光ピンセット装置
【課題】複雑な光学系が不要で、単一の光源で複数のサンプルを同時に制御することができ、機械的可動部が不要な光ピンセット装置を提供するにある。
【解決手段】制御光発生源１１と平面光導波回路１３とを備え、前記平面光導波回路１３は、光を焦点に集める導波路型集光手段１４と、当該平面光導波回路１３に対して垂直方向に形成された試料挿入用溝１５とを備え、前記試料挿入用溝１５は前記導波路型集光手段１４による集光位置に沿って設けられ、更に、該集光位置を前記試料挿入用溝１５に沿って移動させる集光位置可変機構２２を設けたことを特徴とする。
【解決手段】制御光発生源１１と平面光導波回路１３とを備え、前記平面光導波回路１３は、光を焦点に集める導波路型集光手段１４と、当該平面光導波回路１３に対して垂直方向に形成された試料挿入用溝１５とを備え、前記試料挿入用溝１５は前記導波路型集光手段１４による集光位置に沿って設けられ、更に、該集光位置を前記試料挿入用溝１５に沿って移動させる集光位置可変機構２２を設けたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小な物体の位置を光の放射圧で制御する光ピンセット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な物体の位置を光の放射圧で制御する光ピンセットは、生物学や医療の分野では生体細胞の非接触操作や細胞融合、あるいは機械分野では微粒子の配列や微小物体の回転駆動など様々な分野で応用範囲が広がっており、さらなる発展が期待されている。
【０００３】
従来の光ピンセット装置の構成を図１９に示す。
図１９に示すように、従来の光ピンセット装置は、光源１９１と、レンズ１９２、ピンホール１９３、レンズ１９４からなる空間モードフィルタと、光路を切り替えるためのミラー１９５と、高ＮＡレンズ１９６と、ステージ１９７から構成されている。
また、ステージ１９７の上にはサンプル１９８がおかれている。
【０００４】
この構成で、光源１９１からの光を急激に絞り込んでサンプル１９８に照射すると、光の放射圧により、サンプル１９８には光の焦点位置付近へと向かう力が働く。
例えばサンプル１９８を生体として、光源１９１の波長を生体による吸収が少ない波長と設定すれば、サンプル１９８の位置を非接触に移動させることができ、これを利用してサンプル１９８の位置を制御したり、力学的な特性を評価したりすることが可能となる。
【０００５】
このような光ピンセット装置は既に市販されており、利用が広がりつつある（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】「シリーズ・光が拓く生命科学 第７巻 生命科学を拓く新しい光技術」日本光生物学協会編 担当編集委員：船津高志 共立出版１９９９／１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光ピンセット装置には以下に述べる問題があった。
第一に、従来の光ピンセット装置は光学系が複雑であるために機械的振動などがある場所では使用できず、また価格も高くなるために、応用先が限定される問題があった。
【０００７】
第二に、従来の光ピンセット装置で複数のサンプルを同時に制御しようとすると、光源を複数用意する必要があり、また光学系も煩雑になる問題があった。
【０００８】
第三に、従来の光ピンセット装置では、ステージを動かすための機械的可動部が必要であり、また移動速度がステージの機械的速度に制限される問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係る光ピンセット装置は、制御光発生源と平面光導波回路とを備え、前記平面光導波回路は、光を焦点に集める導波路型集光手段と、当該平面光導波回路に対して垂直方向に形成された試料挿入用溝とを備え、前記試料挿入用溝は前記導波路型集光手段による集光位置に沿って設けられ、更に、該集光位置を前記試料挿入用溝に沿って移動させる集光位置可変機構を設けたことを特徴とする。このような構成にすることで複雑な光学系が不要な、安価な光ピンセット装置を提供することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係る光ピンセット装置は、請求項１の構成に加えて、前記導波路型集光手段が、前記集光位置可変機構を有する位相変調器アレイと、該位相変調器アレイに光学的に接続されたスラブ光導波路とを備えることを特徴とする。このような構成とすることで、機械的可動部が不要な光ピンセット装置を提供することができる。
【００１１】
また、本発明の請求項３に係る光ピンセット装置は、請求項１の構成に加えて、前記導波路型集光手段が、入力用光導波路と、第一のスラブ光導波路と、該第一のスラブ光導波路に光学的に接続された複数のチャネル光導波路と、該複数のチャネル光導波路に光学的に接続された第二のスラブ光導波路からなることを特徴とする。このような構成としても、機械的可動部が不要な光ピンセット装置を提供することができる。
【００１２】
また、本発明の請求項４に係る光ピンセット装置は、請求項３の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さがＬ０＋ｎΔＬ（Ｌ０、ΔＬはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の整数）を満たすことを特徴とする。このような構成とすることで、集光位置を波長あるいは温度などで制御できる光ピンセット装置を提供できる。
【００１３】
また、本発明の請求項５に係る光ピンセット装置は、請求項３の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さが、ｎが偶数のときにはＬo０＋ｎΔＬo／２（Ｌo０、ΔＬoはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の偶数）を満たし、ｎが奇数のときにはＬe０＋（ｎ＋１）ΔＬe／２（Ｌe０、ΔＬeはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の奇数）を満たし、Ｌo０とＬe０が異なることを特徴とする。このような構成とすることで、集光プロファイルを双方にすることができ、媒質よりも屈折率の低いサンプルをトラップすることが可能となる。
【００１４】
また、本発明の請求項６に係る光ピンセット装置は、請求項５に記載の構成に加えて、ΔＬoとΔＬeが等しいことを特徴とする。このような構成とすることで、波長を変化させてもトラップ特性が変化しない光ピンセット装置を提供できる。
【００１５】
また、本発明の請求項７に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至６の構成に加えて、前記集光位置可変機構が前記平面光導波回路の温度調整により実現されることを特徴とする。このような構成とすることで、機械的可動部を全く必要としない光ピンセット装置を提供できる。
【００１６】
また、本発明の請求項８に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至７の構成に加えて、前記制御光発生源は、前記集光位置可変機構を実現する波長可変手段を有することを特徴とする。このような構成とすることで、波長によりトラップ位置を変化できる光ピンセット装置を提供できる。
【００１７】
また、本発明の請求項９に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至８の構成に加えて、前記制御光発生源が波長の異なる複数の光源と、該複数の光源を多重化する合波手段を備えることを特徴とする。このような構成とすることで、複数のサンプルを同時に独立に制御できる光ピンセット装置を提供できる。
【００１８】
また、本発明の請求項１０に係る光ピンセット装置は、請求項３の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路の光学的長さが全て等しく設定されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項１１に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至１０の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路が位相可変調整手段を備えることを特徴とする。このような構成をとることで、サンプル位置を機械的可動部によらず調整することができる。
【００２０】
また、本発明の請求項１２に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至１１の構成に加えて、前記入力用光導波路と前記第一のスラブ光導波路との間に、光を二分岐する光分岐手段を備えることを特徴とする。このような構成をとることで、集光プロファイルを双方にすることができ、媒質よりも屈折率の低いサンプルをトラップすることが可能となる。
【００２１】
また、本発明の請求項１３に係る光ピンセット装置は、請求項１乃至１２の構成に加えて、前記平面光導波回路がシリコン基板あるいは石英基板上に形成された石英系ガラス光導波路であることを特徴とする。このような構成をとることで、信頼性に優れた光ピンセット装置が提供できる。
【００２２】
