(57)【要約】【課題】ｓ偏光成分を全く含まない光ビームを用いることにより、大きな力を発生させることができる光ピンセットの方法および装置を提供すること。【解決手段】径偏光レーザービーム発生光共振器６から直接発生させた、ｓ偏光成分を全く含まず、ｐ偏光成分のみからなる径偏光レーザービーム７を光ピンセットの光ビームとして用いる。レーザー光の導光には反射鏡８を用い、集光には液浸レンズ９を用いる。これにより、真空または液体中の、光の波長よりも大きな微粒子５を捕捉することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の力学特性を利用した光ピンセットにおいて、放射状の偏光分布を持つレーザービームを集光して、真空または液体中の、光の波長よりも大きな微粒子を捕捉することを特徴とする光ピンセットの方法。
【請求項２】
前記レーザービームはp偏光成分のみであることを特徴とする請求項１に記載の光ピンセットの方法。
【請求項３】
放射状の偏光分布を持つレーザービームを集光して、真空または液体中の、光の波長よりも大きな微粒子を捕捉することを特徴とする光ピンセットの装置。
【請求項４】
前記レーザービームはp偏光成分のみであることを特徴とする請求項３に記載の光ピンセットの装置。
【請求項５】
捕捉される前記微粒子は無機物あるいは有機物であることを特徴とする請求項３または４に記載の光ピンセットの装置。
【請求項６】
前記微粒子は１個あるいは複数であることを特徴とする請求項３、４または５に記載の光ピンセットの装置。
【請求項７】
前記レーザービームの波長は紫外、可視あるいは赤外域であることを特徴とする請求項３、４、５または６に記載の光ピンセットの装置。
【請求項８】
前記レーザービームの数が１本あるいは複数本であることを特徴とする請求項３、４、５、６または７に記載の光ピンセットの装置。
【請求項９】
先端にレンズを付加あるいは先端をレンズ加工した単一の光ファイバー内に前記レーザービームを伝播させて、前記光ファイバーで前記微粒子を捕捉することを特徴とする請求項１または２に記載の光ピンセットの方法。
【請求項１０】
先端にレンズを付加あるいは先端をレンズ加工した単一の光ファイバー内に前記レーザービームを伝播させて、前記光ファイバーで前記微粒子を捕捉することを特徴とする請求項３、４、５、６、７または８に記載の光ピンセットの装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の力学特性を利用した光ピンセットの方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光が有する偏光状態として従来良く知られているのは、直線偏光、円偏光あるいは無偏光であり、レーザー共振器から発生したレーザー光ビームにおける偏光の空間分布は、ビーム全体に渡り同一である。ところが、レーザー光軸をｚ軸にとる円筒座標系を考えた場合、レーザー光ビームの偏光として、直線偏光がｘ−ｙ平面内で放射状に分布する径偏光、あるいは同心円状に分布する方位偏光が存在することが知られている。これらの円筒対称な偏光分布を有するレーザー光ビームは、より小さなスポットサイズ、光強度が中心で弱く周囲で強い空間の創出といった優れた集光特性を有することが知られており、高分解能光学顕微鏡や原子・微粒子の光トラッピング（光ピンセット）などへの応用が期待されている。
【０００３】
上記光ピンセットへの応用では、特に径偏光レーザーを強く集光した際に光軸上に現れる電場の光軸方向成分が注目されている。すなわち、電場が光軸方向成分を持っている場合は、光エネルギーの流れを示すPoyntingベクトルがゼロとなることから、仮にその場所に物体が存在して光を吸収したとしても、散乱力が働かないことになる。すると、光ピンセットに対しては勾配力のみが働くことになり、より効率的に光ピンセットを実現できるものと期待されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、電場の光軸方向成分が局在するのは焦点の周囲の波長程度の大きさの領域に制限されており、それ以外の場所では光軸に垂直な成分（半径方向成分）が強く現れる。これは強い散乱力を発生させることになり、光ピンセットとしては利用しにくい領域となる。従って、非特許文献１では、光ピンセットの対象として、光の波長よりも小さな微粒子が考えられている。
【０００５】
ところが、光の波長よりも大きな微粒子の場合には、幾何光学を基にした考察をすることができるが、もし光の偏光分布が放射状になっていると、微粒子に対してｐ偏光成分のみの光が照射されることになり、粒子表面でのフレネル反射係数が小さくなるため、粒子を光軸方向に押す散乱力が低減し、効率の高い光ピンセットを実現できる可能性がある（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００６】
特許文献１および特許文献２では、偏光分布が放射状となる光ビームを、従来のレーザービームをアキシコンなどの特殊な偏光素子を用いて変換して発生させている。この方法では、得られる光ビームの偏光分布は完全な径偏光とはならず、従って不要なｓ偏光成分も残留してしまう。
【０００７】
【非特許文献１】Q. Zhan, “ Trapping metallic Rayleigh particles with radial polarization ”, Opt. Express, Vol 12, 2004, pp. 3377-3382.
