(57)【要約】【課題】  新規な粒子移動手法を提供すること。【解決手段】  本発明は、下層（４）と導波路（２）とこの導波路上に形成された回折格子（６）とを具備してなるデバイスを使用して粒子（１０）を移動させるための方法に関するものであって、−波長（λ）を有した光を、導波路内へと導入し；−導波路を通して伝達された光を、粒子が配置されているとともに屈折率（ｎｓｕｐｅｒ）を有した媒質（１４）に向けて、回折させる。【選択図】  図１
2005161514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下層（４）と導波路（２）とこの導波路上に形成された回折格子（６）とを具備してなるデバイスを使用して粒子（１０）を移動させるための方法であって、
−波長（λ）を有した光を、前記導波路内へと導入し；
−前記導波路を通して伝達された光を、前記粒子が配置されているとともに屈折率（ｎｓｕｐｅｒ）を有した媒質（１４）に向けて、回折させる；
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記回折格子が、前記粒子が配置されている前記媒質に向けて、単一の次数でもって回折させることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
前記下層（４）に向けては、一切の光を回折させないことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
前記導波路（２）の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとし、前記回折格子のピッチを、Λとしたときに、前記下層の屈折率（ｎｓｕｂ）を、ｎｓｕｐｅｒ＞ｎｓｕｂであるようなものとするとともに、比（λ／Λ）を、ｎｅｆｆ−ｎｓｕｐｅｒ〜ｎｅｆｆ−ｎｓｕｂという範囲、または、ｎｅｆｆ＋ｎｓｕｂ〜ｎｅｆｆ＋ｎｓｕｐｅｒという範囲、とすることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
前記媒質（１４）を、液体媒質とし、
前記デバイスを、前記下層（４）と前記導波路（２）との間に位置した少なくとも１つの中間層を具備したものとし、
この中間層の屈折率を、前記媒質（１４）の屈折率よりも小さいものとすることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
前記導波路（２）の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとしたときに、前記回折格子のピッチ（Λ）を、λ／（ｎｅｆｆ／ｎｓｕｐｅｒ ＋ １）ｎｓｕｐｅｒ以上とすることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
前記導波路（２）の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとしたときに、前記回折格子のピッチ（Λ）を、２×λ／（ｎｅｆｆ／ｎｓｕｐｅｒ ＋ １）ｎｓｕｐｅｒ以下とすることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、
前記下層を、この下層に向けて回折されてきた光を反射させるための反射手段を備えたものとすることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、
前記下層を、ブラッグミラー（２０）を備えたものとすることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、
前記回折格子を、第１タイプの格子パターンと、この第１タイプの格子パターンとは異なる少なくとも１つの第２タイプの格子パターンと、を備えたものとすることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、
前記第２タイプの格子パターンを、ピッチという点において、および／または、横方向寸法という点において、および／または、高さという点において、前記第１タイプの格子パターンとは異なるものとすることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法において、
前記導波路の少なくとも一部の横方向拡がり度合いを、前記回折格子の横方向拡がり度合いよりも小さなものとすることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法において、
前記回折格子を、湾曲したものとすることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法において、
前記粒子を、前記下層（４）に対して平行な平面内における湾曲軌跡に対して追従させることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法において、