また、本発明の請求項１４に係る光ピンセット装置は、請求項１１の構成に加えて、前記位相可変調整手段が薄膜ヒータであることを特徴とする。このような構成をとることで、信頼性に優れた光ピンセット装置が提供できる。
【００２３】
また、本発明の請求項１５に係る光ピンセット装置は、請求項１の構成に加えて、前記試料挿入用溝は複数の試料室を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光ピンセット装置を用いれば、安価で簡易で機械的可動部分が不要な光ピンセット装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明を実施するための最良の形態として、以下の実施形態が挙げられる。
なお、本実施形態において、同一機能を有する部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
さらに、以下の実施形態では平面光導波回路はシリコン基板上に形成された石英系ガラス光導波路であるとした。
【００２６】
これは、このような組合せにすると、安定で加工性に優れた光導波路を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの組合せに限定されるものではなく、これ以外の基板およびガラス膜を用いてももちろん構わない。
【実施例１】
【００２７】
本発明の第一実施形態にかかる光ピンセット装置の構成を図１に示す。
本実施形態は、請求項１，２，１３に係るものである。
即ち、図１に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源１１と、制御光発生源１１からの光を導く光伝送路１２と、光伝送路１２に光学的に接続された平面光導波回路１３から構成されており、平面光導波回路１３は導波路型集光手段１４と試料挿入用溝１５を備えている。
ここで、光伝送路１２としては、光ファイバを用いることができる。
【００２８】
ただし、本発明はこの例に限定されるものではなく、フレキシブル光導波路など他の光伝送路を用いても、勿論構わない。
また、制御光発生源１１としては、Ｎｄ：ＹへＧレーザからの波長１．０６ミクロンの光を用いることができる。これは、この構成を用いると、生体あるいは水による吸収が少なく、効率的に試料をトラップできるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、光源として光ファイバレーザなど他の構成を用いても構わない。
また、波長も１．５５ミクロンなど別の波長を用いても勿論構わない。
【００２９】
本実施形態にかかる光ピンセット装置の平面光導波回路１３の構成を図２に示す。
平面光導波回路１３の入力部にはシリンドリカルレンズ２１が設けられており、これにより光を上下方向に集光して平面光導波路１３に入力される。
広げられた光は位相変調器アレイ２２によって空間的に変調され、スラブ光導波路２３を通って当該平面光導波回路１３に垂直方向に形成された試料挿入用溝２４付近に集光される。
試料挿入用溝２４には試料２５が溶媒とともに入っている。
【００３０】
ここで、図２の本実施形態にかかる光ピンセット装置の平面光導波回路１３では、入力部にシリンドリカルレンズ２１を用いるとした。これは、この構成が光を上下方向だけに集光する簡易な手段を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、このようなシリンドリカルレンズ２１を用いなくても勿論構わない。
【００３１】
また、位相変調器アレイ２２は、例えば液晶空間変調器によって実現することができる。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、例えば平面光導波回路１３上に薄膜ヒータを設けるなど、別の方法によっても勿論実現することができる。
続いて、本発明の第一実施形態にかかる光ピンセット装置の動作について説明する。
制御光発生源１１から出力された光は、シリンドリカルレンズ２１により上下方向に集光される。
これにより試料２５は集光位置へと引き寄せられてトラップされる。
【００３２】
ここで、位相変調器アレイ２２での空間的な光プロファイルと、集光位置での空間的な光プロファイルは互いにフーリエ変換の関係にある。
したがって、位相変調器アレイ２２に空間的に線形な位相シフトを与えると、集光位置での光プロファイルは平行移動する。
【００３３】
すなわち、試料２５のトラップされる位置を、位相変調器アレイ２２に与える位相変化だけで調整できることになる。
このように、本発明の第一実施形態にかかる光ピンセット装置を用いると、光によりトラップされるサンプル位置を、機械的可動部分なしに調整できるので、堅牢な光ピンセット装置を提供することができる。
【実施例２】
【００３４】
本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置の構成を図３に示す。
本実施形態は、請求項１，３，４，８，１３に係るものである。
即ち、図３に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として波長可変レーザ３１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００３５】
さらに、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎがＬｎ＝Ｌ０＋ｎΔＬを満たすように設定した。
ここでＬ０およびΔＬは正の実数である。
【００３６】
本実施形態に係る光ピンセット装置の試料挿入溝２４の断面図を図４に示す。
図４に示すように、シリコン基板４１上に形成されたクラッド４２には、第二のスラブ光導波路３５を横切るように試料挿入用溝２４が設けられている。
試料挿入用溝２４には、試料２５が水２６に浮かぶ形で準備されている。
【００３７】
ここで、図４の本実施形態に係る光ピンセット装置の試料挿入溝２４の断面図では試料２５が水２６に浮かんでいるとしたが、本発明はこの例に限定されるものではなく、溶媒は何でも構わないし、なくても構わない。
続いて、本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置の動作について図を用いて説明する。
【００３８】
図３に示した本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置では、波長可変レーザ３１から出力した制御光は、入力用光導波路３２を経て、第一のスラブ光導波路３３で広げられる。
広げられた光フィールドは、チャネル光導波路３４によって運ばれて第二のスラブ光導波路３５に至る。
第二のスラブ光導波路３５で光フィールドは狭められ、試料挿入用溝２４付近で集光する。
【００３９】
さて、このときの集光位置は、第二のスラブ光導波路３５入口での位相（波面）の傾きにより平行移動する。
位相の傾きは、波長によって異なるので、波長可変レーザ３１の発振波長を変えれば、集光位置が平行移動することになる。
【００４０】
本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図５に示す。ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
このとき、上記説明したように波長可変レーザ３１の発振波長を変化させると、トラップ位置を変化することができる。
【００４１】
本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置の構成を図６に示す。
本実施形態の変形は、請求項１，３，４，８，９，１３に係るものである。
即ち、図６に示すように、本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置の構成に加えて、二つの波長可変光源３１ａ，３１ｂと、二つの可変波長光源３１ａ，３１ｂからの光を合波する波長多重光カプラ６１を備えている。
【００４２】
ここで、図６では、可変波長光源３１の数を２としたが、これは説明の簡単のためであり、可変波長光源３１の数では３でも４でも他の数でも勿論構わないし、本発明はこの例に限定されるものではない。
また、図６では、二つの可変波長光源３１ａ，３１ｂからの光を合波するのに波長多重光カプラ６１を用いるとしたが、これはこの構成が損失の少ない合波手段を提供できるからである。
【００４３】
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、波長無依存の光カプラを用いても良い。
本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置における、２粒子とラップの様子を図７に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
図５に示した本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置における１粒子トラップの場合と同じく、それぞれのトラップ位置は波長によって変化できるので、二つの粒子をそれぞれ独立に位置制御することができる。
【００４４】
このような特性は、例えば２つの物質を接合させるときなどに重要である。
また、本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図８に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、溶媒８１の屈折率より低いとした。