【特許文献１】特許第２９４７９７１号公報
【特許文献２】特許第３６２４７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、ｓ偏光成分が全く無いためにより大きな光トラッピング力を発生できる光ピンセットの方法および装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
光共振器から直接発生させた径偏光レーザービームは、ｓ偏光成分を全く持っていない。従って、直線偏光などのレーザービームを特殊な偏光素子などで変換することなく、簡便にしかも完全な放射状偏光ビームを発生させることができる。本発明では、光共振器から直接発生させた径偏光レーザービームを光ピンセット用光ビームとして使用する方法および装置を含んでいる。
【００１０】
本発明によれば、光の力学特性を利用した光ピンセットにおいて、放射状の偏光分布を持つレーザービームを集光して、真空または液体中の、光の波長よりも大きな微粒子を捕捉することを特徴とする光ピンセットの方法が得られ、前記レーザービームはp偏光成分のみであることを特徴とする光ピンセットの方法が得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、放射状の偏光分布を持つレーザービームを集光して、真空または液体中の、光の波長よりも大きな微粒子を捕捉することを特徴とする光ピンセットの装置が得られ、前記レーザービームはp偏光成分のみであることを特徴とする光ピンセットの装置が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、捕捉される前記微粒子は無機物あるいは有機物であることを特徴とする光ピンセットの装置が得られ、前記微粒子は１個あるいは複数であることを特徴とする光ピンセットの装置が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記レーザービームの波長は紫外、可視あるいは赤外域であることを特徴とする光ピンセットの装置が得られ、更に、前記レーザービームの数が１本あるいは複数本であることを特徴とする光ピンセットの装置が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、先端にレンズを付加あるいは先端をレンズ加工した単一の光ファイバー内に前記レーザービームを伝播させて、前記光ファイバーで前記微粒子を捕捉することを特徴とする光ピンセットの方法が得られ、更に、先端にレンズを付加あるいは先端をレンズ加工した単一の光ファイバー内に前記レーザービームを伝播させて、前記光ファイバーで前記微粒子を捕捉することを特徴とする光ピンセットの装置が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、他のビームから特殊な偏光素子を用いて発生させた、ｓ偏光成分を低減した光ビームを使用することなく、高い光トラッピング力効率を有する光ピンセットを簡便に実現できる。また、光学系全体が簡素になるため、装置の短期的および長期的安定性が増し、光学系の調整に要する時間が低減する。径偏光レーザービームは、カットオフ波長がやや長い単一モード光ファイバー内を伝播することができるので、光学系がより簡便になる。さらに、先端にレンズを付加あるいは先端をレンズ加工した光ファイバーを用いると、一本の光ファイバーで直接微粒子を捕捉することができる。この光ファイバーを機械的に操作することにより、波長よりも大きな微粒子をごく簡単に捕捉、移動、選別するなどの操作を行うことができる。
【００１６】
現在光ピンセットの装置は、光学顕微鏡を中心に、レーザー光源、その導光系および観察系から成っている。本発明によれば、より高い光トラッピング力の効率や、光ファイバーを使った導光も可能となるため、光学顕微鏡を使用しない、極めてコンパクトな光ピンセットの装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、代表的な径偏光レーザービームの偏光分布を示す。直線偏光が放射状に分布している。放射状の偏光分布を持つレーザービームには、複数のリング構造を持つものや、８の字型の強度分布を持つものもある。
【００１８】
