光線 A は微小球に入るとき境界面で反射・屈折し、光ピンセットにおけるFA1 で示された方向に力を及ぼす。また、周辺媒質に出る際にも内部反射・屈折し、FA２で示された方微粒子操作の解析
清水和子研究室向に力を及ぼす。FA１と FA２の合力が FA となる。
同様に光線 B の合力が FB である。図のように、光谷 祐輔

線 A と光線 B の強度分布が対称であり、FA と FB の《背景》

力は等しくなり、鉛直上向きとしての合力 F が粒子

光ピンセット技術は、光が直接物体に及ぼす光放射に働く力となる。この力が重力よりも大きければ、圧を利用したもので、ミクロンオーダーの物体を非物体の浮揚が起こる。

接触、非破壊で３次元的に操作できる。また、複数の光ビームを用いるとマイクロ構造物を組み立てる可能性があるので、マイクロマシンの分野で注目されている。
《目的》
顕微鏡下で直径１０μｍの微小球に下からレーザーを集光照射して３次元トラップを目指す。さらに、どの程度の力で捕捉できるのかを測定する。
《原理》

図２ 勾配力による力

レーザー光が微小球に及ぼす力は球の大きさが波長より十分大きいとき、幾何光学的に説明できる。レ

微小球がレーザー光の中心軸から、少し外れているーザー光が粒子に入射すると、境界面で周辺媒質の位置にある場合、レーザー光がガウス型分布のとき

屈折率ｎ１と微小球の屈折率ｎ２の違い（ｎ１＜ｎ２）には FA と FB の水平成分に力の差が生じ、粒子にはから透過光と反射光に分かれる。そのとき、光の進レーザー光の中心軸に引き戻される力が作用する。

行方向が変化し、運動量が変化する。そのため、運よって、この微小球はレーザー光による力と重力の動量保存則により境界面に力が作用する。これが、釣り合った位置で３次元的に安定となり、光トラッ粒子を捕捉する力となる。

ピングされることになる。

〈レーザー光照射による微小球のトラッピング〉《実験》〈実験試料〉

・微小球に働く力

・補足対象物：ポリスチレンラテックス球

Ｆ＝(ＦＡ)Ｚ＋(ＦＢ)Ｚ

直径：１０μｍ 屈折率：１．５８・周辺媒質：薄洗剤水溶液 屈折率：１．３３・持ち上がる条件※薄洗剤水を使用するのは水より粘性が低く、微小Ｆ＞重力−浮力球をトラップしやすくするために使用した。

図１ 光線による力1

①〈実験方法〉
・顕微鏡下で、セルの下からの入射光を粒子に照射し、粒子を３次元トラップし操作する。
・光源はＮｄ：ＹＶＯ４レーザー（λ＝５３２ｎｍ）

微小球を使用した。
・上の対物レンズ：２０倍

ＮＡ＝０．３５・下の対物レンズ：１０倍

ＮＡ＝０．３５②

図３ 実験配置※セルはプレパラートにＭ３（深さ：３００μｍ）③のワッシャーを貼り付けたものにカバーガラスをかぶせて使用した。
《実験結果》
・右の写真（図４）は実際に微小球がトラップされている様子を示す。上から①〜④とする。黒い影はレンズ、プレパラートの汚れである。
①小さく丸く見えるのが微小球である。焦点はプレパラ−ト上に合っている。写真の中心よりやや上にある球をトラップすることにする。他の球と同様に④ピントが合っていることから、プレパラート上にいることがわかる。
②球に下からレーザーを照射した瞬間の写真である。

微小球③レーザーを照射して十分に時間をおいた写真である。干渉縞が広がっているのがわかる。
④トラップしていたレーザーを遮った瞬間の写真である。他の球と比べ、ピントがずれている。この球は、プレパラートから４０μｍ上方でトラップされていた。
2

図４ 微小球のトラップ

微小球を３次元的に操作できたことがわかる。

〈三次元トラップの解析〉
この写真は、上下方向のみのものであるが、③の状

250

態でレーザー光を水平方向にずらすと、その方向に球を移動させることができた。光軸方向のトラップ

200

はレーザー強度、ビーム径、集光角に依存している
150

Ｚ´(μｍ)