【００４５】
このように試料２５の屈折率が周囲の屈折率より低いときには、試料は光強度が小さなところにトラップされる。
図６に示したように、本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置では、２つの集光点を自由に制御できるので、このように低屈折率の試料２５をトラップすることも可能となる。
【００４６】
本発明の第二実施形態の第二の変形にかかる光ピンセット装置の構成を図９に示す。
本実施形態の変形は、請求項１，３，４，８，１３に係るものである。
【００４７】
即ち、図９に示すように、本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置の構成に加えて、試料挿入用溝２４が複数の試料室９１を有している。
試料挿入用溝２４は等幅でなくても、このように複雑な形状をしていても良い。
このように試料室９１を設けると、試料２５をトラップして試料室９１に分別するといった使い方が可能となる。
【実施例３】
【００４８】
本発明の第三実施形態にかかる光ピンセット装置の構成を図１０に示す。
本実施形態は、請求項１，３，４，７，１３に係るものである。
即ち、図１０に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として狭線幅レーザ１０１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００４９】
さらに、平面光導波回路１３の下部には、温度制御手段１０２が設けられている。
さらに、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎがＬｎ＝Ｌ０＋ｎΔＬを満たすように設定した。
ここでＬ０およびΔＬは正の実数である。
【００５０】
ここで、図１０に示した本発明の第三実施形態にかかる光ピンセット装置では、平面光導波回路１３の下部に温度制御手段１０２があるとしたが、これは下部でなくとも、上部でも勿論構わない。
さて、このときの集光位置は、第二のスラブ光導波路３５入口での位相（波面）の傾きにより平行移動する。
温度制御手段１０２によって平面光導波回路１３の温度を変化させれば複数のチャネル光導波路３４の光学的長さが熱光学効果によって変化するので、位相の傾きが変わり、集光位置が平行移動することになる。
【００５１】
本発明の第三実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図１１に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
このとき、上記説明したように温度制御手段１０２によって平面光導波回路１３の温度を変化させると、トラップ位置を変化することができる。
【実施例４】
【００５２】
本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置の構成を図１２に示す。
本実施形態は、請求項１，３，５，８，１３に係るものである。
即ち、図１２に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として可変波長レーザ３１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００５３】
さらに、平面光導波回路１３の下部には、温度制御手段１０２が設けられている。
第四実施形態に係る光ピンセット装置のアレイ導波路の光学的長さを図１３に示す。
図１３に示すように、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎが、ｎが偶数のときには
Ｌo０＋ｎΔＬo／２
ｎが奇数のときには
Ｌe０＋（ｎ＋１）ΔＬe／２
を満たすように設定されている。ここで、Ｌo０，ΔＬo，Ｌe０，ΔＬeはともに正の実数である。
【００５４】
また、本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置では、ΔＬoとΔＬeは等しいとした。
これは、この構成が可変波長光源３１の発振波長を変化させたときに、二つの集光スポットの距離が変化しない光ピンセット装置を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、ΔＬoとΔＬeは異なっていても勿論構わない。
【００５５】
本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置の、１粒子トラップの様子を図１４に示す。
図１３を用いて説明したように、本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置では、偶数番目と奇数番目とのチャネル光導波路が、異なる波面を創出するので、試料挿入用溝２４付近には二つの集光スポットが生じる。
したがって、試料２５の屈折率が溶媒８１の屈折率よりも低いとすると、この二つの集光スポットで挟み込むように試料をトラップすることができる。
【実施例５】
【００５６】
本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置の構成を図１５に示す。
本実施形態は、請求項１，３，４，８，１２，１３に係るものである。
即ち、図１５に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として波長可変レーザ３１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、光分岐回路１５１と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００５７】
ここで、本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置では、光分岐回路１５１はＹ分岐光回路であるとした。これは、この構成が波長依存性の少ない光分岐回路を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、多モード干渉光カプラや方向性結合器など、他の手段を用いて光分岐回路を実現しても、勿論構わない。
【００５８】
さらに、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎが
Ｌｎ＝Ｌ０＋ｎΔＬ
を満たすように設定した。ここでＬ０およびΔＬは正の実数である。
【００５９】
このように設定されると、第一のスラブ光導波路３３の入力側には、光分岐回路１５１によって、二つのスポットを持つ光フィールドが生成される。
この二つのスポットの空間分布は、複数のチャネル光導波路３４により導かれ、第二のスラブ光導波路３５の出力端にコピーされる。
したがって、この構成により、二つの集光スポットを実現することができる。
本発明の第五実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図１６に示す。
【００６０】
ここで粒子である試料２５の屈折率は、溶媒８１の屈折率より低いとした。
このとき、上記説明したように二つの集光スポットが第二のスラブ光導波路３５の出力端に生成されるので、試料２５をトラップすることができる。
また、波長可変レーザ３１の発振波長を変化させると、トラップ位置を変化することができる。
【実施例６】
【００６１】
本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置の構成を図１７に示す。
本実施形態は、請求項１，３，１０，１１，１３，１４に係るものである。
即ち、図１７に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として狭線幅レーザ１０１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００６２】
また、複数のチャネル光導波路３４は、位相変調器アレイ１７１を各々備えている。
ここで、図１７の本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置では、複数のチャネル光導波路３４は位相変調器アレイ１７１として薄膜ヒータを平面光導波路１３の上に備えて熱光学効果により位相変調を行うとものした。これは、この構成が信頼性に優れた光ピンセット装置を提供できるからである。
【００６３】
しかしながら本発明はこの例に限定されるものではなく、電気光学効果など他の原理を用いた位相変調器アレイを用いても、もちろん構わない。
また、図１７の本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置では、複数のチャネル光導波路３４の長さは互いに等しいものとした。これは、この構成が波長依存性の少ない光ピンセット装置を提供できるからである。
【００６４】
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、複数のチャネル光導波路３４の長さは互いに異なっていてももちろん構わない。
このように、複数のチャネル光導波路３４に位相変調器アレイ１７１を備えると、第二のスラブ光導波路３２の入口側での光の波面を自由に制御できるので、第二のスラブ光導波路３２の出口側でのスポット形状やスポットの数を制御できる。
【００６５】
