(57)【要約】【課題】単一光ビームから複数の光学トラップを形成する。【解決手段】誘電体小粒子を操作するための装置及び方法。本装置及び方法は、レーザービームを受取り、複数のレーザービームを形成する光学回折素子(４０)の使用を含む。これらの光ビームは、次いで、テレスコープレンズ系により操作され、次いで、対物レンズ素子(２０)により操作されて、誘電体小粒子を操作するための光学トラップ(５０)のアレイを形成する。【選択図】図３
2007030162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを受光して、分離した複数のレーザービームを形成するための光学回折素子と、
前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含んでなり、
前記光学回折素子は、前記複数のレーザービームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離したレーザービームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立する、光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置。
【請求項２】
光学格子と、ホログラムと、時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体とからなる群から前記光学回折素子が選択されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光学トラップが、時間に依存する光学勾配場を含む光学勾配条件を形成する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記集束素子が、対物レンズと光学回折素子との少なくとも１つを含んでいる請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光学回折素子の下流に位置し、前記光学回折素子との相互作用の後のレーザービームが導かれるテレスコープレンズ系をさらに含んでいる請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記集束素子が形成する集束面の内部及び外部の位置からなる群から選択される空間に光学トラップを形成するように前記光学回折素子を構成している請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記テレスコープレンズ系の下流に、レーザービームを受け取るように配置された可動の鏡を含んでいる請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記可動の鏡は、前記集束素子の後部開口に対して共役な位置に配置されている請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記可動の鏡の下流側であって前記集束素子の上流側に配置された、他のテレスコープレンズ系をさらに含む、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
前記他のテレスコープレンズ系と前記集束素子との間に配置されたビームスプリッタをさらに含む請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記光学トラップを操作することと、集束することとのうちの少なくとも１つを実行するための手段をさらに含んでいる請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記光学回折素子は、前記集束素子の後部開口を含む平面内、または前記集束素子の後部開口に対して共役な平面内に配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
レーザービームを供給するステップと、
前記レーザービームを光学回折素子によって操作して複数の分離したレーザービームを同時に形成するステップと、
前記分離したレーザービームの各々を集束素子によって集束し、前記光学回折素子を前記集束素子と協働させて、前記分離した複数のレーザービームの各々から、分離した複数の光学トラップを形成するように光学勾配条件を確立するステップと
を含んでなる複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法。
【請求項１４】