図２は、強度分布が均一であると仮定したときの、径偏光（Ｑａ）、円偏光（Ｑｂ）および方位偏光（Ｑｃ）のレーザービームを強く絞って微粒子に照射した場合の光トラッピング力（Ｑ値：力に比例、横軸）の計算結果を示している。図２の縦軸は、レーザービームの焦点の位置を０としたときの、レーザービームの光軸方向に沿った微粒子の位置を示している。ここで微粒子はポリスチレン(屈折率：１．６)で、水中（屈折率：１．３３）に浮遊していると仮定している。光線と逆方向に引き込む力は、図の左上側で顕著であるが、特に径偏光の場合高い値を示しており、効率よく光トラッピング力が発生することが分かる。このとき、微粒子は無機物でも有機物でもいずれでもよく、また１個あるいは複数であってもよい。
【００１９】
図３は、図１に示したような一重のリング構造を持つ径偏光レーザービームを強く絞って微粒子５に照射する場合の、光線の変化を幾何学的に模式的に表したものである。全ての径偏光レーザー光線は、ｐ偏光であるので、直線偏光などの場合と比較して、フレネル反射率が小さく、散乱力による押す力が小さくなると同時に、フレネル透過率が大きく、光線と逆方向に引き込む力が大きくなり、より大きな光トラッピング力が生じる。使用できるレーザーは、径偏光であればよく、その波長は紫外、可視あるいは赤外域でもよい。また、微粒子５は真空中にあってもよい。
【００２０】
特に、ブリュースター角度（５０．３度）を満たす角度で入射する光線２(図３中の点線)は、反射による散乱力がゼロとなる。
【００２１】
図４は、本発明の径偏光レーザービーム７を用いた光トラッピングの装置を示す。この場合は、レーザー光の導光には反射鏡８を用い、集光には液浸レンズ９を用いている。６の径偏光レーザービーム発生光共振器から直接径偏光レーザービーム７が出力されるので、極めて簡単な構成でｐ偏光成分のみを持つ光ビームを用いる光ピンセット装置を構築できる。また、レーザービームを複数に分割した場合は、同時に複数の微粒子５を捕捉することができる。
【００２２】
本発明では、ｐ偏光成分のみを持つ光ビームを用いるため、従来の光トラッピング方法に比べて、より大きな光トラッピング力を発生させることができる。例えば円偏光の光ビームを開口数が約０．５のレンズで集光する場合、Ｑ値はほぼゼロとなるため、単一の光ビームで微粒子を３次元的に光トラップすることはできない。これに対して、径偏光ビームでは０．０３程度のＱ値が計算によって得られ、単一の光ビームで微粒子５を捕捉することができることを示している。従って、図５に示したように、光ビームの集光に光学顕微鏡用の対物レンズを用いなくても、例えば光ファイバー１２の先端をレンズ加工した場合でも微粒子５を捕捉できる。この場合、光ファイバー１２を動かすことによって捕捉した微粒子５を広い範囲で移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の光ピンセットの方法および装置の、代表的な径偏光レーザー光ビームの偏光分布を示す説明図である。
【図２】図１に示す光ピンセットの方法および装置の、径偏光（Ｑａ）、円偏光（Ｑｂ）および方位偏光（Ｑｃ）のレーザービームを使用したときの光トラッピング力の計算結果を示すグラフである。
【図３】図１に示す光ピンセットの方法および装置の、一重リングの径偏光レーザーの強度分布とブリュースター角度での入射光線との関係を示す側面図である。
【図４】径偏光レーザービームを用いた本発明の実施の形態の光ピンセットの装置を示す側面図である。
【図５】径偏光レーザービームと光ファイバーとを用いた本発明の実施の形態の光ピンセットの装置を示す側面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  一重リングの径偏光レーザービームの強度分布
２  ブリュースター角で入射する光線
３  ビームの外側の光線（入射角度：７０度）
４  レンズ
５  微粒子
６  径偏光レーザービーム発生光共振器
７  径偏光レーザービーム
８  反射鏡
９  液浸レンズ
１０  容器
１１  液体
１２  光ファイバー
【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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