本発明の第六実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図１８に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
このとき、上記説明したように集光スポットの位置は、複数のチャネル光導波路３４の位相変調器アレイ１７１の制御状態によって制御できるので、試料２５をトラップし、またトラップした位置を変化することができる。
なお、図１７に示した本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置では、スポットの位置を変化するだけではなく、複数のスポットを生成したりすることもできるので、例えば図１６に示したような溶媒よりも低い屈折率を持つ試料のトラップも可能である。
【００６６】
このように説明したように、本発明は、微小な物体の位置を光の放射圧で制御する光ピンセット装置に関するもので、平面光導波回路上に集光手段とその集光位置に沿って試料挿入用の溝を形成した構成に特徴がある。
そして、この集光手段を可変させることにより試料（物体）の位置の制御ができ、さらに、スラブ型光導波路を用いる等により、機械可動部が不要となるなどのさまざまな機能の光ピンセット装置を実現している。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の光ピンセット装置は、生物学や医療の分野では生体細胞の非接触操作や細胞融合、あるいは機械分野では微粒子の配列や微小物体の回転駆動など様々な分野で広く利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第一実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る光ピンセット装置の平面光導波路を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置の平面光導波路の断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態の変形の光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第二実施形態の変形の光ピンセット装置における２粒子トラップの例を表す説明図である。
【図８】本発明の第二実施形態の変形の光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図９】本発明の第二実施形態の第二の変形の光ピンセット装置における試料挿入用溝の構成図である。
【図１０】本発明の第三実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１１】本発明の第三実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１２】本発明の第四実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１３】本発明の第四実施形態に係る光ピンセット装置のアレイ導波路の光学的長さを表すグラフである。
【図１４】第四実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１５】本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１６】本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１７】本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１８】本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１９】従来の光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１１ 制御光発生源
１２ 光伝送路
１３ 平面光導波回路
１４ 導波路型集光手段
１５ 試料挿入用溝
２１ シリンドリカルレンズ
２２ 位相変調器アレイ
２３ スラブ光導波路
２４ 試料挿入用溝
２５ 試料
３１ 可変波長レーザ
３２ 入力用光導波路
３３ 第一のスラブ光導波路
３４ チャネル光導波路
３５ 第二のスラブ光導波路
４１ シリコン基板
４２ クラッド
６１ 波長多重光カプラ
８１ 溶媒
９１ 試料室
１０１ 狭線幅レーザ
１０２ 温度制御手段
１５１ 光分岐回路
１７１ 位相変調器アレイ
１９１ 光源
１９２ レンズ
１９３ ピンホール
１９４ レンズ
１９５ ミラー
１９６ 高ＮＡレンズ
１９７ ステージ
１９８ サンプル
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小な物体の位置を光の放射圧で制御する光ピンセット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な物体の位置を光の放射圧で制御する光ピンセットは、生物学や医療の分野では生体細胞の非接触操作や細胞融合、あるいは機械分野では微粒子の配列や微小物体の回転駆動など様々な分野で応用範囲が広がっており、さらなる発展が期待されている。
【０００３】
従来の光ピンセット装置の構成を図１９に示す。
図１９に示すように、従来の光ピンセット装置は、光源１９１と、レンズ１９２、ピンホール１９３、レンズ１９４からなる空間モードフィルタと、光路を切り替えるためのミラー１９５と、高ＮＡレンズ１９６と、ステージ１９７から構成されている。
また、ステージ１９７の上にはサンプル１９８がおかれている。
【０００４】
この構成で、光源１９１からの光を急激に絞り込んでサンプル１９８に照射すると、光の放射圧により、サンプル１９８には光の焦点位置付近へと向かう力が働く。
例えばサンプル１９８を生体として、光源１９１の波長を生体による吸収が少ない波長と設定すれば、サンプル１９８の位置を非接触に移動させることができ、これを利用してサンプル１９８の位置を制御したり、力学的な特性を評価したりすることが可能となる。
【０００５】
このような光ピンセット装置は既に市販されており、利用が広がりつつある（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】「シリーズ・光が拓く生命科学 第７巻 生命科学を拓く新しい光技術」日本光生物学協会編 担当編集委員：船津高志 共立出版１９９９／１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光ピンセット装置には以下に述べる問題があった。
第一に、従来の光ピンセット装置は光学系が複雑であるために機械的振動などがある場所では使用できず、また価格も高くなるために、応用先が限定される問題があった。
【０００７】
第二に、従来の光ピンセット装置で複数のサンプルを同時に制御しようとすると、光源を複数用意する必要があり、また光学系も煩雑になる問題があった。
【０００８】
第三に、従来の光ピンセット装置では、ステージを動かすための機械的可動部が必要であり、また移動速度がステージの機械的速度に制限される問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係る光ピンセット装置は、制御光発生源と平面光導波回路とを備え、前記平面光導波回路は、光を焦点に集める導波路型集光手段と、当該平面光導波回路に対して垂直方向に形成された試料挿入用溝とを備え、前記試料挿入用溝は前記導波路型集光手段による集光位置に沿って設けられ、更に、該集光位置を前記試料挿入用溝に沿って移動させる集光位置可変機構を設けたことを特徴とする。このような構成にすることで複雑な光学系が不要な、安価な光ピンセット装置を提供することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係る光ピンセット装置は、請求項１の構成に加えて、前記導波路型集光手段が、前記集光位置可変機構を有する位相変調器アレイと、該位相変調器アレイに光学的に接続されたスラブ光導波路とを備えることを特徴とする。このような構成とすることで、機械的可動部が不要な光ピンセット装置を提供することができる。
【００１１】
また、本発明の請求項３に係る光ピンセット装置は、請求項１の構成に加えて、前記導波路型集光手段が、入力用光導波路と、第一のスラブ光導波路と、該第一のスラブ光導波路に光学的に接続された複数のチャネル光導波路と、該複数のチャネル光導波路に光学的に接続された第二のスラブ光導波路からなることを特徴とする。このような構成としても、機械的可動部が不要な光ピンセット装置を提供することができる。
【００１２】
また、本発明の請求項４に係る光ピンセット装置は、請求項３の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さがＬ０＋ｎΔＬ（Ｌ０、ΔＬはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の整数）を満たすことを特徴とする。このような構成とすることで、集光位置を波長あるいは温度などで制御できる光ピンセット装置を提供できる。
【００１３】