前記粒子の直径を、５ｎｍ〜１００μｍという範囲のものとすることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法において、
前記粒子を、５００ｎｍ／ｓｅｃよりも速い速度でもって、あるいは、１μｍ／ｓｅｃよりも速い速度でもって、あるいは、５μｍ／ｓｅｃよりも速い速度でもって、移動させることを特徴とする方法。
【請求項１７】
様々な屈折率または様々なサイズを有した複数の粒子を選別するための方法であって、
請求項１〜１６のいずれか１項に記載された移動方法を使用することを特徴とする方法。
【請求項１８】
粒子（１０）を移動させるためのデバイスであって、
下層（４）と；
導波路（２）と；
この導波路上に形成された回折格子（６）と；
を具備してなり、
前記回折格子が、前記導波路を通して伝達された波長（λ）の光を、屈折率がｎｓｕｐｅｒとされた外部媒質（１４）に向けて、および、前記導波路のうちの、前記回折格子の横方向拡がり度合いよりも小さな横方向拡がり度合いを有した少なくとも一部に向けて、回折させることを特徴とするデバイス。
【請求項１９】
請求項１８記載のデバイスにおいて、
前記回折格子が、波長（λ）を有した単一の次数でもって回折させることを特徴とするデバイス。
【請求項２０】
請求項１８または１９記載のデバイスにおいて、
前記下層（４）に向けては、波長（λ）を有した光を、一切回折させないことを特徴とするデバイス。
【請求項２１】
請求項１８〜２０のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記導波路（２）の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとし、前記回折格子のピッチを、Λとしたときに、前記下層の屈折率（ｎｓｕｂ）を、ｎｓｕｐｅｒ＞ｎｓｕｂであるようなものとするとともに、比（λ／Λ）を、ｎｅｆｆ−ｎｓｕｐｅｒ〜ｎｅｆｆ−ｎｓｕｂという範囲、または、ｎｅｆｆ＋ｎｓｕｂ〜ｎｅｆｆ＋ｎｓｕｐｅｒという範囲、とすることを特徴とするデバイス。
【請求項２２】
請求項１８〜２１のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
さらに、前記下層（４）と前記導波路（２）との間に位置した少なくとも１つの中間層を具備し、
この中間層の屈折率を、液体の屈折率よりも小さいものとすることを特徴とするデバイス。
【請求項２３】
請求項２２記載のデバイスにおいて、
前記中間層を、シリカ層とすることを特徴とするデバイス。
【請求項２４】
請求項１８〜２３のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記導波路（２）の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとしたときに、前記回折格子のピッチ（Λ）を、λ／（ｎｅｆｆ／ｎｓｕｐｅｒ ＋ １）ｎｓｕｐｅｒ以上とすることを特徴とするデバイス。
【請求項２５】
請求項１８〜２４のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記導波路（２）の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとしたときに、前記回折格子のピッチ（Λ）を、２×λ／（ｎｅｆｆ／ｎｓｕｐｅｒ ＋ １）ｎｓｕｐｅｒ以下とすることを特徴とするデバイス。
【請求項２６】
請求項１８〜２５のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記下層を、この下層に向けて回折されてきた光を反射させるための反射手段を備えたものとすることを特徴とするデバイス。
【請求項２７】
請求項２６記載のデバイスにおいて、
前記下層を、ブラッグミラー（２０）を備えたものとすることを特徴とするデバイス。
【請求項２８】
請求項２６または２７記載のデバイスにおいて、
さらに、前記導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有した層を具備し、
この層が、前記導波路と前記反射手段との間に配置されていることを特徴とするデバイス。
【請求項２９】
請求項１８〜２８のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記回折格子を、第１タイプの格子パターンと、この第１タイプの格子パターンとは異なる少なくとも１つの第２タイプの格子パターンと、を備えたものとすることを特徴とするデバイス。
【請求項３０】
請求項２９記載のデバイスにおいて、