光子回路において粒子を操作するステップと、ナノ複合材料において構成要素を操作するステップと、電子構成要素を製造するステップと、光電子構成要素を操作するステップと、化学的センサーを準備するステップと、生物学的センサーを準備するステップと、ホログラフィデータ記憶基質を組立てるステップと、コロイド状アレイを組立てるステップと、生物学的材料を操作するステップとからなるグループから選択される製造プロセスを実行するステップをさらに含んでいる請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の光学トラップの少なくとも１つの位置をダイナミックに変化するステップをさらに含んでいる請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体を用いて前記複数の分離したレーザービームを形成するために前記レーザービームを操作するステップを含んでいる請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体が、液晶位相シフトアレイを含んでいる請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の分離したレーザービームと相互作用する伝達光学系を設けて、光学トレーンの光学的な点を或る位置から別の位置に移動するステップをさらに含んでいる請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記集束素子と前記光学トレーンとの間に配置されたビームスプリッタによって、前記光学トラップを形成するのに使用される光の波長を選択的に反射し、他の波長を透過させるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザービームを操作するステップは、（ａ）前記複数の分離したレーザービームの少なくとも１つを集束素子により集束させるステップと、（ｂ）前記複数の分離したレーザービームの少なくとも１つを発散素子により発散するステップとの少なくとも１つのステップを含んでいる請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記レーザービームを操作するステップは、前記光学回折素子を、前記集束素子の後部開口を含む平面内、または前記集束素子の後部開口に対して共役な平面内に配置するステップを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
光学トラップアレイを形成する装置であって、
レーザービームを受光して、分離した複数の光ビームを形成するための光学回折素子と、
前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、
前記光学回折素子は、前記複数の光の各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、複数の粒子の各々のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立するものであり、
前記光学回折素子は、前記光学トラップアレイを形成するためにコンピュータにより形成されるホログラムを含むものである、光学トラップアレイを形成する装置。
【請求項２３】
レーザービームを受光して、分離した複数の光ビームを形成するための光学回折素子と、
前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、
前記光学回折素子は、前記複数のレーザービームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立するものであり、
前記光学回折素子は、３次元光学トラップアレイを形成するものである、光学トラップを形成する装置。
【請求項２４】
複数の粒子を準備するステップと、
レーザービームを供給するステップと、
コンピュータにより形成されるホログラムを有する光学回折素子を前記レーザービームに対して用い、複数の分離した光ビームを同時に形成するステップと、
前記光学回折素子の下流において、前記分離した光ビームの各々を集束素子によって集束して複数の集束スポットを形成し、各粒子のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立し、これにより光学トラップアレイを形成するステップとを含む、光学トラップアレイを形成する方法。
【請求項２５】
複数の粒子を準備するステップと、
レーザービームを供給するステップと、
光学回折素子を前記レーザービームに対して用い、複数の分離した光ビームを同時に形成するステップと、
前記光学回折素子の下流において、前記分離した光ビームの各々を集束素子によって集束して複数の集束スポットを形成し、各粒子のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立し、これにより３次元光学トラップアレイを形成するステップとを含む、光学トラップアレイを形成する方法。
【請求項２６】
光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置であって、
レーザービームを受光して、分離した複数のレーザービームを形成するための光学回折素子と、
前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、
前記光学回折素子は、前記複数のレーザービームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離したレーザービームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立するものであり、