また、本発明の請求項５に係る光ピンセット装置は、請求項３の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さが、ｎが偶数のときにはＬo０＋ｎΔＬo／２（Ｌo０、ΔＬoはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の偶数）を満たし、ｎが奇数のときにはＬe０＋（ｎ＋１）ΔＬe／２（Ｌe０、ΔＬeはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の奇数）を満たし、Ｌo０とＬe０が異なることを特徴とする。このような構成とすることで、集光プロファイルを双方にすることができ、媒質よりも屈折率の低いサンプルをトラップすることが可能となる。
【００１４】
また、本発明の請求項６に係る光ピンセット装置は、請求項５に記載の構成に加えて、ΔＬoとΔＬeが等しいことを特徴とする。このような構成とすることで、波長を変化させてもトラップ特性が変化しない光ピンセット装置を提供できる。
【００１５】
また、本発明の請求項７に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至６の構成に加えて、前記集光位置可変機構が前記平面光導波回路の温度調整により実現されることを特徴とする。このような構成とすることで、機械的可動部を全く必要としない光ピンセット装置を提供できる。
【００１６】
また、本発明の請求項８に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至７の構成に加えて、前記制御光発生源は、前記集光位置可変機構を実現する波長可変手段を有することを特徴とする。このような構成とすることで、波長によりトラップ位置を変化できる光ピンセット装置を提供できる。
【００１７】
また、本発明の請求項９に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至８の構成に加えて、前記制御光発生源が波長の異なる複数の光源と、該複数の光源を多重化する合波手段を備えることを特徴とする。このような構成とすることで、複数のサンプルを同時に独立に制御できる光ピンセット装置を提供できる。
【００１８】
また、本発明の請求項１０に係る光ピンセット装置は、請求項３の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路の光学的長さが全て等しく設定されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項１１に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至１０の構成に加えて、前記複数のチャネル光導波路が位相可変調整手段を備えることを特徴とする。このような構成をとることで、サンプル位置を機械的可動部によらず調整することができる。
【００２０】
また、本発明の請求項１２に係る光ピンセット装置は、請求項３乃至１１の構成に加えて、前記入力用光導波路と前記第一のスラブ光導波路との間に、光を二分岐する光分岐手段を備えることを特徴とする。このような構成をとることで、集光プロファイルを双方にすることができ、媒質よりも屈折率の低いサンプルをトラップすることが可能となる。
【００２１】
また、本発明の請求項１３に係る光ピンセット装置は、請求項１乃至１２の構成に加えて、前記平面光導波回路がシリコン基板あるいは石英基板上に形成された石英系ガラス光導波路であることを特徴とする。このような構成をとることで、信頼性に優れた光ピンセット装置が提供できる。
【００２２】
また、本発明の請求項１４に係る光ピンセット装置は、請求項１１の構成に加えて、前記位相可変調整手段が薄膜ヒータであることを特徴とする。このような構成をとることで、信頼性に優れた光ピンセット装置が提供できる。
【００２３】
また、本発明の請求項１５に係る光ピンセット装置は、請求項１の構成に加えて、前記試料挿入用溝は複数の試料室を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光ピンセット装置を用いれば、安価で簡易で機械的可動部分が不要な光ピンセット装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明を実施するための最良の形態として、以下の実施形態が挙げられる。
なお、本実施形態において、同一機能を有する部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
さらに、以下の実施形態では平面光導波回路はシリコン基板上に形成された石英系ガラス光導波路であるとした。
【００２６】
これは、このような組合せにすると、安定で加工性に優れた光導波路を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの組合せに限定されるものではなく、これ以外の基板およびガラス膜を用いてももちろん構わない。
【実施例１】
【００２７】
本発明の第一実施形態にかかる光ピンセット装置の構成を図１に示す。
本実施形態は、請求項１，２，１３に係るものである。
即ち、図１に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源１１と、制御光発生源１１からの光を導く光伝送路１２と、光伝送路１２に光学的に接続された平面光導波回路１３から構成されており、平面光導波回路１３は導波路型集光手段１４と試料挿入用溝１５を備えている。
ここで、光伝送路１２としては、光ファイバを用いることができる。
【００２８】
ただし、本発明はこの例に限定されるものではなく、フレキシブル光導波路など他の光伝送路を用いても、勿論構わない。
また、制御光発生源１１としては、Ｎｄ：ＹへＧレーザからの波長１．０６ミクロンの光を用いることができる。これは、この構成を用いると、生体あるいは水による吸収が少なく、効率的に試料をトラップできるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、光源として光ファイバレーザなど他の構成を用いても構わない。
また、波長も１．５５ミクロンなど別の波長を用いても勿論構わない。
【００２９】
本実施形態にかかる光ピンセット装置の平面光導波回路１３の構成を図２に示す。
平面光導波回路１３の入力部にはシリンドリカルレンズ２１が設けられており、これにより光を上下方向に集光して平面光導波路１３に入力される。
広げられた光は位相変調器アレイ２２によって空間的に変調され、スラブ光導波路２３を通って当該平面光導波回路１３に垂直方向に形成された試料挿入用溝２４付近に集光される。
試料挿入用溝２４には試料２５が溶媒とともに入っている。
【００３０】
ここで、図２の本実施形態にかかる光ピンセット装置の平面光導波回路１３では、入力部にシリンドリカルレンズ２１を用いるとした。これは、この構成が光を上下方向だけに集光する簡易な手段を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、このようなシリンドリカルレンズ２１を用いなくても勿論構わない。
【００３１】
また、位相変調器アレイ２２は、例えば液晶空間変調器によって実現することができる。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、例えば平面光導波回路１３上に薄膜ヒータを設けるなど、別の方法によっても勿論実現することができる。
続いて、本発明の第一実施形態にかかる光ピンセット装置の動作について説明する。
制御光発生源１１から出力された光は、シリンドリカルレンズ２１により上下方向に集光される。
これにより試料２５は集光位置へと引き寄せられてトラップされる。
【００３２】
ここで、位相変調器アレイ２２での空間的な光プロファイルと、集光位置での空間的な光プロファイルは互いにフーリエ変換の関係にある。
したがって、位相変調器アレイ２２に空間的に線形な位相シフトを与えると、集光位置での光プロファイルは平行移動する。
【００３３】
すなわち、試料２５のトラップされる位置を、位相変調器アレイ２２に与える位相変化だけで調整できることになる。
このように、本発明の第一実施形態にかかる光ピンセット装置を用いると、光によりトラップされるサンプル位置を、機械的可動部分なしに調整できるので、堅牢な光ピンセット装置を提供することができる。
【実施例２】
【００３４】
本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置の構成を図３に示す。
本実施形態は、請求項１，３，４，８，１３に係るものである。
即ち、図３に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として波長可変レーザ３１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００３５】
さらに、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎがＬｎ＝Ｌ０＋ｎΔＬを満たすように設定した。
ここでＬ０およびΔＬは正の実数である。
【００３６】
本実施形態に係る光ピンセット装置の試料挿入溝２４の断面図を図４に示す。
図４に示すように、シリコン基板４１上に形成されたクラッド４２には、第二のスラブ光導波路３５を横切るように試料挿入用溝２４が設けられている。
試料挿入用溝２４には、試料２５が水２６に浮かぶ形で準備されている。
【００３７】
ここで、図４の本実施形態に係る光ピンセット装置の試料挿入溝２４の断面図では試料２５が水２６に浮かんでいるとしたが、本発明はこの例に限定されるものではなく、溶媒は何でも構わないし、なくても構わない。