前記第２タイプの格子パターンを、ピッチという点において、および／または、横方向寸法という点において、および／または、高さという点において、前記第１タイプの格子パターンとは異なるものとすることを特徴とするデバイス。
【請求項３１】
請求項１８〜３０のいずれか１項に記載のデバイスにおいて、
前記回折格子が、前記下層（４）に対して平行な平面内において湾曲軌跡を形成していることを特徴とするデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的な力による粒子移動および操作技術の分野に関するものである。
【０００２】
想定される応用には、長距離（数ｃｍ）にわたってのかつ所定軌跡に沿ってのかつ非接触での粒子（様々な材料から形成されたボール、ナノ対象物、細胞、あるいは、他の生物学的対象物）の移動がある。また、想定されるのは、光に対しての、粒子の性質に依存した様々な相互作用を原理とした粒子選別応用がある。
【背景技術】
【０００３】
A. Ashkin 氏他による“Observation of a single-beam gradient force optical trap
for dielectric particle”と題する Optics Letters, Vol. 11, No. 5, P. 288-290,
1986という文献には、焦点合わせされたレーザービームによって生成された放射圧力を使用することによって、マイクロメートルサイズの粒子を拘束し得ることが示されている。この拘束は、実際に、２つの対向力を重ね合わせることによって、形成される。拡散力と称される第１の力は、レーザービームの強度に比例するものであって、レーザービームと同一直線的である。勾配力と称される第２の力は、ビームの強度勾配に沿った向きとされている。よって、レーザーが十分に焦点合わせされている場合には、強度勾配は、拡散力に対抗し得るに十分である。軸方向においては、ガウシアンプロファイルが、互いに逆向きの２つの勾配力を生成し、これら勾配力は、粒子をビームに対して中心に集中させる。その結果、３次元内において安定な拘束が得られる。
【０００４】
この方法では、拘束に困難さが存在する。特に、ナノメートル的粒子の場合には、拘束に困難さが存在する。例えば、３６ｎｍ直径の金粒子を拘束するには、少なくとも数秒間を必要とする。
【０００５】
さらに、この方法を実現するために使用されるデバイスは、かなり複雑なものである。
【０００６】
他の粒子移動デバイスが、知られている。特に、単一モードの導波路の表面に形成された瞬時波を使用することによって、導波路上の粒子を操作するという手法が、公知である。この技術は、S. Kawata 氏他による“Optically driven Mie particles in an
evanescent field along a channelled wave guide”と題する Optics Letters, Vol. 21, No. 21, P. 1768-1770, 1996 という文献に記載されている。
【０００７】
この技術を使用することにより、（勾配力を原理として）ランダムに分散した粒子を導波路上に収集することができ、その後、収集した粒子を、（拡散力を使用して）導波路に沿って移動させることができる。この方法は、金属粒子に対して応用可能であるものの、導波路の表面状態に対する依存性が大きいという欠点を有している。すなわち、表面粗さが大きいと、粒子がぴたっと止まってしまう。
【０００８】
したがって、新たな粒子移動手法が要望されていた。
【非特許文献１】A. Ashkin 氏他による“Observation of a single-beam gradientforce optical trap for dielectric particle”と題する Optics Letters, Vol. 11,No. 5, P. 288-290, 1986
【非特許文献２】S. Kawata 氏他による“Optically driven Mie particles in anevanescent field along a channelled wave guide”と題する Optics Letters, Vol. 21, No. 21, P. 1768-1770, 1996
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、回折格子によって生成された光学的力を使用する。
【００１０】
本発明の目的は、下層と導波路とこの導波路上に形成された回折格子とを具備してなるデバイスを使用して粒子を移動させるための方法であって、
−波長（λ）を有した光を、導波路内へと導入し；
−導波路を通して伝達された光を、粒子が配置されているとともに屈折率（ｎｓｕｐｅｒ）を有した媒質に向けて、回折させる。
【００１１】
粒子移動力は、回折格子の特性に応じて向きに向けて回折格子によって拡散された光によって、生成される。
【００１２】
