度である）に従って計算することができる。通常の蒸留水中、２０ｍＷの平均レーザー出力で、２０μｍの直径を有する捕獲された気泡の最大速度は１．２ｍｍ／秒に達し、これは２００ｐＮの捕獲力に相当し、推測した垂直捕獲力と完全に一致する。実験が２０ｍＷの平均レーザー出力で実施されるので、特定値の捕獲力は、従来の光ピンセットについての換算値を２桁超えた、１０ｐＮ／ｍＷに等しいことに注意すべきである。
【００６４】
提案された気泡捕獲は、水中で微小物体を捕獲および操作するために用いることができ、マイクロテクノロジーにおける水および微小物体の局所的な熱源としても用いることができる。
【００６５】
図３は、レーザービームを、焦点を合わせるリモート位置に導くガイドワイヤを用いる、本発明の他の実施態様による、液体中の気泡の形成、捕獲および操作のための配置を示す。
【００６６】
本発明のいくつかの実施態様による方法は、リモート位置で、液体中の気泡の形成、捕獲および操作において用いることができる。この目的のために、導波路、例えば光ファイバー（３１）を用いて、レーザービームを、指定されたリモートターゲット位置に向ける。焦点調節対物レンズ（例えば、レンズ３２）は、光ファイバーの遠位末端に備え付けられ、リモート位置の液体中の所望の目的とする焦点に新たに生起するレーザービームの焦点調節を促進する。この技術は、身体の内腔または空洞、例えば、血管、膀胱または他の体器官内で気泡を形成、捕獲および操作するために用いることができる。照明導波路（３３）は、照明を焦点域に向かわせるために用いられ、調査は、導波路（３１）に平行に実施する。
【００６７】
実施態様の記載および明細書に示す添付図面は、本発明の範囲を限定することなく、本発明の更なる理解のためにのみ提示されることが明らかであろう。
【００６８】
また、本明細書を読んだ後の当業者は、今もなお本発明によりカバーされる、添付図面および前記実施態様に対する調整および修正をなし得ることが明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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