前記複数の光学トラップが同時に形成される、光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置。
【請求項２７】
複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法であって、
レーザービームを供給するステップと、
前記レーザービームを光学回折素子によって操作して複数の分離したレーザービームを同時に形成するステップと、
前記分離したレーザービームの各々を集束素子によって集束し、前記光学回折素子を前記集束素子と協働させて、前記分離した複数のレーザービームの各々から、分離した複数の光学トラップを形成するように光学勾配条件を確立するステップとを含み、
前記複数の光学トラップが同時に形成される、複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全米科学財団により援助された契約番号ＤＭＲ９３２０２７８の下での米国政府の支援で、援助番号ＤＭＲ９４００３７９の下での全米科学財団のＭＲＳＥＣプログラムにより、及び、教育省からのＧＡＡＮＮ奨学基金により、行われた。
本発明は、一般的に、光学勾配力を使用して、誘電体小粒子または他の物質を操作するための方法及び装置に関する。特に、本発明は、多数の用途のうちの任意の１つのための所望の空間パターンへと粒子状物質またはその他の作用を受ける物質を集め、向けて、様々な選択可能な光学場パターンのうちの任意の１つを形成するように、例えばホログラム及び回折格子などの光学回折素子により案内される、集束されたレーザー光を使用する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子の屈折率より小さい屈折率を有する液体媒体内に浸漬された誘電体小粒子の位置を操作するために、単一光ビームからの光学勾配力を使用して光学ピンセットを形成することが公知である。光学ピンセット技術は、低い誘電率の粒子の反射及び吸収をも操作することを可能にするように、一般化されている。
従って、現在の従来のシステムでは、単一光学トラップを発生するために単一光ビームを使用して、単一粒子を操作することが可能である。このようなシステムにより複数の粒子を操作するには、複数の光ビームが使用されなければならない。従来の光学ピンセットを使用して、拡大された複数のビームトラップを形成する困難に起因して、化学的及び生物学的アッセイ、及びホログラフィ及びコンピュータ記憶基質での使用のために、電子、光子及び光電子装置、化学センサアレイを含むナノ複合材料の製造及び操作などの、多数の潜在的商業的用途でそれらを使用することができないでいる。
【非特許文献１】N. R. Heckenbergら著、「Laser beams with phase singularities」、Optical and Quantum Electronics Vol. 24、S951、１９９２年
【非特許文献２】H. Heら著、「Direct Observation of Transfer of Angular Momentum to Absorptive Particles from a Laser Beam with a Phase Singularity」、Physical Review Letters, Volume 75, Number 5、The American Physical Society、１９９５年、p.826-829
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の１つの目的は、複数の光学トラップを形成するための、改善された方法及びシステムを提供することにある。
本発明の別の１つの目的は、複数の光学トラップを形成するために、光ビームの１つの形態を形成するために、回折光学装置を有する単一光ビームを使用するために新規の方法及びシステムを提供することにある。
【０００４】
本発明の１つの付加的な目的は、複数の粒子または他の光学媒体を制御するために、光学勾配場を発生するために、ホログラフィを使用するための新規の方法及び装置を提供することにある。
本発明の別の１つの目的は、光子回路製造、ナノ複合材料用途、電子構成要素の製造、光電子装置、化学及び生物学的センサアレイ、ホログラフィデータ記憶基質の組立、組合せ化学用途への利用、コロイド自己集合の促進、及び生物学的材料の操作などの、小粒子の操作に関連する、様々な商業的用途のための複数の光学トラップを形成するための、改善された方法及びシステムを提供することにある。
【０００５】
本発明のさらに別の１つの目的は、商業的用途のために、光学勾配場の一時的かつ空間的に変化する形態を形成するための、改善された方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらに別の１つの目的は、誘電体物質を操作するべく、光学トラップの選択可能な時間変化するおよび／または特定の空間的アレイを形成するために、一以上の光学回折素子と組み合せて、一以上のレーザービームを使用するための新規の方法及びシステムを提供することにある。
【０００６】