回折格子は、導波路内に伝達された光を分離するための部材として、使用される。光は、プリズムや他の格子を使用することによって、エッジを介した結合により、導波路内へと導入される。
【００１３】
回折格子から出力された光は、粒子を移動させ得るだけでなく、粒子の軌跡および粒子の速度までをも制御し得るような、本質的な駆動力として使用される。
【００１４】
本発明は、また、デバイスに関するものであって、このデバイスは、下層と；導波路と；この導波路上に形成された回折格子と；を具備してなり、回折格子が、ｎｓｕｐｅｒという屈折率を有した媒質内において粒子を移動させる。
【００１５】
回折格子は、導波路を通して伝達された波長（λ）の光を、屈折率がｎｓｕｐｅｒとされた外部媒質に向けて、回折させる。
【００１６】
好ましくは、回折格子は、粒子が配置された媒質に向けて、単一の次数でもって回折させる。
【００１７】
さらに他の実施形態においては、下層に向けては、光は、一切回折されない。
【００１８】
例えば、導波路の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとし、回折格子のピッチを、Λとしたときに、下層の屈折率（ｎｓｕｂ）を、ｎｓｕｐｅｒ＞ｎｓｕｂであるようなものとするとともに、比（λ／Λ）を、ｎｅｆｆ−ｎｓｕｐｅｒ〜ｎｅｆｆ−ｎｓｕｂという範囲、または、ｎｅｆｆ＋ｎｓｕｂ〜ｎｅｆｆ＋ｎｓｕｐｅｒという範囲、とする。
【００１９】
外部媒質が液体媒質である場合には、デバイスは、さらに、下層と導波路との間に位置した少なくとも１つの中間層を具備することができ、この中間層の屈折率は、液体の屈折率よりも小さいものとされる。
【００２０】
好ましくは、導波路の実効的屈折率を、ｎｅｆｆとしたときに、回折格子のピッチ（Λ）を、λ／（ｎｅｆｆ／ｎｓｕｐｅｒ ＋ １）ｎｓｕｐｅｒ以上とする、および／または、２×λ／（ｎｅｆｆ／ｎｓｕｐｅｒ ＋ １）ｎｓｕｐｅｒ以下とする。
【００２１】
下層は、例えばブラッグミラーといったような、この下層に向けて回折されてきた光を反射させるための反射手段を備えることができる。
【００２２】
一変形例においては、回折格子は、複数のタイプの格子パターンを備えている。すなわち、第１タイプの格子パターンと、この第１タイプの格子パターンとは異なる少なくとも１つの第２タイプの格子パターンと、を備えている。第２タイプの格子パターンは、例えば、ピッチという点において、および／または、横方向寸法という点において、および／または、高さという点において、第１タイプの格子パターンとは異なるものとされる。
【００２３】
好ましくは、導波路の少なくとも一部の横方向拡がり度合いは、回折格子の横方向拡がり度合いよりも小さなものとされる。
【００２４】
回折格子は、また、湾曲したものとすることができる。
【００２５】
本発明を使用することにより、例えば５ｎｍ〜１００μｍという範囲の直径を有した粒子を移動させることができる。
【００２６】
さらに、本発明によれば、粒子を、例えば、５００ｎｍ／ｓｅｃよりも速い速度でもって、あるいは、１μｍ／ｓｅｃよりも速い速度でもって、あるいは、５μｍ／ｓｅｃよりも速い速度でもって、移動させることができる。
【００２７】
本発明は、また、様々な屈折率または様々なサイズを有した複数の粒子を選別するための方法に関するものであって、上述した移動方法を使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
第１実施形態について、図１を参照して説明する。
【００２９】
導波路（２）は、下層（あるいは、基板）（４）上に形成されている。回折格子（６）は、導波路（２）上に配置されている、あるいは、導波路（２）上に成膜されている、あるいは、導波路（２）上に形成されている。放射（７）（この放射の１つのモードが、符号（８）によって示されている）が、例えばエッジを介した結合を使用することによって、導波路内へと所望の波長でもって放射を導入し得る導入手段を使用して、導波路（２）内へと導入される。例えば、そのような導入手段には、プリズムや他の格子がある。
【００３０】
回折格子（６）は、案内されたモードから光を分離して、外部へと導く。
【００３１】
したがって、格子パターンが、導入された光を分離させ、回折格子（６）の上方においては、媒質（１４）内での回折現象を引き起こし、回折格子（６）の下方においては、下層（４）内での回折現象を引き起こす。
【００３２】
媒質（１４）内においては、回折光は、『光学的力』を生成する。この光学的力は、例えば、回折格子の近傍の粒子（１０）に対して作用する。
【００３３】
角度（θｍ ）によって示されているような、回折波の方向は、次式によって与えられる。
【００３４】
【数１】
2005161514.tif 000003
【００３５】
ここで、
−ｎｅｆｆは、導波路（２）の実効的屈折率であって、導波路（２）の屈折率と下層（４）の屈折率とに依存するものであり、