続いて、本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置の動作について図を用いて説明する。
【００３８】
図３に示した本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置では、波長可変レーザ３１から出力した制御光は、入力用光導波路３２を経て、第一のスラブ光導波路３３で広げられる。
広げられた光フィールドは、チャネル光導波路３４によって運ばれて第二のスラブ光導波路３５に至る。
第二のスラブ光導波路３５で光フィールドは狭められ、試料挿入用溝２４付近で集光する。
【００３９】
さて、このときの集光位置は、第二のスラブ光導波路３５入口での位相（波面）の傾きにより平行移動する。
位相の傾きは、波長によって異なるので、波長可変レーザ３１の発振波長を変えれば、集光位置が平行移動することになる。
【００４０】
本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図５に示す。ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
このとき、上記説明したように波長可変レーザ３１の発振波長を変化させると、トラップ位置を変化することができる。
【００４１】
本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置の構成を図６に示す。
本実施形態の変形は、請求項１，３，４，８，９，１３に係るものである。
即ち、図６に示すように、本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置の構成に加えて、二つの波長可変光源３１ａ，３１ｂと、二つの可変波長光源３１ａ，３１ｂからの光を合波する波長多重光カプラ６１を備えている。
【００４２】
ここで、図６では、可変波長光源３１の数を２としたが、これは説明の簡単のためであり、可変波長光源３１の数では３でも４でも他の数でも勿論構わないし、本発明はこの例に限定されるものではない。
また、図６では、二つの可変波長光源３１ａ，３１ｂからの光を合波するのに波長多重光カプラ６１を用いるとしたが、これはこの構成が損失の少ない合波手段を提供できるからである。
【００４３】
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、波長無依存の光カプラを用いても良い。
本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置における、２粒子とラップの様子を図７に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
図５に示した本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置における１粒子トラップの場合と同じく、それぞれのトラップ位置は波長によって変化できるので、二つの粒子をそれぞれ独立に位置制御することができる。
【００４４】
このような特性は、例えば２つの物質を接合させるときなどに重要である。
また、本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図８に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、溶媒８１の屈折率より低いとした。
【００４５】
このように試料２５の屈折率が周囲の屈折率より低いときには、試料は光強度が小さなところにトラップされる。
図６に示したように、本発明の第二実施形態の変形にかかる光ピンセット装置では、２つの集光点を自由に制御できるので、このように低屈折率の試料２５をトラップすることも可能となる。
【００４６】
本発明の第二実施形態の第二の変形にかかる光ピンセット装置の構成を図９に示す。
本実施形態の変形は、請求項１，３，４，８，１３に係るものである。
【００４７】
即ち、図９に示すように、本発明の第二実施形態にかかる光ピンセット装置の構成に加えて、試料挿入用溝２４が複数の試料室９１を有している。
試料挿入用溝２４は等幅でなくても、このように複雑な形状をしていても良い。
このように試料室９１を設けると、試料２５をトラップして試料室９１に分別するといった使い方が可能となる。
【実施例３】
【００４８】
本発明の第三実施形態にかかる光ピンセット装置の構成を図１０に示す。
本実施形態は、請求項１，３，４，７，１３に係るものである。
即ち、図１０に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として狭線幅レーザ１０１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００４９】
さらに、平面光導波回路１３の下部には、温度制御手段１０２が設けられている。
さらに、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎがＬｎ＝Ｌ０＋ｎΔＬを満たすように設定した。
ここでＬ０およびΔＬは正の実数である。
【００５０】
ここで、図１０に示した本発明の第三実施形態にかかる光ピンセット装置では、平面光導波回路１３の下部に温度制御手段１０２があるとしたが、これは下部でなくとも、上部でも勿論構わない。
さて、このときの集光位置は、第二のスラブ光導波路３５入口での位相（波面）の傾きにより平行移動する。
温度制御手段１０２によって平面光導波回路１３の温度を変化させれば複数のチャネル光導波路３４の光学的長さが熱光学効果によって変化するので、位相の傾きが変わり、集光位置が平行移動することになる。
【００５１】
本発明の第三実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図１１に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
このとき、上記説明したように温度制御手段１０２によって平面光導波回路１３の温度を変化させると、トラップ位置を変化することができる。
【実施例４】
【００５２】
本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置の構成を図１２に示す。
本実施形態は、請求項１，３，５，８，１３に係るものである。
即ち、図１２に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として可変波長レーザ３１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００５３】
さらに、平面光導波回路１３の下部には、温度制御手段１０２が設けられている。
第四実施形態に係る光ピンセット装置のアレイ導波路の光学的長さを図１３に示す。
図１３に示すように、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎが、ｎが偶数のときには
Ｌo０＋ｎΔＬo／２
ｎが奇数のときには
Ｌe０＋（ｎ＋１）ΔＬe／２
を満たすように設定されている。ここで、Ｌo０，ΔＬo，Ｌe０，ΔＬeはともに正の実数である。
【００５４】
また、本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置では、ΔＬoとΔＬeは等しいとした。
これは、この構成が可変波長光源３１の発振波長を変化させたときに、二つの集光スポットの距離が変化しない光ピンセット装置を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、ΔＬoとΔＬeは異なっていても勿論構わない。
【００５５】
本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置の、１粒子トラップの様子を図１４に示す。
図１３を用いて説明したように、本発明の第四実施形態にかかる光ピンセット装置では、偶数番目と奇数番目とのチャネル光導波路が、異なる波面を創出するので、試料挿入用溝２４付近には二つの集光スポットが生じる。
したがって、試料２５の屈折率が溶媒８１の屈折率よりも低いとすると、この二つの集光スポットで挟み込むように試料をトラップすることができる。
【実施例５】
【００５６】
本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置の構成を図１５に示す。
本実施形態は、請求項１，３，４，８，１２，１３に係るものである。
即ち、図１５に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として波長可変レーザ３１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、光分岐回路１５１と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００５７】
ここで、本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置では、光分岐回路１５１はＹ分岐光回路であるとした。これは、この構成が波長依存性の少ない光分岐回路を提供できるからである。