本発明のさらに別の１つの目的は、スタティックまたはダイナミックな光学トラップを形成するために、単一入力レーザービーム、光学回折素子、及び発散および／または集束レンズを使用する、改善された方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらなる１つの目的は、ユーザにより直接に観察可能である光学トラップアレイを形成するための新規の方法及びシステムを提供することにある。
【０００７】
本発明の別の1つの目的は、様々な商業的用途のために、光学トラップのアレイを走査するために、ビーム走査システムを有する光学回折素子に、レーザービーム入力を行う、改善された方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらに別の1つの目的は、対物レンズ集束面に対して選択可能な個所にトラップ形を形成するために、レーザービーム、光学回折素子及び発散及び集束光学システムを使用して、光学トラップ形を形成するための、新規の方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに別の1つの目的は、光学トラップ配置を形成する際、回折された光ビームのみを効率的に利用するために、いかなる回折されないビームもろ波して除去するために、レーザービーム及び斜め位置光学回折素子を使用する改善された方法及び装置を提供することにある。
本発明の別の1つの目的は、対物レンズの集束面から、光学トラップの少なくとも1つの２次元配置を生成するために、光学回折素子へのレーザービームの入力を使用する新規の方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の1つの目的は、光学トラップアレイを走査するために、複数のテレスコープレンズと組み合せて、光ビーム及び回折光学装置を使用する改善された方法及びシステムを提供することにある。
本発明のさらに別の1つの目的は、小さい振幅の振動変位が、光学トラップをダイナミック的に硬化するために適用されるように、光学トラップアレイを制御可能に走査するために、光学回折素子及び光学システムへの単一光ビームの入力を使用して、光学トラップのアレイを形成する新規の方法及びシステムを提供することにある。
【００１０】
本発明の別の1つの目的は、光学回折素子として、(例えば液晶位相シフトアレイなどの)時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体を使用して、複数の独立的に操縦される光学トラップを形成するための新規の方法を提供することにある。
本発明のさらに別の1つの目的は、顕微鏡粒子の分離のために、時間依存性光学勾配場を形成する新規の方法を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらに別の1つの目的は、蛋白質の結晶化を含む、複数の生物学的対象物を操作するための新規の方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置に関する。この装置は、レーザービームを受光して、分離した複数のレーザービームを形成するための光学回折素子と、前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含んでなり、前記光学回折素子は、前記複数のレーザービームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離したレーザービームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立する。
【００１３】
光学格子と、ホログラムと、時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体とからなる群から前記光学回折素子が選択されていてもよい。
前記光学トラップが、時間に依存する光学勾配場を含む光学勾配条件を形成するものであってもよい。
前記集束素子が、対物レンズと光学回折素子との少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００１４】
前記装置は、前記光学回折素子の下流に位置し、前記光学回折素子との相互作用の後のレーザービームが導かれるテレスコープレンズ系をさらに含んでいてもよい。
前記集束素子が形成する集束面の内部及び外部の位置からなる群から選択される空間に光学トラップを形成するように前記光学回折素子を構成してあってもよい。
前記光学回折素子は、本装置により形成されるダイナミックに変化する光学トラップを使用可能にするダイナミックに変化する回折構成要素を含んでいてもよい。
【００１５】
前記ダイナミックに変化する回折構成要素は、コンピュータにより形成されるホログラムを含んでいてもよい。
前記回折構成要素は、前記コンピュータにより形成されるホログラムを用いて刻印される液晶構成要素をさらに含んでいてもよい。
前記装置は、前記テレスコープレンズ系の下流に、レーザービームを受け取るように配置された可動の鏡を含んでいてもよい。
【００１６】
