Optical rotational drive of microscopic objects using axially symmetric polarization elements

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K18829
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: 岡 和彦 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (00194324)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 陳 暁帥 弘前大学, 理工学研究科, 助教 (40812277)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: リング状光格子 / 軸対称偏光素子 / 光駆動

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、微小物体を顕微鏡下で光により回転駆動する新たな方法について、その基本特性を実験と理論の両面から明らかにすることにある。我々が独自に発案したこの光駆動法では、軸対称な構造を持つ偏光素子によって生成されたリング状光格子と呼ばれる特殊なレーザー光を用いる。このリング状光格子には、断面に環状に配置された複数の光スポットが含まれる。さらにこの光格子は、電気光学変調器を使ったレーザー光の偏光変調を用いて、中心軸のまわりに自在に回転させることができる。この光を顕微鏡下で微小物体に照射すると、環状の光スポットによってこの部品を多点で同時に捕捉することができる。この状態でリング状光格子を光軸のまわりに回転させれば、その微小物体も同時に回転できる。本研究で提案するこの方法を使えば、微小物体の回転方向、回転速度、回転加速度などを様々に、かつ容易に制御できるようになる。さらには長時間所望の角度で静止させることも可能なので、あたかもサーボモーターのような精密位置決めに用いることもできる。
本研究では、はじめに微粒子を対象とした基礎実験によって原理の有効性を確認したが、当初は再現性が乏しく回転が安定しなかった。そこでこの回転安定性を阻害する要因について理論と実験の両面から解析し、最終的にレーザー光源に起因する非点収差と顕微鏡光学系の不完全さに起因するコマ収差がこの主な原因であることを突き止めた。さらに、実験系でこれらの波面収差を十分に低減させることにより、微粒子の回転制御を安定させることに成功した。併せて、多光子吸収に基づく光造形法を用いて作成した微小回転子を使って不完全ながら回転子の制御を観察することに成功した。