レーザトラッピング ( Laser trapping ) とは、レーザ光によって物質に作用する光放射圧 ( Optical radiation pressure ) を利用して微小物体を非接触に捕捉・操作する技術の総称である。

詳細

光子の運動量変化に起因して作用する光放射圧は、その存在はニュートンによって既に予想されており、1901年P. Lebedevによって初めて実験的に測定された。光放射圧を利用して微小物体を捕捉・操作するレーザトラッピング ( Laser trapping ) 技術（Optical trappingやOptical tweezersとも呼ばれる）は、1970年にアメリカ合衆国ベル研究所のA. Ashkinらによって初めて実現された^[1]（2018年にはノーベル物理学賞を受賞している）。以降、注目を集め幅広い分野で応用と研究が進んでいる。

物体に作用する光圧

光放射圧として微小物体を捕捉する力には、電磁場の強度勾配によって発生する勾配力と、光の進行方向に発生する散乱力がある。例えば、透過物体を対象とする時、両者のうち、物体のサイズが波長より小さいナノメートルオーダになると勾配力が、波長と同等以上のマイクロメートルオーダになると散乱力が支配的となり、物体サイズに応じてうまく光放射圧を作用させる必要がある。力の大きさは、典型的にはnN（ナノニュートン）からpN（ピーコニュートン）のオーダである。

種類

応用

レーザトラッピングは、様々な研究分野でよく用いられており、生物や応用物理の分野で、細胞やナノ粒子のマニピュレーションに用いられている。現在では細胞のマニピュレーション装置は一般に市販されている。生物学や応用物理学などでよく用いられてきたが、最近では大気中でもレーザトラッピングを可能にする技術が進んでおり^[9,10]、その応用の幅が広がってきている。精密工学の分野では、マイクロ粒子断層像計測技術^[11]、三次元座標測定器の位置検出プローブ^[5,12]、表面形状計測^[13]、表面微細形状観察^[14]、ナノ/マイクロスケール付加製造技術^[15,16]、マイクロ粒子の配列やアセンブリ^[17,18]、微粒子の質量計測^[19]など先端の精密加工計測において積極的に応用されている。

関連項目

• エバネッセント光

引用

1. A. Ashkin (1970) Acceleration and trapping of particles by radiation pressure, Physical review letters, 24 (4) 156
2. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chu (1986) Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, Optics letters, 11 (5) 288
3. A. Ashkin, J.M. Dziedzic (1971) Optical levitation by radiation pressure, Applied physics letters, 19 (8) 283
4. M. Gu, J.-B. Haumonte, Y. Micheau, J.W.M. Chon, X. Gan. (2004) Laser trapping and manipulation under focused evanescent wave illumination, Applied physics letters, 84 (21) 4236
5. S.I. Eom, Y. Takaya, T. Hayashi (2009) Novel contact probing method using single fiber optical trapping probe, Precision Engineering, 33 (3) 235.
6. P. Zemánek, A. Jonáš, L. Šrámek, M. Liška (1999) Optical trapping of nanoparticles and microparticles by a Gaussian standing wave, Optics letters, 24 (21) 1448
7. A. Ivinskaya, M.I. Petrov, A.A Bogdanov, I. Shishkin, P. Ginzburg, A.S Shalin (2017) Plasmon-assisted optical trapping and anti-trapping. Light Science & Applications, 6, e16258.
8. G. Sinclair, P. Jordan, J. Courtial, M. Padgett, J. Cooper, Z. J. Laczik (2004) Assembly of 3-dimensional structures using programmable holographic optical tweezers, Optics express, 12 (22) 5475
9. 道畑正岐，林 照剛，高谷裕浩 (2014) 表面微細構造基板を用いた大気中レーザトラッピング技術，精密工学会誌，80 (4) 382.
10. M. Michihata, T. Yoshikane, T. Hayashi, Y. Takaya (2013) New technique for single-beam gradient-force optical trapping in air, International Journal of Optomechatronics, 7 (1) 46. 
11. 八十川利樹, 石丸伊知郎, 小林宏明, 石崎勝己 (2005) 近接2光束ピンセットによるマイクロ粒子断層像計測技術，精密工学会誌, 71 (12) 1595
12. M. Michihata, Y. Takaya, T. Hayashi (2008) Development of the nano-probe system based on the laser trapping technique, Annals of the CIRP, 57 (1) 493.
13. M. Michihata, S. Ueda, S. Takahashi, K. Takamasu, Y. Takaya (2017) Scanning dimensional measurement using laser-trapped microsphere with optical standing-wave scale” Optical Engineering, 56 (6) 064103.
14. M. Michihata, J. Kim, S. Takahashi, K. Takamasu, Y. Mizutani, Y. Takaya (2018) Surface imaging technique by an optically trapped microsphere in air condition, Nanomanufacturing and metrology, 1 (1) 32.
15. T. Matsuura, T. Takai, F. Iwata (2017) Local electrophoresis deposition assisted by laser trapping coupled with a spatial light modulator for three-dimensional microfabrication. Japanese Journal of Applied Physics, 56 (10) 105502.
16. M. Michihata, M. Yokei, S. Kadoya, S. Takahashi (2020) Micro-scale additive manufacturing using the optical potential generated by a Bessel beam, Nanomanufacturing and Metrology, 3 (4) 292.
17. 古谷成康，増井周造，道畑正岐，高増 潔，高橋 哲 (2018) 局在光制御によるセルインマイクロファクトリに関する基礎的研究 (第三報) -FDTD法によるマイクロ粒子の整列駆動現象の解明-，2018年度精密工学会学術講演会秋季大会講演論文集，pp. 533-534.
18. 池野順一，澤木大輔，森 幸博，堀内 宰 (1998) レーザ光線を利用した3次元微小構造物の組立技術に関する研究 (第1報　空中における微粒子の操作法と組立法の提案)，日本機械学会論文集 (C編)，64, 4434.
19. 針山達雄, 高谷裕浩, 三好隆志 (2005) 振動レーザトラップによる超高感度微粒子質量計測に関する研究，2005年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，pp.485

執　筆 ： 道畑　正岐