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、多モード干渉光カプラや方向性結合器など、他の手段を用いて光分岐回路を実現しても、勿論構わない。
【００５８】
さらに、複数のチャネル光導波路３４の光学的な長さは、最内側のチャネル光導波路から１，２、、、Ｎと番号を付けたときに、ｎ番目のチャネル光導波路の長さＬｎが
Ｌｎ＝Ｌ０＋ｎΔＬ
を満たすように設定した。ここでＬ０およびΔＬは正の実数である。
【００５９】
このように設定されると、第一のスラブ光導波路３３の入力側には、光分岐回路１５１によって、二つのスポットを持つ光フィールドが生成される。
この二つのスポットの空間分布は、複数のチャネル光導波路３４により導かれ、第二のスラブ光導波路３５の出力端にコピーされる。
したがって、この構成により、二つの集光スポットを実現することができる。
本発明の第五実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図１６に示す。
【００６０】
ここで粒子である試料２５の屈折率は、溶媒８１の屈折率より低いとした。
このとき、上記説明したように二つの集光スポットが第二のスラブ光導波路３５の出力端に生成されるので、試料２５をトラップすることができる。
また、波長可変レーザ３１の発振波長を変化させると、トラップ位置を変化することができる。
【実施例６】
【００６１】
本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置の構成を図１７に示す。
本実施形態は、請求項１，３，１０，１１，１３，１４に係るものである。
即ち、図１７に示すように、本実施形態にかかる光ピンセット装置は、制御光発生源として狭線幅レーザ１０１を用いており、また、平面光導波回路１３は、入力用光導波路３２と、第一のスラブ光導波路３３と、複数のチャネル光導波路３４と、第二のスラブ光導波路３５と、試料挿入用溝２４を備えている。
【００６２】
また、複数のチャネル光導波路３４は、位相変調器アレイ１７１を各々備えている。
ここで、図１７の本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置では、複数のチャネル光導波路３４は位相変調器アレイ１７１として薄膜ヒータを平面光導波路１３の上に備えて熱光学効果により位相変調を行うとものした。これは、この構成が信頼性に優れた光ピンセット装置を提供できるからである。
【００６３】
しかしながら本発明はこの例に限定されるものではなく、電気光学効果など他の原理を用いた位相変調器アレイを用いても、もちろん構わない。
また、図１７の本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置では、複数のチャネル光導波路３４の長さは互いに等しいものとした。これは、この構成が波長依存性の少ない光ピンセット装置を提供できるからである。
【００６４】
しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、複数のチャネル光導波路３４の長さは互いに異なっていてももちろん構わない。
このように、複数のチャネル光導波路３４に位相変調器アレイ１７１を備えると、第二のスラブ光導波路３２の入口側での光の波面を自由に制御できるので、第二のスラブ光導波路３２の出口側でのスポット形状やスポットの数を制御できる。
【００６５】
本発明の第六実施形態にかかる光ピンセット装置における、１粒子トラップの様子を図１８に示す。
ここで粒子である試料２５の屈折率は、水２６の屈折率より高いとした。
このとき、上記説明したように集光スポットの位置は、複数のチャネル光導波路３４の位相変調器アレイ１７１の制御状態によって制御できるので、試料２５をトラップし、またトラップした位置を変化することができる。
なお、図１７に示した本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置では、スポットの位置を変化するだけではなく、複数のスポットを生成したりすることもできるので、例えば図１６に示したような溶媒よりも低い屈折率を持つ試料のトラップも可能である。
【００６６】
このように説明したように、本発明は、微小な物体の位置を光の放射圧で制御する光ピンセット装置に関するもので、平面光導波回路上に集光手段とその集光位置に沿って試料挿入用の溝を形成した構成に特徴がある。
そして、この集光手段を可変させることにより試料（物体）の位置の制御ができ、さらに、スラブ型光導波路を用いる等により、機械可動部が不要となるなどのさまざまな機能の光ピンセット装置を実現している。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の光ピンセット装置は、生物学や医療の分野では生体細胞の非接触操作や細胞融合、あるいは機械分野では微粒子の配列や微小物体の回転駆動など様々な分野で広く利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第一実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る光ピンセット装置の平面光導波路を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置の平面光導波路の断面図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態の変形の光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第二実施形態の変形の光ピンセット装置における２粒子トラップの例を表す説明図である。
【図８】本発明の第二実施形態の変形の光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図９】本発明の第二実施形態の第二の変形の光ピンセット装置における試料挿入用溝の構成図である。
【図１０】本発明の第三実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１１】本発明の第三実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１２】本発明の第四実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１３】本発明の第四実施形態に係る光ピンセット装置のアレイ導波路の光学的長さを表すグラフである。
【図１４】第四実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１５】本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１６】本発明の第五実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１７】本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【図１８】本発明の第六実施形態に係る光ピンセット装置における１粒子トラップの例を表す説明図である。
【図１９】従来の光ピンセット装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１１ 制御光発生源
１２ 光伝送路
１３ 平面光導波回路
１４ 導波路型集光手段
１５ 試料挿入用溝
２１ シリンドリカルレンズ
２２ 位相変調器アレイ
２３ スラブ光導波路
２４ 試料挿入用溝
２５ 試料
３１ 可変波長レーザ
３２ 入力用光導波路
３３ 第一のスラブ光導波路
３４ チャネル光導波路
３５ 第二のスラブ光導波路
４１ シリコン基板
４２ クラッド
６１ 波長多重光カプラ
８１ 溶媒
９１ 試料室
１０１ 狭線幅レーザ
１０２ 温度制御手段
１５１ 光分岐回路
１７１ 位相変調器アレイ
１９１ 光源
１９２ レンズ
１９３ ピンホール
１９４ レンズ
１９５ ミラー
１９６ 高ＮＡレンズ
１９７ ステージ
１９８ サンプル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御光発生源と平面光導波回路とを備え、前記平面光導波回路は、光を焦点に集める導波路型集光手段と、当該平面光導波回路に対して垂直方向に形成された試料挿入用溝とを備え、前記試料挿入用溝は前記導波路型集光手段による集光位置に沿って設けられ、更に、該集光位置を前記試料挿入用溝に沿って移動させる集光位置可変機構を設けたことを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光ピンセット装置であり、前記導波路型集光手段が、前記集光位置可変機構を有する位相変調器アレイと、該位相変調器アレイに光学的に接続されたスラブ光導波路とを備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光ピンセット装置であり、前記導波路型集光手段が、入力用光導波路と、第一のスラブ光導波路と、該第一のスラブ光導波路に光学的に接続された複数のチャネル光導波路と、該複数のチャネル光導波路に光学的に接続された第二のスラブ光導波路からなることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さがＬ０＋ｎ△Ｌ（Ｌ０、△Ｌはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の整数）を満たすことを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項５】