−ｎｄは、波が回折されていく方向（下層（４）または上層（１４））における媒質の屈折率であり、
−ｍは、考慮している回折次数であり、
−λは、導入された放射（７）の波長であり、
−Λは、回折格子（６）の空間的ピッチである。
【００３６】
簡単化のために、上記式（１）は、以下の他のすべての式と同様に、近似的なものである。
【００３７】
動作波長（λ）に対して、回折格子のピッチ（Λ）は、角度（θｍ ）を選択し得るように、すなわち、回折波の向きを選択し得るように、選択することができる。これにより、粒子（１０）を移動させる向きを選択することができる。
【００３８】
放射次数（ｍ）としてｍ＝−１の場合について考えると、この次数であると、以下の条件下で回折が開始されることがわかる。
【００３９】
【数２】
2005161514.tif 000004
【００４０】
したがって、この次数における分離は、以下の最小ピッチから開始される。
【００４１】
【数３】
2005161514.tif 000005
【００４２】
この最小ピッチに関連して、−９０°に等しい負の回折角度が存在する。これにより、粒子は、準水平的に推進される。
【００４３】
ピッチを増大させると、回折角度が増大し、正の値となる。したがって、推進の向きを、反転させることができる。しかしながら、回折格子のピッチがさらに増大すると、−２という回折次数における分離が起こる。この場合、２つの回折方向が、重ね合わされる。したがって、回折格子ピッチの上限は、粒子の最適の案内をもたらし得るように、留意しなければならない。上限は、次式によって与えられる。
【００４４】
【数４】
2005161514.tif 000006
【００４５】
よって、回折格子は、好ましくは、式（３）と式（４）とによって与えられる２つの限界値の間のピッチを有するものとして使用される。これにより、回折が、単一の次数においてのみ起こり、このため、粒子は、一方向にのみ推進される。
【００４６】
この現象は、図２に示されている。図２は、回折格子のピッチの関数として、回折格子の様々な次数（曲線Iは、次数−１；曲線IIは、次数−２；曲線IIIは、次数−３；）における回折角度を示している。考慮している下層（１４）は、１．３３に等しい屈折率（水の屈折率と同一）を有しており、回折格子の下方の導波路（２）は、１．６に等しい実効屈折率を有している。動作波長は、１０６４ｎｍである。
【００４７】
非常に小さな回折格子ピッチでは、分離現象が起こらない。そのため、回折次数が存在しない。
【００４８】
回折格子の回折限界ピッチの式（３）は、上記条件下では、Λ＝３６３ｎｍのときに到達する。その場合、回折波の向きは、−９０°であり、このことは、粒子が、導波路内において、光と逆向きに移動することを意味する。
【００４９】
このピッチがさらに増大すると、回折角度も、また、増大する。３６３ｎｍ〜７２６ｎｍという回折格子ピッチに関しては、−１という次数だけが、回折格子によって回折され、回折波の向きは、−９０°〜＋５．８°にわたって変化する。
【００５０】
Λ＝６６５ｎｍの場合に、回折角度は、ゼロとなる。この場合には、粒子は、回折格子上へと単に浮遊するのみである。
【００５１】
ピッチをさらに増大させると、回折方向が反転し（正の角度）、粒子の向きも反転する。−２という次数の回折限界は、Λ＝７２６ｎｍの場合に到達する。
【００５２】
よって、３６３ｎｍ〜７２６ｎｍという範囲の回折格子ピッチで動作する場合には、回折方向は、−９０°〜＋５．８°にわたって変化する。この構成においては、−１という次数だけが、回折格子によって回折され、放射の全体が、同一方向を向く。
【００５３】
また、上述した限界ピッチの式（４）よりも大きなピッチで、動作することもできる。すなわち、上述の例では、７２６ｎｍを超えた値で、動作することができる。しかしながら、この場合には、粒子の移動は、より複雑なものとなる。
【００５４】
回折格子（６）上に位置した粒子（１０）は、回折波によって衝撃され、選択された方向へと押し出される。
【００５５】
粒子に印加される力は、以下のように表現される。
【００５６】
【数５】
2005161514.tif 000007
【００５７】
ここで、Ｃｓｃａｔは、粒子の実効的拡散断面積であり、Ｃａｂｓ は、粒子の実効的吸収断面積であり、Ｉは、回折格子（６）によって回折される強度であり、ｎｄは、上層（１４）の屈折率である。
【００５８】
双方の実効的断面積は、粒子の屈折率に直接的に依存するとともに、粒子の体積にも依存する。よって、互いに異なる材質から形成された２つの粒子は、あるいは、互いに異なるサイズで形成された２つの粒子は、互いに異なる移動速度を有することとなる。このことは、例えば、粒子を選別（あるいは、分別、分級、種類分け）し得ることを意味する。例えば、１μｍ直径の金製ボールは、同じサイズのラテックス製ボールよりも、高速で移動することとなる。
