(57)【要約】【課題】粒子を、光でトラップしたまま、回転させる。【解決手段】レーザ光源１から入射されるレーザ光の偏光面を偏光子２で変換する。入射される直線偏光のレーザ光を、１／４波長板３で円偏光に変換する。この変換後の円偏光を、ミラー４で反射させ、対物レンズ５によって試料６の表面に集光させる。これにより、試料６の表面に存在する不透明粒子の近傍に、円偏光を照射することができる。【効果】不透明粒子をトラップした状態で、光のスピン角運動量をその粒子に与え、光放射圧による回転力を発生させ、その回転トルクを不透明粒子に与えることができる。よって、不透明粒子を、安定にトラップした状態で、光照射位置を中心に回転させることができる。【選択図】図１
2005260170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円偏光を生成する円偏光生成手段と、前記円偏光生成手段により生成された円偏光を不透明粒子の近傍に照射するための光学手段とを含むことを特徴とする粒子回転システム。
【請求項２】
前記円偏光生成手段は、直線偏光を射出する光源と、前記光源から射出される直線偏光を円偏光に変換する位相フィルタとを含むことを特徴とする請求項１記載の粒子回転システム。
【請求項３】
前記光源から射出される直線偏光の偏光方向を変換する偏光子を更に含み、前記偏光子によって偏光方向が変換された直線偏光を、前記位相フィルタによって円偏光に変換するようにしたことを特徴とする請求項２記載の粒子回転システム。
【請求項４】
前記偏光子を回転させる回転制御手段を更に含み、該偏光子によって変換される偏光方向を切替えるようにしたことを特徴とする請求項３記載の粒子回転システム。
【請求項５】
円偏光を生成する円偏光生成ステップと、前記円偏光生成ステップにおいて生成された円偏光を不透明粒子の近傍に照射するステップとを含むことを特徴とする粒子回転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子回転システム、粒子回転方法に関し、特に不透明な粒子を回転させるための粒子回転システム、粒子回転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、透明な粒子に対しては、光を直接照射すると、屈折の法則により、その粒子をトラップ（捕捉）できることが知られている（例えば、非特許文献１）。これに対し、光に対して不透明な粒子は、光を直接照射すると、斥力が与えられてはじき飛ばされるので、トラップすることができない。
斥力を利用して粒子をトラップするには、光ビームを高速で回転走査させるか、円環状の光ビームを作成して、これらを粒子に照射すれば良い。しかしながら、そのような場合、複雑な装置が必要になるというデメリットがある。そこで、より単純な手法で不透明粒子をトラップするには、非特許文献１に記載されているように、その粒子の近傍に光を照射し、光の回折及び散乱作用を利用すれば良い。
【０００３】
光散乱によるトラップ力を求めるためには、光散乱で生じる微粒子表面近傍の電磁場分布に、マクスウェル応力を考慮する。マクスウェル応力の計算により求めたトラップ力の分布を積分し、ポテンシャルとして表示した結果が、図２に示されている。同図においては、金粒子をトラップの対象とし、光軸の中心を横軸の原点として、光軸に対する金粒子の位置ｄを横軸にとっている。そして、その位置での金粒子のポテンシャルの任意単位で縦軸にとっている。なお、光の波長をλとする。
同図を参照すると、金粒子が光軸の近傍（０＜ｄ＜１．５λ）に位置している状態では、金粒子は光軸から離される方向へ力を受ける。この状態では、金属表面での反射光が支配的であり、金粒子に斥力が与えられていると考えられる。
【０００４】
一方、それより外側の位置（１．５λ＜ｄ＜３λ）付近では、金粒子は光軸に向かう方向に引力を受ける。この状態では、境界回折波が増加し、それによる光軸方向への引力が、反射光による斥力を上回っていると考えられる。このため、金粒子は位置ｄ＝１．５λ付近で定常点となり、この位置では反射光による斥力と境界回折波による引力とが釣り合った状態になっている。なお、同図に示されているように、より離れた位置（３λ＜ｄ）では、金粒子を引きつける力は弱くなる。
【非特許文献１】古川祐光著  「金属粒子の光マニピュレーション」日本光学会  光学  ３０巻７号  ２００１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、光を照射してトラップできる粒子には、生物細胞やマイクロマシンを構成する部品なども含まれる。これらをトラップした場合、そのトラップした状態で回転させることができれば便利である。例えば、マイクロマシンを組み立てる場合に、トラップした部品を回転させることができれば、組立作業効率の向上が期待できる。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的はトラップした粒子を回転させることのできる粒子回転システム、粒子回転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１による粒子回転システムは、円偏光を生成する円偏光生成手段と、前記円偏光生成手段により生成された円偏光を不透明粒子の近傍に照射するための光学手段とを含むことを特徴とする。このようにすれば、トラップした不透明粒子を、光のスピン
角運動量によって回転させることができる。
本発明の請求項２による粒子回転システムは、請求項１において、前記円偏光生成手段は、直線偏光を射出する光源と、前記光源から射出される直線偏光を円偏光に変換する位相フィルタとを含むことを特徴とする。このようにすれば、トラップした不透明粒子を回転させるための円偏光を得ることができる。
【０００７】
本発明の請求項３による粒子回転システムは、請求項２において、前記光源から射出される直線偏光の偏光方向を変換する偏光子を更に含み、前記偏光子によって偏光方向が変換された直線偏光を、前記位相フィルタによって円偏光に変換するようにしたことを特徴とする。このようにすれば、偏光子によって直線偏光の偏光方向を変換し、右回り偏光又は左回り偏光を作成できるので、トラップした不透明粒子を右回転又は左回転させることができる。
