Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
本研究では、光ピンセットに情報技術を取り入れ、これまでの物理限界と考えられて来た制約を越えた光ピンセット技術を創出することを研究の目的とする。光ピンセットでは、光を用いるメリットを生かしながらも光の物理的限界による制限も受けて来た。スポットは波長の2分の１よりは小さくならず、スポットから外れた対象物には有効な捕捉力を与えられない。また光の散乱効率は対象物が波長より小さくなると急速に小さくなり、発生する放射圧も小さくなる。本研究では、これらの制限を対象物の状態に応じた制御を行うことで克服する。さらに、近年勃興して来た人工知能等の新たな情報技術を取り入れ、最新技術で何が実現可能かを示していく。
本研究では、光ピンセットに情報技術を取り入れることで、これまでの物理限界と考えられてきた制約を越えた光ピンセット技術を創出することを研究の目的としており、１）捕捉対象物のサイズの限界、２）対象物のブラウン運動による落下、３）光軸方向のトラップ力が小さい、４）対象物を捕捉する際の発生力の限界と照射光強度を高くした際の熱発生によるダメージ、の各制約について解決できる手法の開発に取り組んだ。具体的には、捕捉された微小物体の動きを3次元計測し、その動きの情報を用いてフィードバック安定化するために、A）光ピンセットレーザーの強度へフィードバックする手法、B）ガルバノミラーを用いて微小物体の水平方向の移動にも追随させて不安定にならないようにする手法、C）可変焦点距離レンズを用いて光ピンセットレーザーの集光位置を光軸方向に移動させる手法について検討した。ガルバノミラーにはこれまでよりも高速で応答するものを導入し、可変焦点距離レンズには電気式可変焦点距離レンズを導入し、光ピンセット光学系へ実装した。またレーザー光強度の調整は従来から使用してきた音響光学素子を用いた。それぞれのフィードバック信号を生成するためにディジタルフィルターを用い、それぞれの応答速度に合わせた周波数特性を持つフィルターを設計して同時にフィードバック動作させた。研究期間の間には粒径1μmのポリスチレン粒子を操作対象として、照射光強度を通常の100分の1程度まで低下させて不安定な状態を作りだした上で、捕捉を継続できる時間を評価し、捕捉継続時間を従来の2倍程度まで長くできることを確認した。本検証実験により、物理的制約のうち２～４については本手法により解決可能であることが示せた。捕捉対象物のサイズについての限界は今後の課題である。
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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