【００５９】
上述したデバイスは、非接触でもってかつ高速（数μｍ／ｓｅｃあるいはそれ以上）で、１０μｍ〜５０ｎｍといったようなマイクロメートルあるいはナノメートルというサイズの粒子（あるいは、生物学的対象物）を、移動させることができる。さらに、上記デバイスを使用することにより、粒子を、性質に応じてあるいはサイズに応じて、選別することができる。
【００６０】
上記式（１）は、回折格子内における光の分離が、外部媒質（１４）のすべての屈折率に対しては起こらないことを示している。−１という次数が常に考慮される場合には、対象となる媒質の屈折率が小さ過ぎれば、回折が起こらないことがわかる。−１という次数に関しては、回折条件は、以下のように表現することができる。
【００６１】
【数６】
2005161514.tif 000008
【００６２】
よって、上記のデバイス構成においては、ｎｓｕｐｅｒ を媒質（１４）の屈折率としたとき、次の条件下であれば、媒質（１４）内に回折強度が発生することとなる。
【００６３】
【数７】
2005161514.tif 000009
【００６４】
同様に、ｎｓｕｂ を下層（４）の屈折率としたとき、次の条件下であれば、光強度が、この下層（４）内へと効果的に回折されることとなる。
【００６５】
【数８】
2005161514.tif 000010
【００６６】
上層（１４）内へと回折させかつ下層（４）内へは回折させないような屈折率条件（上層（１４）と下層（４）とに関する屈折率条件）において動作させることにより、デバイスの効率を向上させ得るとともに、下層（４）内における光損失を低減させることができる。
【００６７】
図３Ａおよび図３Ｂは、下層（４）の屈折率と上層（１４）の屈折率との相対関係に基づいて発生し得る可能な様々な場合を示している。図３Ａは、ｎsuper ＜ｎsub という場合を示しており、図３Ｂは、ｎsuper ＞ｎsub という場合を示している。
【００６８】
これら２つの図は、λ／Λの値の関数として、下層内において回折が起こったり起こらなかったりする場合（直線Ｄ３，Ｄ４）と、上層内において回折が起こったり起こらなかったりする場合（直線Ｄ１，Ｄ２）と、を示している。
【００６９】
直線（Ｄ２，Ｄ４）は、ｎsuper ＞ｎsub という場合に対応しており、直線（Ｄ１，Ｄ３）は、ｎsuper ＜ｎsub という場合に対応している。
【００７０】
すなわち、図３Ｂにおける領域（Ａ１ およびＡ'１）（ｎsuper ＞ｎsub であり、なおかつ、Ａ１ に関しては ｎeff−ｎsuper＜λ／Λ＜ｎeff−ｎsub、Ａ'１ に関しては ｎeff＋ｎsub＜λ／Λ＜ｎeff＋ｎsuper ）においては、回折は、上層のみにおいて起こり、下層内における損失が存在しない。領域（Ａ２ ）においては、下層内において損失が発生する。この領域（Ａ２ ）においては、回折が、下層内において常に起こる。言い換えれば、ｎeff−ｎsub＜λ／Λ＜ｎeff＋ｎsub）という領域においては、回折が、下層内において常に起こる。
【００７１】
図３Ａにおける領域（Ａ３ およびＡ'３）（ｎsuper ＜ｎsub であり、なおかつ、Ａ３ に関しては ｎeff−ｎsub＜λ／Λ＜ｎeff−ｎsuper、Ａ'３ に関しては ｎeff＋ｎsub ＜λ／Λ＜ｎeff＋ｎsuper）においては、回折は、下層において起こり、上層においては起こらない（したがって、損失のみであり、回折は起こらない）。領域（Ａ４ ）においては、言い換えれば、ｎeff−ｎsuper＜λ／Λ＜ｎeff＋ｎsuper）という領域においては、回折が、上層内において起こる。
【００７２】
下層内における損失は、領域（Ａ１ およびＡ'１）という条件下で動作することによって、制限される。すなわち、以下の条件式（８）という条件下で動作することによって、制限される。
【００７３】
【数９】
2005161514.tif 000011
【００７４】
しかしながら、領域（Ａ２およびＡ４）において動作することもできる。
【００７５】
図４は、モードｎ＝−１の場合の例を示している。縦軸は、Λ＝３７０ｎｍという回折格子ピッチ、ｎｅｆｆ＝１．６という導波路の実効的屈折率、および、波長λ＝１０６４ｎｍという条件下において、（横軸に沿って）様々な屈折率を有した下層に関し、下層内における回折角度を示している。
【００７６】
外部媒質が、例えば水といったようにｎsuper ＝１．３３という屈折率を有したものであり、かつ、下層が１．２７よりも小さな屈折率ｎsub を有したものである場合には、下層内における損失現象を、完全に回避することができ、分離されたすべての光を使用することによって、粒子を移動させることができる（λ／Λ＝２．８７５６、かつ、ｎeff＋ ｎsub ＜２．８７、および、ｎeff＋ｎsuper＝２．９７）。
【００７７】