【０００８】
本発明の請求項４による粒子回転システムは、請求項３において、前記偏光子を回転させる回転制御手段を更に含み、該偏光子によって変換される偏光方向を切替えるようにしたことを特徴とする。このようにすれば、トラップした不透明粒子の回転方向を、右又は左に切替制御することができる。
本発明の請求項５による粒子回転方法は、円偏光を生成する円偏光生成ステップと、前記円偏光生成ステップにおいて生成された円偏光を不透明粒子の近傍に照射するステップとを含むことを特徴とする。このようにすれば、トラップした不透明粒子を、光のスピン角運動量によって回転させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、円偏光を不透明粒子の近傍に照射することにより、トラップした不透明粒子を回転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（システムの構成）
同図に示されているように、本実施形態による粒子回転システムは、レーザ光源１と、偏光子２と、１／４波長板３と、ミラー４と、対物レンズ５とを含んで構成されており、試料６の表面に存在する粒子をトラップした状態で回転させる機能を有している。
【００１１】
レーザ光源１は、粒子を回転させるために照射するレーザ光を射出する光源である。本例ではアルゴンレーザを用いるが、これに限定されるわけではなく、フォトンを放射して放射圧を発生させる光を用いれば良い。
偏光子２は、入射されるレーザ光の偏光面を変換する機能を有する。例えば図１中の矢印Ｙ１方向の偏光面を有している直線偏光のレーザ光を、この偏光子２により、同図中の矢印Ｙ２方向に変換することができる。
【００１２】
１／４波長板３は、入射される直線偏光のレーザ光を円偏光に変換する位相フィルタとして機能する。この１／４波長板３は、入射する円偏光について、互いに直交する偏光面で屈折率が異なるようになっている。このため、直線偏光を１／４波長板３に入射すると、その偏光面に応じて、右回り円偏光と左回り円偏光とのいずれか一方が得られる。
ミラー４は、１／４波長板３によって変換後の円偏光を、試料６の方向に反射する機能を有している。対物レンズ５は、ミラー４によって反射された円偏光を、試料６の表面に集光させる機能を有している。試料６は、図示せぬステージの上に搭載されており、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に移動できるようになっている。
【００１３】
（動作）
上記の構成により、試料６の表面に存在する不透明粒子の近傍に、円偏光を照射することができる。これにより、不透明粒子をトラップした状態で、光のスピン角運動量をその粒子に与えることができる。すなわち、光のスピン角運動によって、光放射圧による回転力を発生させ、その回転トルクを不透明粒子に与えることができる。よって、本システムによれば、不透明粒子を安定にトラップした状態で、光照射位置を中心に回転させることができる。
【００１４】
粒子の回転方向は、右回り円偏光を照射すれば右回り、左回り円偏光を照射すれば左回り、になる。この回転方向の制御については、次のようになる。すなわち、図１に示されているように、レーザ光源１と１／４波長板３との間に、偏光子２を９０度回転させるか否かによって、右回り円偏光及び左回り円偏光のいずれか一方を生成でき、これを回転対象である粒子の近傍に照射すれば良い。
【００１５】
例えば、レーザ光源１と１／４波長板３との間に偏光子２を挿入している状態（以下、状態Ａと呼ぶ）で右回り円偏光が生成できる場合、その偏光子２を９０度回転させた状態（以下、状態Ｂと呼ぶ）とすれば左回り円偏光が生成できる。したがって、偏光子２を回転させて、状態Ａと状態Ｂとを切替えれば、右回り円偏光、左回り円偏光を切替えて生成でき、粒子を右回り、左回り、に回転させることができる。なお、偏光子２を回転させて状態Ａと状態Ｂとを切替えるには、モータなどを用いて偏光子２を駆動すれば良い。このように、モータなどの回転制御手段を設ければ、トラップした不透明粒子の回転方向を、右又は左に切替制御することができる。
【００１６】
（応用）
上記システムによって粒子を右回り又は左回りに回転させることができる。そこで、目的とする方向を向いたときに円偏光の照射を止める又は無偏光を照射すれば、その向きを維持することができる。これにより、例えば、マイクロマシンを組み立てる場合には、単に部品をトラップするだけではなく、そのトラップした部品を回転させることができ、組立作業効率の向上が期待できる。
粒子を右回り回転、左回り回転というように切替えるのではなく、特定の回転方向のみ実現すれば良い場合、偏光子２は不要である。これにより、右回り及び左回りのいずれか一方の方向にのみ、粒子を回転させることができる。
【００１７】
（粒子回転方法）
上述した粒子回転システムにおいては、以下の粒子回転方法が用いられている。すなわち、円偏光を生成する円偏光生成ステップと、この円偏光生成ステップにおいて生成された円偏光を不透明粒子の近傍に照射するステップとを含む粒子回転方法が用いられている。
この粒子回転方法を用いれば、トラップした不透明粒子を、光のスピン角運動量によって、光照射位置を中心に回転させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明は、生物細胞やマイクロマシン部品などの不透明粒子を回転させる場合に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による粒子回転システムの実施の一形態を示す図である。
【図２】光軸に対する金粒子の位置とポテンシャルとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  レーザ光源
２  偏光子
３  １／４波長板
４  ミラー
５  対物レンズ
６  試料
【図１】
2005260170.tif 000003
【図２】
2005260170.tif 000004