【レーザ】光ピンセット

概要

光ピンセットは光トラップとも呼ばれている。簡単な仕組みとしては、光子の散乱による運動量伝達により、マイクロメートルほどの粒子を止める力が発生し、粒子をとどめる。

構成

レーザ光源

光ピンセットの構成はいくつかの主要な要素から成り立っている。以下に、典型的な光ピンセットの構成要素を説明する。

コリメーションレンズ

レーザーから出力される光は拡がっているため、コリメーションレンズが使用されて光を平行にする。この作業には2枚のミラーを使用する。なぜならば、光は3次元に存在し、光をベクトルと考えると二点が決定されないとそのベクトルが定義されないからである。すなわち、ある光に対して平行な光を作成するとなると2枚以上のミラーが必要なのである。これにより、光ピンセットの効率が向上し、捕捉される物体への光の集光がより効果的になる。

ハイブリッド光学系

光ピンセットの光学系は、レーザー光を操作するための複雑な光学要素から構成される。この中には、ビームスプリッター、ミラー、レンズ、および偏光フィルターなどが含まれる。これらの要素は、光の経路や特性を制御し、捕捉される物体の位置や移動を調整する。

検出および制御システム

光ピンセットは、捕捉された物体の位置や動きを検出し、必要に応じて制御するための検出および制御システムが不可欠である。これには、光検出器、カメラ、およびコンピューター制御装置が含まれる。これらのシステムは、捕捉された物体を追跡し、外部の操作者や自動化されたアルゴリズムによって制御されることもある。これらの要素が組み合わさり、光ピンセットは微小な物体の捕捉と操作を可能にする。

これらの要素が組み合わさり、光ピンセットは微小な物体の捕捉と操作を可能にする。

特徴

非接触性操作

光ピンセットは、物体を捕捉するためにレーザー光を使用するため、物体との接触が必要ない。ゆえに、微小な物体を傷つけることなく操作することが可能である。特に生物学や医学の分野では、細胞や生体分子などのデリケートな物体を扱う際に有用である。

高い精度と制御性

光ピンセットは、レーザー光を用いて微小な物体を捕捉し、その位置や動きを制御することができる。レーザー光の集光により、非常に高い精度で物体を操作することが可能である。また、捕捉された物体の位置や動きをリアルタイムで追跡し、必要に応じて制御することができる。

非常に小さいスケールでの操作

光ピンセットは、ナノスケールからマイクロスケールの物体を捕捉して操作することができる。よって、微小な構造体や粒子などの研究において、非常に有用だ。

光ピンセットのこれらの特徴により、微小な物体の操作や研究において非常に有用なツールとなっている。そのため、生物学、医学、物理学、化学などのさまざまな分野で幅広く活用されている。

歴史

• 1986年 – アーサー・アシュキンの開発: アーサー・アシュキンは、レーザー光を用いて微小な物体を捕捉する手法を開発した。この手法は後に「光ピンセット」として知られるようになった。アシュキンはこの成果により、2018年にノーベル物理学賞を受賞した。
• 1987年以降 – 応用の拡大: 生物学や医学の分野では、細胞や生体分子などの微小な物体を捕捉して操作するためのツールとして広く利用されるようになった。また、物理学や化学の分野でも、微粒子やナノ構造体などの研究に役立ていた。
• 1990年代以降 – 技術の改善と発展:
• 1990年代以降、光ピンセットの技術はさらに発展し、その性能や精度が向上した。レーザー技術の進歩や光学機器の改良により、より高速で高精度な操作が可能になった。また、光ピンセットの応用範囲も拡大し、さまざまな研究分野で活用されるようになった。
• 2000年代以降 – 商業化と普及:
• 2000年代以降、光ピンセットの技術は商業化され、研究室や産業界で広く普及した。さまざまなメーカーから光ピンセットの商用システムが販売されるようになり、研究者や技術者が容易に利用できるようになった。

参考

• 光ピンセットとは