ここで、液体媒質中における粒子移動に関しては、下層（４）と導波路（２）との間に位置した中間層を使用することを、想定することができる。この場合、中間層の屈折率は、水の屈折率よりも小さいものとされる。その結果、回折現象は、水中においてのみ起こり、下層内におけるエネルギー損失が発生しない。例えば、この中間層は、ゾルゲル技術を使用して成膜されたシリカ層とすることができる。シリカ層の屈折率は、約１．２２である。
【００７８】
他の実施形態が、図５に示されている。この実施形態においては、下層（４）内に、ブラッグミラー（２０）を設置している。
【００７９】
このミラーは、下層（４）内へと回折した光を、外部媒質（１４）に向けて、送出する。
【００８０】
よって、外部媒質（１４）に対してのエネルギー伝達が、最適化される。
【００８１】
積層体（２０）は、ビーム（７）の波長の光を吸収しないような誘電性薄膜の交互積層によって構成されている。積層体は、ｎｈとして表記される大きな屈折率を有した層（可能な材料としては、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、がある）と、ｎｂと表記される小さな屈折率を有した層（可能な材料としては、ＳｉＯ２、 ＭｇＦ２、 ＬｉＦ、がある）と、を交互的に備えて構成されている。
【００８２】
例えば、積層体の形成は、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）や、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）や、ゾルゲル法、によって行うことができる。
【００８３】
下層（４）内における回折角度を、θと表記した場合、特に、高屈折率層に関する回折角度をθｈと表記しかつ低屈折率層に関する回折角度をθｂと表記した場合、下層の屈折率をｎｓとしたときには、以下の式を得る。
【００８４】
【数１０】
2005161514.tif 000012
【００８５】
低屈折率層の厚さ（ｅｂ）および高屈折率層の厚さ（ｅｈ）は、以下の関係式によって、ｎｂ、θｂ、ｎｈ、θｈ、に対して関連する。
【００８６】
【数１１】
2005161514.tif 000013
【００８７】
ここで、λは、入射波長である。
【００８８】
このミラーによって反射された後に、反射波は、回折格子を通過する。ミラーによる反射波の向きは、回折格子（６）から上層に向けて出力された光の向きと同じである。
【００８９】
また、ミラーと導波路との間に、バッファ層を追加することができる。このバッファ層の屈折率は、導波路の屈折率よりも小さいものとされる。これにより、ミラー内における光の分離を防止することができる。
【００９０】
想定される実施態様に無関係に、粒子（１０）の向きは、回折格子のピッチに関連する。したがって、デバイスは、回折格子のピッチを制御することによって粒子の軌跡を本質的に制御し得るものとして、形成することができる。上述したように、回折角度は、回折格子のピッチを制御することによって、−９０°〜＋５°という範囲にわたって変化させることができる。例えば、図６においては、直角に入射された粒子（１０）は、支配的な成分として鉛直方向成分を有している拡散波（２２）の作用によって、浮遊状態とされ、次に、図面上において左側へと移動し、波（２３）を通過しさらには波（２４）を通過することによって、次第に、鉛直方向から傾斜するようになる。
【００９１】
さらに他の実施形態においては、拡散される強度を制御することによって、粒子速度を変更して制御することができる。すなわち、格子パターンの横方向寸法（図６に示すような幅（ｗ１ ）、および／または、図７Ａに示すような、図６がなす平面に対して直交する向きに沿っての幅（ｗ２ ）、および／または、高さ（ｈ））によって、拡散エネルギーを制御することができる。
【００９２】
例えば、回折格子のピッチおよびその横方向寸法の多様さは、適切なマスクを使用することによって、得られる。パターンの高さの多様さは、複数のマスク高さレベルを使用することによって、あるいは、選択的エッチングにより形成された厚さ勾配を有した複数の層を使用することによって、得られる。
【００９３】
使用される回折格子は、互いに異なる複数のパターンを有することができる。例えば、各パターンは、ピッチに関して、および／または、幅（ｗ１またはｗ２）に関して、および／または、高さ（ｈ）に関して、相違したものとされる。
【００９４】
上記の任意の実施形態と組合せ可能であるようなさらに他の実施形態においては、回折格子（６）の下方に位置しかつ限定的な幅を有した導波路（２２）を使用することによって（図７Ａは、このデバイスの平面図を示している）、粒子は、トラック上に閉じ込められる。このようにして、横方向の拡がり度合いが、制限される。これにより、横方向勾配力（Ｆｇｒａｄ）が形成され、これにより、粒子は、導波路（２２）の上方のトラック上において中心上に集中する（図７Ｂ）。
【００９５】
