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JP2002502043A - 光学的勾配力を適用するための装置 - Google Patents

光学的勾配力を適用するための装置

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JP2002502043A
JP2002502043A JP2000529623A JP2000529623A JP2002502043A JP 2002502043 A JP2002502043 A JP 2002502043A JP 2000529623 A JP2000529623 A JP 2000529623A JP 2000529623 A JP2000529623 A JP 2000529623A JP 2002502043 A JP2002502043 A JP 2002502043A
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optical
diffraction element
lens system
trap
telescope lens
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グライアー，デイヴィッド・ジー
デュフレスン，エリック・アール
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アーチ・デヴェロップメント・コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 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。

Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【０００２】 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。
【０００３】 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。
【０００４】 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。
【０００５】 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。
【０００６】 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。
【０００７】 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。
【０００８】 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。
【０００９】 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。
【００１０】 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。
【００１１】 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。
【００１２】 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。
【００１３】 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 イを走査するを形成するために、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
。
【００１４】 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。
【００１５】 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。
【００１６】 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。
【００１７】 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。
【００１８】 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。
【００１９】 本発明の別の1つの目的は、光学回折素子として、(例えば液晶移相アレイなど
の)時間依存性アドレス指定可能な移相媒体を使用して、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。
【００２０】 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。
【００２１】 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。
【００２２】 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。
【００２３】
【好ましい実施例の詳細な説明】
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。
【００２４】 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。
【００２５】 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。
【００２６】 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 ＴＥＭ 00 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。
【００２７】 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。
【００２８】 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４
４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
。
【００２９】 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１
２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５
４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。
【００３０】 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２
０の集束面５２内に配置されないことが可能であるだけでなく、光学トラップ５
０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。
【００３１】 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。
【００３２】 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。
【００３３】 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５
０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。
【００３４】 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５
０のうちの１つを形成する。
【００３５】 図５の実施例の動作において、鏡５０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。
【００３６】 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。
【００３７】 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。
【００３８】 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レーザは、光ビーム１２のためのガウスＴＥＭ 00 形を提供する。図７Ａにおて、視野は、アレイの１６の一次光学ピンセット１
０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。
【００３９】 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。
【００４０】 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】
【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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 5/32 Ｇ０２Ｂ 5/32 21/32 21/32 Ｆターム(参考） 2H049 AA04 AA26 AA50 CA01 CA09 CA15 CA17 2H052 AB01 AB24 AD16 AE01 AE06 4G075 AA01 AA27 CA36 EB32 FC04

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ビームを受取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 を有する、粒子を操作するための装置。
  2. 【請求項２】 前記光学回折素子が、光学格子及びホログラムから成る群か
    ら選択される、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 さらに、前記光学回折素子への入力のためのレーザービーム
    を発生するためのシステムを含む、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記集束素子が、対物レンズ及び光学回折素子のうちの少な
    くとも１つを有する、請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 さらに、光ビームと前記回折素子との相互作用の後、前記光
    学回折素子の下流に位置するテレスコープレンズ系を含む、請求項１に記載の装
    置。
  6. 【請求項６】 前記光学回折素子が、前記テレスコープレンズ系の光学軸に
    対して垂直に位置する、請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記光学回折素子が、前記テレスコープレンズ系の光学軸に
    対して斜めに位置する、請求項５に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記光学回折素子が、複数の回折された出力光ビームを形成
    する、請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記光学回折素子が、前記対物レンズ素子の後部開口に対し
    て共役な平面内に実質的に位置する、請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記光学回折素子が、前記対物レンズ素子により形成され
    る集束面の中の及びの外部の位置から成る群から選択される空間位置で光学トラ
    ップを形成することが可能である、請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記光学回折素子が、本装置により形成される光学トラッ
    プをダイナミックに変化させることを可能にする、ダイナミックに変化する回折
    構成要素を有する、請求項１に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記ダイナミックに変化する回折構成要素が、コンピュー タにより形成されるホログラムを有する、請求項１１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記装置が、さらに、コンピュータにより形成されるホロ
    グラムにより刻印される液晶構成要素を含む、請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 さらに、前記テレスコープレンズ系の下流に位置する光ビ
    ームを受取るように配置されている可動の鏡を含む、請求項５に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 さらに、前記光学トラップを操縦することと、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実行手段を含む、請求項１２期の
    装置。
  16. 【請求項１６】 前記実行手段が、光学回折素子を有する、請求項１５に記
    載の装置。
  17. 【請求項１７】 レーザービームを受取るための光学回折素子と、 光ビームと前記回折素子との相互作用の後、前記光学回折素子の下流に位置す
    る第１のテレスコープレンズ系と、 前記光学回折素子と前記テレスコープレンズ系とからの光ビーム出力を集束す
    るための光学手段であって、これにより光学トラップを形成する光学手段と を有する、粒子を操作するための装置。
  18. 【請求項１８】 さらに、前記光学トラップの運動を可能にする鏡を含む、
    請求項１７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記鏡が、前記光学トラップを横方向及び垂直方向に並進
    することを可能にする、請求項１７に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 さらに、前記第１のテレスコープレンズ系及び前記鏡の下
    流に位置する第２のテレスコープレンズ系を含む、請求項１８に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記光学手段が、前記テレスコープレンズ系から受取る光
    ビームを受取ることが可能であるように、対物レンズ及び光学回折素子のうちの
    少なくとも１つを有する、請求項１７に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 さらに、前記第２のテレスコープレンズ系と前記光学手段
    との間に配置され、操作される粒子の像を観察することを可能にするビームスプ
    リッタを含む、請求項２０に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 レーザービームを発生するステップと、 前記レーザービームを回折素子に入力し、回折された前記レーザービームがテ
    レスコープレンズ系を通過するようにするステップと、 誘電体小粒子を操作するために光学トラップを形成するために、前記テレスコ
    ープレンズ系からのレーザービーム出力を収集するステップと を有する、誘電体小粒子を操作するための方法。
  24. 【請求項２４】 さらに、鏡を使用して前記レーザービームを操縦して、前
    記光学トラップを動かすステップを含む、請求項２３に記載の方法。
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