トポロジカルフォトニクスによる光駆動マイクロマシンの探究

使用拓扑光子学探索光驱动微型机器

• 批准号: 20651037
• 负责人: 丸尾 昭二
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-20651037/
• 关键词: マイクロマシン; 光トラッピング; マイクロ光造形

本研究では、空間的に位相が制御された特異な光(ラゲール・ガウスビーム:LG beam)が有する軌道角運動量と、幾何学的にデザインされた微小回転体の相互作用を解明し、レーザー光の力(放射圧)によって駆動するマイクロマシンの究極の姿を探究することを目的としている。本年度は、これまでに我々が開発してきたスパイラルロータを用いたマイクロポンプの開発と、この光回転ロータの形状最適化に関する研究に取り組んだ。まず、湾曲流路内に2つのスパイラルロータを配置し、それらを空間光変調素子を用いて形成した複数焦点スポットによって同時に高速回転駆動する駆動システムを構築した。そして、実際に2つのロータを同時回転させることで、従来実現されていなかったマイクロ微小物体の長距離輸送を可能とした。このようなマイクロポンプは、セルソータなどへの応用が期待される。また、スパイラルロータの回転性能を上回るロータ形状について検討した。具体的には、有限差分時間領域法(FD-TD法)に基づく解析プログラムを開発し、従来ロータの回転数を数十倍に増強可能なロータ形状を見出した。さらに、実際に、解析によって見出したロータ形状を2光子マイクロ光造形法によって造形するために、造形条件の最適化と高分解能化を行い、150nm程度の線幅でアスペクト比の高いロータを形成できる条件を決定した。今後、この最適条件でロータを実際に試作し、光駆動実験を行う予定である。

在这项研究中，我们阐明了相位受空间控制的独特光（拉盖尔高斯光束：LG光束）的轨道角动量与几何设计的微小旋转体之间的相互作用，目的是探索微机械的终极形式由力（辐射压力）驱动。今年，我们致力于使用迄今为止开发的螺旋转子开发微型泵，并研究优化该光学旋转转子的形状。首先，我们将两个螺旋转子放置在弯曲的流道中，并构建了一个驱动系统，利用空间光调制元件形成的多个焦点同时驱动它们高速旋转。实际上，通过同时旋转两个转子，长距离运输微观物体成为可能，这在以前是不可能的。这种微型泵有望应用于细胞分选仪等。我们还研究了超越螺旋转子旋转性能的转子形状。具体来说，我们开发了基于时域有限差分法（FD-TD法）的分析程序，并发现了一种可以将传统转子的转速提高数十倍的转子形状。此外，为了实际对通过双光子微立体光刻分析得出的转子形状进行建模，我们优化了建模条件并提高了分辨率，从而可以形成具有高深宽比和线宽约150的转子nm.条件已经决定了。未来，我们计划在这些最佳条件下实际制作转子原型并进行光驱实验。

项目成果

ラゲールガウスビームを用いたマイクロ構造体の光駆動

使用拉盖尔高斯光束对微结构进行光学驱动

• 发表时间: 2009
• 作者: 斉藤洋平;丸尾昭二
• 通讯作者: 丸尾昭二

Optically driven micropump with a twin spiral microrotor

• DOI: 10.1364/oe.17.018525
• 发表时间: 2009-10-21
• 期刊: OPTICS EXPRESS
• 影响因子: 3.8
• 作者: Maruo, Shoji;Takaura, Akira;Saito, Yohei
• 通讯作者: Saito, Yohei

ラゲールガウスビームを用いた光マニピュレーシヨン

使用拉盖尔高斯光束进行光学操纵

• 发表时间: 2008
• 作者: 斉藤洋平;丸尾昭二
• 通讯作者: 丸尾昭二

A viscous micropump using a spinning microrotor driven by a Laguerre-Gaussian beam

使用由拉盖尔高斯光束驱动的旋转微转子的粘性微泵

• 发表时间: 2009
• 作者: S.Maruo;Y.Saito
• 通讯作者: Y.Saito