請求項３に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さが、ｎが偶数のときにはＬo０＋ｎ△Ｌo／２（Ｌo０、△Ｌoはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の偶数）を満たし、ｎが奇数のときにはＬe０＋（ｎ＋１）△Ｌe／２（Ｌe０、△Ｌeはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の奇数）を満たし、Ｌo０とＬe０が異なることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光ピンセット装置であり、△Ｌoと△Ｌeが等しいことを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項７】
請求項３，４，５又は６に記載の光ピンセット装置であり、前記集光位置可変機構が前記平面光導波回路の温度調整により実現されることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項８】
請求項３，４，５，６又は７に記載の光ピンセット装置であり、前記制御光発生源は、前記集光位置可変機構を実現する波長可変手段を有することを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項９】
請求項３，４，５，６，７又は８に記載の光ピンセット装置であり、前記制御光発生源が波長の異なる複数の光源と、該複数の光源を多重化する合波手段を備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１０】
請求項３に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路の光学的長さが全て等しく設定されていることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１１】
請求項３，４，５，６，７，８，９又は１０に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路が位相可変調整手段を備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１２】
請求項３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１に記載の光ピンセット装置であり、前記入力用光導波路と前記第一のスラブ光導波路との間に、光を二分岐する光分岐手段を備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１３】
請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２に記載の光ピンセット装置であり、前記平面光導波回路がシリコン基板あるいは石英基板上に形成された石英系ガラス光導波路であることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の光ピンセット装置であり、前記位相可変調整手段が薄膜ヒータであることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の光ピンセット装置であり、前記試料挿入用溝は複数の試料室を有することを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１】
制御光発生源と平面光導波回路とを備え、前記平面光導波回路は、光を焦点に集める導波路型集光手段と、当該平面光導波回路に対して垂直方向に形成された試料挿入用溝とを備え、前記試料挿入用溝は前記導波路型集光手段による集光位置に沿って設けられ、更に、該集光位置を前記試料挿入用溝に沿って移動させる集光位置可変機構を設けたことを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光ピンセット装置であり、前記導波路型集光手段が、前記集光位置可変機構を有する位相変調器アレイと、該位相変調器アレイに光学的に接続されたスラブ光導波路とを備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光ピンセット装置であり、前記導波路型集光手段が、入力用光導波路と、第一のスラブ光導波路と、該第一のスラブ光導波路に光学的に接続された複数のチャネル光導波路と、該複数のチャネル光導波路に光学的に接続された第二のスラブ光導波路からなることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さがＬ０＋ｎ△Ｌ（Ｌ０、△Ｌはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の整数）を満たすことを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項５】
請求項３に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路を一端から順に１，２、、、Ｎ（Ｎは２以上の整数）と番号を付けたとき、ｎ番目のチャネル光導波路の光学的長さが、ｎが偶数のときにはＬo０＋ｎ△Ｌo／２（Ｌo０、△Ｌoはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の偶数）を満たし、ｎが奇数のときにはＬe０＋（ｎ＋１）△Ｌe／２（Ｌe０、△Ｌeはともに正の実数、ｎは１以上Ｎ以下の奇数）を満たし、Ｌo０とＬe０が異なることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光ピンセット装置であり、△Ｌoと△Ｌeが等しいことを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項７】
請求項３，４，５又は６に記載の光ピンセット装置であり、前記集光位置可変機構が前記平面光導波回路の温度調整により実現されることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項８】
請求項３，４，５，６又は７に記載の光ピンセット装置であり、前記制御光発生源は、前記集光位置可変機構を実現する波長可変手段を有することを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項９】
請求項３，４，５，６，７又は８に記載の光ピンセット装置であり、前記制御光発生源が波長の異なる複数の光源と、該複数の光源を多重化する合波手段を備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１０】
請求項３に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路の光学的長さが全て等しく設定されていることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１１】
請求項３，４，５，６，７，８，９又は１０に記載の光ピンセット装置であり、前記複数のチャネル光導波路が位相可変調整手段を備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１２】
請求項３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１に記載の光ピンセット装置であり、前記入力用光導波路と前記第一のスラブ光導波路との間に、光を二分岐する光分岐手段を備えることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１３】
請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２に記載の光ピンセット装置であり、前記平面光導波回路がシリコン基板あるいは石英基板上に形成された石英系ガラス光導波路であることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の光ピンセット装置であり、前記位相可変調整手段が薄膜ヒータであることを特徴とする光ピンセット装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の光ピンセット装置であり、前記試料挿入用溝は複数の試料室を有することを特徴とする光ピンセット装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００６−３０４２７（Ｐ２００６−３０４２７Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０６８３３（Ｐ２００４−２０６８３３）
【出願日】平成１６年７月１４日（２００４．７．１４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１４日（２００４．７．１４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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