上記の任意の実施形態と組合せ可能であるような他の実施形態においては、回折格子の横方向幅が制限され、両端部間にわたって、湾曲したものとされる。
【００９６】
この実施形態は、図８Ａ（概略的な平面図）および図８Ｂに示されている。このデバイスを使用することにより、放射の『横方向』回折を生成することができる。この場合、粒子は、『焦点ライン』に沿って案内される。これにより、３次元空間内における流体の位置が、制御される。これにより、より複雑な軌跡を想定することができる（例えば、非直線状の軌跡、あるいは、曲がりくねった軌跡、あるいは、下層に対して平行な平面内において湾曲した軌跡）。このタイプのデバイスの作製は、基本的なデバイスの作製と同様であるものの、従来的な格子ラインに代えて湾曲ラインがマスク上にプリントされているという点において、使用されるマスクが相違している。
【００９７】
一例としての実施形態においては、導波路は、ＢＫ７下層上において銀イオンを使用した従来的イオン交換プロセスによって形成することができる。導波路の厚さは、所望の波長に関して単一モードでの案内を行い得るように、選択される。また、任意の誘電体材料を使用することによって、光を十分に案内することができる。あるいは、導波路を、シリコン下層上において動作させることができる。
【００９８】
また、回折格子は、樹脂や、酸化チタン（ＴｉＯ２ ）や、窒化物、から形成することができる。電子ビームリソグラフィー技術によって、あるいは、高精度リソグラフィー技術によって、エッチングを行うことができる。
【００９９】
他の例をなす実施形態は、図５に示すように、ブラッグミラーを備えた構造に関するものである。
【０１００】
例えば、下層（４）は、シリコンから形成することができる。
【０１０１】
この下層は、ブラッグミラー（２０）によって被覆される。これにより、下層内への光の漏洩が防止される。例えば、１０６４ｎｍという動作波長においては、下層は、積層体（２０）によって被覆することができ、この場合、積層体（２０）は、各々が２６４ｎｍ厚さとされた薄いシリカ層と、各々が１２３ｎｍ厚さとされてＩＢＳ内に（あるいは、積層体内に）介装された薄い二酸化チタン層と、からなる交互積層から形成される。積層体は、２０個の薄い層から形成され、その後、２μｍ厚さのシリカ製絶縁層によって被覆される。このようにして形成されたミラーは、３５°〜７０°という角度範囲で入射したすべてのビームを反射することができる。
【０１０２】
例えば、導波路（２）は、従来的成膜技術（例えば、ＬＰＣＶＤ）を使用することによって、窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）から形成することができる。窒化物製の導波路は、厚さが２２３ｎｍでありかつ幅が１μｍであるように、選択することができる。
【０１０３】
回折格子（６）は、樹脂や、酸化チタン（ＴｉＯ２ ）や、窒化物、から形成することができる。形成に際しては、複数の重ね合わされたマスクを使用することができ、これにより、回折格子の厚さに空間的多様さをもたらすことができる。
【０１０４】
回折格子は、電子ビームリソグラフィー技術によって、あるいは、高精度リソグラフィー技術によって、エッチングすることができる。３５３ｎｍ〜７０６ｎｍという範囲のピッチを選択することができ、これにより、回折角度を、−９０°〜７．８°の範囲にわたって変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明によるデバイスに関し、格子ピッチの関数として、様々な次数の回折角度を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明によるデバイスにおいて、下層と上層とに関する屈折率がある相対関係である場合の状況を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明によるデバイスにおいて、下層と上層とに関する屈折率が他の相対関係である場合の状況を示すグラフである。
【図４】様々な屈折率を有した下層に関し、下層内の回折角度の変化の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図７Ａ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図８Ａ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【０１０６】
２  導波路
４  下層
６  回折格子
１０  粒子
１４  媒質
２０  ブラッグミラー
【図１】
2005161514.tif 000014
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【外国語明細書】
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