前記可動の鏡は、前記集束素子の後部開口に対して共役な位置に配置されていてもよい。
前記装置は、前記可動の鏡の下流側であって前記集束素子の上流側に配置された、他のテレスコープレンズ系をさらに含んでいてもよい。
前記装置は、前記他のテレスコープレンズ系と前記集束素子との間に配置されたビームスプリッタをさらに含んでいてもよい。
【００１７】
前記装置は、前記光学トラップを操作することと、集束することとのうちの少なくとも１つを実行するための手段をさらに含んでいてもよい。
前記光学回折素子は、前記集束素子の後部開口を含む平面内、または前記集束素子の後部開口に対して共役な平面内に配置されていてもよい。
この発明は、また、複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法に関する。この方法は、レーザービームを供給するステップと、前記レーザービームを光学回折素子によって操作して複数の分離したレーザービームを同時に形成するステップと、前記分離したレーザービームの各々を集束素子によって集束し、前記光学回折素子を前記集束素子と協働させて、前記分離した複数のレーザービームの各々から、分離した複数の光学トラップを形成するように光学勾配条件を確立するステップとを含む。
【００１８】
前記方法は、光子回路において粒子を操作するステップと、ナノ複合材料において構成要素を操作するステップと、電子構成要素を製造するステップと、光電子構成要素を操作するステップと、化学的センサーを準備するステップと、生物学的センサーを準備するステップと、ホログラフィデータ記憶基質を組立てるステップと、コロイド状アレイを組立てるステップと、生物学的材料を操作するステップとからなるグループから選択される製造プロセスを実行するステップをさらに含んでいてもよい。
【００１９】
前記方法は、前記複数の光学トラップの少なくとも１つの位置をダイナミックに変化するステップをさらに含んでいてもよい。
前記方法は、時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体を用いて前記複数の分離したレーザービームを形成するために前記レーザービームを操作するステップを含んでいてもよい。
【００２０】
前記時間依存性アドレス指定可能な位相シフト媒体が、液晶位相シフトアレイを含んでいてもよい。
前記方法は、前記複数の分離したレーザービームと相互作用する伝達光学系を設けて、光学トレーンの光学的な点を或る位置から別の位置に移動するステップをさらに含んでいてもよい。
【００２１】
前記方法は、前記集束素子と前記光学トレーンとの間に配置されたビームスプリッタによって、前記光学トラップを形成するのに使用される光の波長を選択的に反射し、他の波長を透過させるステップをさらに含んでいてもよい。
前記レーザービームを操作するステップは、（ａ）前記複数の分離したレーザービームの少なくとも１つを集束素子により集束させるステップと、（ｂ）前記複数の分離したレーザービームの少なくとも１つを発散素子により発散するステップとの少なくとも１つのステップを含んでいてもよい。
【００２２】
前記レーザービームを操作するステップは、前記光学回折素子を、前記集束素子の後部開口を含む平面内、または前記集束素子の後部開口に対して共役な平面内に配置するステップを含んでいてもよい。
また、この発明は、光学トラップアレイを形成する装置であって、レーザービームを受光して、分離した複数の光ビームを形成するための光学回折素子と、前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、前記光学回折素子は、前記複数の光の各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、複数の粒子の各々のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立するものであり、前記光学回折素子は、前記光学トラップアレイを形成するためにコンピュータにより形成されるホログラムを含むものである、光学トラップアレイを形成する装置である。
【００２３】
また、この発明は、レーザービームを受光して、分離した複数の光ビームを形成するための光学回折素子と、前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、前記光学回折素子は、前記複数のレーザービームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立するものであり、前記光学回折素子は、３次元光学トラップアレイを形成するものである、光学トラップを形成する装置である。
【００２４】
さらにこの発明は、複数の粒子を準備するステップと、レーザービームを供給するステップと、コンピュータにより形成されるホログラムを有する光学回折素子を前記レーザービームに対して用い、複数の分離した光ビームを同時に形成するステップと、前記光学回折素子の下流において、前記分離した光ビームの各々を集束素子によって集束して複数の集束スポットを形成し、各粒子のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立し、これにより光学トラップアレイを形成するステップとを含む、光学トラップアレイを形成する方法である。