ことがわかった。本実験ではレーザー強度、ビーム径を変化させることで、微小球を３次元的に操作し100た。レーザー強度が強すぎると、微小球が上のカバ50ーガラスに衝突してしまうので、３次元操作ができ0なくなってしまった。また、レーザー強度を弱くし-200-100てビーム径を大きくすると上の方にいくと水の対流

0Ｚ(μｍ)

100200によりトラップが外れてしまった。
図６ ＺとＺ’のグラフ

図５に観測した解析座標を示す。原点はプレパラー
ト上とした。Ｚは、トラップ前の微小球の位置と焦点と距離である。Ｚ’は、トラップされた微小球の高図７はトラップされた微小球の位置と焦点の距離のさである。

関係である。ΔＺ＝｜Ｚ−Ｚ’｜とした。このグラフからも、対物レンズとトラップされた微小球の位置が誤差分を含めるとほぼ一定であることがわかる。

200180160140ΔＺ(μｍ)

120100806040200-200-100

図５ ＺとＺ’の取り方
図６は図５に従い、微小球の位置と焦点の距離の関0Ｚ(μｍ)

100200

図７ ＺとΔＺのグラフ係を示す。丸印はレーザー強度が２．８ｍＷのとき、正方形の印は２．０ｍＷのときである。

図６、図７から２．０ｍＷでも、２．８ｍＷでも対２．０ｍＷのとき、Ｚ＝０付近では微小球の浮揚が物レンズを上下させることによって微小球を３次元確認できなかった。このことから、微小球に照射す的に操作できることがわかる。このことから、光軸るビーム径が小さいときは及ぼす力が小さくなるこ

方向に働く力は球に照射するビーム径に依存することがわかる。さらに、このときはレーザーが及ぼすとがわかった。

力よりも（重力−浮力）のほうが大きかったことが図８にＺと力のグラフを示す。微小球の位置と焦点わかる。また、傾きが等しいので、微粒子と焦点との距離は、球に照射するビーム径に置き換えて考えの距離、つまり対物レンズを上下することによってることができる。Ｆはレーザー光が球に及ぼす力で3ある。ｇは（重力−浮力）とし、ｗ０は最小ビーム径・本実験で使用したＮＡ＝０．３５のレンズの場合、である。グレーゾーンはＦが（重力−浮力）よりも上方向からのレーザー光での３次元トラップは、弱いときである。２．０ｍＷの場合、焦点から離れ（重力−浮力）よりも上に持ち上げる力が働かないている位置（Ｚ＜−２０、１０＜Ｚ）においては、ため理論上、上方向からのレーザー光での３次元トトラップできるが、焦点ｗ０の近く（−２０＜Ｚ＜１

ラップはＮＡが１．０以上であるレンズを使用する０）においては、レーザーが及ぼす力Ｆより（重力ことが望ましいことがわかった。

−浮力）の方が大きく、微小球がトラップできなか・浮揚している粒子に上方向からレーザー光を照射った。２．８ｍＷの場合、焦点ｗ０の近くでもトラッすると押される力を確認した。

プができた。

・計算上、最小ビーム径は１．５μｍであった。
《今後の課題》
・ＮＡの高い対物レンズを使い、上方向からのレーザーで３次元トラップの実現。
・ラゲールガウスビームを用い実験を行う。
《参考文献》
・レーザー物理入門（霜田光一著 岩波書店）
・レーザー応用光学（小原、神成、佐藤著 共立出版）

図８ Ｚと力のグラフ《まとめ》
・下方向からのレーザー光での３次元トラップは、最小パワー１．４ｍＷで実現できた。（対物レンズ１０倍、ＮＡ＝０．３５）
・トラップは、微小球がプレパラートから近い場合、水が乾かない限り観測時間内で長時間、安定してできた。微小球がプレパラートから遠い場合、トラップから外れてしまった。図６の２．０ｍＷのとき、Ｚ＝１８０μｍではトラップできなかった。これは、水の対流の影響と微小球に照射するレーザーの単位面積あたりのレーザーパワーが弱まったことが原因であると考えられる。
・トラップ位置は、レンズとレーザー波長が同じ場合、粒子と焦点の距離が一定のときには、レーザーパワーに依存することがわかった。
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