【００２５】
また、この発明は、複数の粒子を準備するステップと、レーザービームを供給するステップと、光学回折素子を前記レーザービームに対して用い、複数の分離した光ビームを同時に形成するステップと、前記光学回折素子の下流において、前記分離した光ビームの各々を集束素子によって集束して複数の集束スポットを形成し、各粒子のために前記分離した光ビームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立し、これにより３次元光学トラップアレイを形成するステップとを含む、光学トラップアレイを形成する方法である。
【００２６】
さらにまた、この発明は、光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置であって、レーザービームを受光して、分離した複数のレーザービームを形成するための光学回折素子と、前記光学回折素子の下流に位置する集束素子とを含み、前記光学回折素子は、前記複数のレーザービームの各々を独立に集めるために該集束素子と協働して複数の集束スポットを形成して、各粒子のために前記分離したレーザービームの一つを用いて前記粒子の各々に対して前記集束スポットの内部に分離した光学トラップを形成するための手段を確立するものであり、前記複数の光学トラップが同時に形成される、光学トラップを形成することにより粒子を操作する装置である。
【００２７】
また、この発明は、複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法であって、レーザービームを供給するステップと、前記レーザービームを光学回折素子によって操作して複数の分離したレーザービームを同時に形成するステップと、前記分離したレーザービームの各々を集束素子によって集束し、前記光学回折素子を前記集束素子と協働させて、前記分離した複数のレーザービームの各々から、分離した複数の光学トラップを形成するように光学勾配条件を確立するステップとを含み、前記複数の光学トラップが同時に形成される、複数の光学トラップを形成することにより粒子を操作する方法である。
【００２８】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、同一参照番号は同一の部分を示す添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例の以下の説明から、明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の改善点を最も良く理解するために、図１及び２は、いくつかの従来技術の方法及びシステムを示す。これらのシステムが、まず初めに、検討され、次いで、本発明が、図３〜７Ａ及び７Ｂの好ましい実施例に関連して、説明される。図１の従来技術の光学ピンセットシステム１０において、粒子１４の屈折率より小さい屈折率ｎmを有する媒体１６内に分散している誘電体小粒子１４を制御可能に操作するために、単一光ビーム１２を用いて光学勾配力を発生させる。光学勾配力の性質は、良く知られ、原理は、反射、吸収及び低誘電率の操作を可能にするために、一般化されたことも良く知られている。これらの技術のうちの任意のものを以下に説明される本発明に関連して実施することが可能であり、以下、光学ピンセット、光学トラップ及び光学勾配力との用語により説明される。
【００３０】
光学ピンセットシステム１０では、粒子を操作するのに必要な光学トラップ効果を実現するのに必要な力を得ることができる(レーザービームなどの)光ビーム１２を使用する。従来の形の光学ピンセット１０の目的は、(例えば対物レンズ２０などの)集束光学素子の後部開口２４の中心に、一以上の光ビームを投射することにある。図１に示されているように、光ビーム１２は、幅「ｗ」を有し、光学軸２２に対して入力角φを有する。光ビーム１２は、対物レンズ２０の後部開口２４に入力され、前部開口２６から出力され、イメージング体積３２の集束面３０内の焦点２８にほぼ集束する。一般的に、任意の集束光学システムは、光学ピンセットシステム１０のための基礎を形成する。
【００３１】
光ビーム１２が、コリメートされたレーザービームであり、光ビーム１２の軸線が、光学軸２２と一致する場合、光ビーム１２は、対物レンズ２０の後部開口２４に入り、対物レンズ集束面３０の中心点において、イメージング体積３２内で集束する。光ビーム１２の軸線が、光学軸２２に対して角度φだけ変位されると、ビーム軸３１及び光学軸２２は、後部開口１２の中心点Ｂに位置する。この変位により、光学トラップが、対物レンズ２０の角度拡大率に依存する量だけ、視野を横断して並進することが可能となる。２つの変数すなわち光ビーム１２の角度変位φ及び変化する焦点は、イメージング体積３２内の選択された位置における光学トラップを形成するのに使用されることが可能である。複数の光学トラップ３３を、複数の光ビーム１２が異なる角度φでかつ異なるコリメーション度で後部開口２４に適用されることを前提として、異なる個所に配置することが可能である。
【００３２】
３次元での光学トラップを実現するために、トラップされる粒子上に形成される光学勾配力は、光の散乱及び吸収から発生する放射圧力を越えなければならない。一般的に、この必要性に起因して、光ビーム１２の波面は、後部開口２４において適切な形状を有しなければならない。例えば、Ｇａｕｓｓｉａｎ ＴＥＭ00入力レーザービームにおいて、ビーム直径ｗは、後部開口２４の直径と一致しなければならない。より一般的な(例えばガウス・ラゲールなどの)ビーム横断面形状のために類似の条件を設定することが可能である。
【００３３】
図２の別の従来技術のシステムにおいては、光学ピンセットシステム１０により、光学トラップ３３は、対物レンズ２０の視野を横断して並進することができる。テレスコープ３４は、レンズＬ１及びＬ２から成り、図１の従来技術のシステム内の中心点Ｂに対して光学的に共役である点Ａを形成する。図２のシステムにおいて、点Ａを通過する光ビーム１２は、点Ｂも通過し、このようにして、光学ピンセットシステム１０として機能するための基本的必要条件を満足する。コリメーション度は、テレスコープ３４の伝達特性を最適化するために、図２に示されているように、レンズＬ１及びＬ２を位置決めすることにより維持される。さらに、テレスコープ３４の拡大率は、光ビーム１２の角度変位と、対物レンズ２０の後部開口２４の平面内の光ビームの幅ｗとを最適化するように選択されることが可能である。前述のように、一般的に、光ビーム１２のうちのいくつかを、いくつかの関連光学トラップを形成するのに使用することができる。このような複数のビーム１２は、複数の独立的入力ビームから、または、従来の反射および／または回折光学素子から形成することができる。
【００３４】
図３の本発明の１つの好ましい実施例において、光学トラップの任意のアレイを形成できる。光学回折素子４０は、対物レンズ２０の後部開口２４に対して共役な平面４２内に実質的に配置されている。ただ１つの回折された出力ビーム４４を、分かりやすくするために示しているが、複数のこのようなビーム４４を、光学回折素子４０により形成することができる。光学回折素子４０に入射する入力光ビーム１２は、光学回折素子４０の性質に特徴的である出力ビーム４４のパターンにスプリットされ、出力ビーム４４のそれぞれは、点Ａから発する。このようにして、出力ビーム４４も、前述の下流光学素子に起因して点Ｂを通過する。
【００３５】
図３の光学回折素子は、入力光ビーム１２に対して垂直であるものとして示されているが、多数の他の配置が可能である。例えば、図４において、光ビーム１２は、光学軸２２に対して傾斜角βで到達し、光学回折素子４０に対して垂線ではない。この実施例では、点Ａから発する回折されたビーム４４は、イメージング体積３２の集束面５２内で光学トラップ５０を形成する(図１参照)。光学ピンセットシステム１０のこの配置では、入力光ビーム１２の、回折されない部分５４を、光学ピンセットシステム１０から除去することができる。このようにして、この形態により、処理される背景光の量は低減され、光学トラップの形成効率が改善される。
【００３６】
光学回折素子４０は、コンピュータ生成ホログラムを含むことが可能であり、前もって選択された所望のパターンに入力光ビーム１２をスプリットする。このようなホログラムと、図３の光学素子の他のものとを組合せることにより、光学回折素子４０が、各回折されたビームの波面を形成するのに使用される任意のアレイを形成することが可能となる。従って、光学トラップ５０は、対物レンズ２０の集束面５２内に配置されることが可能であるだけでなく、光学トラップ５０の３次元配置を形成するために、集束面５２の外部に配置されることが可能である。
【００３７】
図３及び４の光学ピンセットシステムにおいて、光学トラップ５０を形成するために、回折されたビーム４４を集束するために、例えば対物レンズ２０(または、例えばフレネルレンズなどの他の同様の機能的に同等の光学装置などの)光学集束素子も含まれる。さらに、テレスコープ３４、または他の同等の伝達光学装置が、前の後部開口２４の中心点Ｂに対して共役な点Ａを形成する。光学回折素子４０は、点Ａを含む平面内に配置されている。
【００３８】
本発明の別の１つの実施例では、光学トラップ５０の任意のアレイを、テレスコープ３４の使用なしに形成することができる。このような実施例では、光学回折素子４０を、点Ｂを含む平面内に直接に配置することができる。
光学ピンセットシステム１０において、スタティックまたは時間依存性の光学回折素子４０を使用できる。ダイナミックすなわち時間依存性の変形例においては、光学トラップ５０の時間変化アレイを形成することができ、光学トラップ５０は、このような特徴を利用するシステムの一部であることが可能である。さらに、これらのダイナミック光学素子４０は、粒子及び基質媒体とを、互いに対して能動的に動かすのに使用されることが可能である。例えば、光学回折素子４０は、コンピュータ生成ホログラフィパターンにより刻印される変化を行う液晶相アレイであってよい。
【００３９】
図５の別の１つの実施例では、システムを、光学ピンセットトラップ５０の連続的並進を実現するように形成することができる。ジンバルに取付けられている鏡６０の回転中心は、点Ａに配置される。光ビーム１２は、鏡６０の表面に入射し、光ビーム１２の軸線は、点Ａを通過し、光ビーム１２は、後部開口２４に投射される。鏡６０を傾けると、鏡６０に対する光ビーム１２の入射角が変化し、この特徴は、その結果の光学トラップ５０を並進させるのに使用できる。第２のテレスコープ６２はレンズＬ３及びＬ４から成り、点Ａに対して共役である点Ａ'を形成する。点Ａ'に配置される光学回折素子４０は、このようにして、回折されたビーム６４のパターンを形成し、回折されたビーム６４のそれぞれは、点Ａを通過して、光学ピンセットシステム１０のアレイ内のピンセットトラップ５０のうちの１つを形成する。
【００４０】
図５の実施例の動作において、鏡６０は、ピンセットシステム全体をユニットとして並進させる。この方法は、光学ピンセットアレイを、定置サブストレートと正確に位置合せするのに有用であり、これにより、小さい振幅の急速な振動変位により光学トラップ５０をダイナミック的に硬化し、また、一般的な並進能力を必要とする任意の用途にも有用である。
【００４１】
光学トラップ５０のアレイは、標本ステージ(図示せず)を動かすことにより、または、テレスコープ３４を調整することにより、標本ステージ(図示せず)に対して垂直に並進させることも可能である。さらに、光学ピンセットアレイは、標本ステージを動かすことにより、標本に対して横方向に並進させることも可能である。この特徴は、対物レンズ視野を越える大規模な運動のために特に有用である。
【００４２】
図６の本発明の別の１つの実施例では、光学システムは、光学ピンセット１０によりトラップされた粒子の像を観察することを可能にする。２色ビームスプリッタ７０、または他の同等の光学ビームスプリッタが、対物レンズ２０と、光学ピンセットシステム１０の光学トレーンとの間に挿入される。図示の実施例では、ビームスプリッタ７０は、光学ピンセットアレイを形成するのに使用される光の波長を、選択的反射し、他の波長を透過させる。このようにして、光学トラップ５０を形成するのに使用される光ビーム１２は、高い効率で、後部開口２４に伝達され、一方、像を形成するのに使用される光ビーム６６は、通過して、イメージング光学装置(図示せず)に到達する。
【００４３】
本発明の１つの用途が、図７Ａ及び７Ｂに示されている。光学回折素子４０は、コリメートされたビームの４×４アレイを形成するために、単一光ビーム１２と相互作用する。５３２ｎｍで動作する、１００ｍＷ周波数２重ダイオードによりポンピングされるＮｄ：ＹＡＧレーザーは、光ビーム１２のためのガウスＴＥＭ00形を提供する。図７Ａにおいて、視野は、アレイの１６の一次光学ピンセット１０内にトラップされた１６のシリカ球により後方散乱されたレーザー光により、部分的に、照明される。１μｍ直径の球は、水中に分散され、ガラス顕微鏡スライドと１７０μｍ厚のガラスカバースリップとの間の標本体積内に配置される。ピンセットアレイは、カバースリップを通過して、上方へ投射され、カバースリップから８μｍ上方の平面内に位置決めされ、上部顕微鏡スライドより２０μｍ以上下方に位置決めされる。シリカ球は、１６の光学ピンセット１０のそれぞれの中に３次元で、安定的にトラップされる。
【００４４】
図７Ｂにおいて、光学ピンセット１０(トラップ)が消滅された１／３０秒後であるが、球が、トラップ部位から拡散するのに充分な時間を有する前での、球の、光学的に組織化された配置が示されている。
本発明の好ましい実施例が、示され、説明されたが、様々な変化または改変が、請求の範囲に記載の面より広い面において、本発明から逸脱することなしに、行われることが可能であることは、当業者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】単一光学ピンセットを使用する方法及びシステムを示す。
【図２】単一で操縦可能な光学ピンセットのための従来の方法及びシステムを示す。
【図３】光学回折素子を使用する、方法及びシステムを示す。
【図４】入力光ビームに対して斜めの光学回折素子を使用する、別の方法及びシステムを示す。
【図５】光学回折素子を使用する、連続的に並進可能な光学ピンセット(トラップ)を示す。
【図６】光学ピンセットアレイを使用して粒子を操作し、一方、光学トラップアレイを観察するための像も形成する、方法及びシステムを示す。
【図７Ａ】図６の光学システムを使用して、光学ピンセット(トラップ)の４×４アレイの像を示す。
【図７Ｂ】図７Ａの光学ピンセットにより、水中に懸濁されている１マイクロメータ直径のシリカ球の像であって、トラップ照明は消滅された直後であるが、前記球が拡散する前である像を示す。
【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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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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