옵티컬 그래디언트 포스 인가장치

옵티컬 그래디언트 포스 인가장치{APPARATUS FOR APPLYING OPTICAL GRADIENT FORCES}

본 발명은 국립과학재단(National Science Foundation)에 의하여 수여되는 계약 제 DMR-9320278호, 계약 제 DMR-9400379호에 의거한 MRSEC 프로그램 및 교육부(Department of Education)의 GAANN 펠로우쉽에 의거하여 미합중국 정부의 지원으로 이루어졌다. 미합중국 정부는 또한, 제 NSFDMR-978031호 및 제 NSFDMR-980595호 계약에 의거한 기금과 관련한 발명에 대한 특정 권리도 가진다.

본 발명은 광학 트랩(optical trap)을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 광학 트랩 어레이를 동적으로 제어하고, 제어가능하도록 광학 트랩 어레이를 입자(particle)로 채우는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 방법 및 장치는 광학 트랩의 위치 및 각 광학 트랩의 세기(strength)와 크기를 동적으로 변경할 수 있도록 하며, 실험 및 양산의 목적으로 광학 트랩을 사용하기 위한 제어되는 적합화(adaptation) 및 피드백을 가능케 한다.

빛의 단일 빔(beam)으로부터의 옵티컬 그래디언트 포스(optical gradient force)를 이용하여, 자기의 굴절률보다도 작은 굴절률을 가지는 유체 내에 담긴 유전성(dielectric) 소립자의 위치를 조종하는 광학집게(optical tweezer)를 구현하 는 것은 공지되어 있다. 광학집게 기술은 반사, 흡수 및 저유전상수 입자의 조종을 실현하도록 보급되어 왔다.

현행의 시스템은 따라서 빛의 단일 빔을 이용하여 단일 입자를 조종함으로써 단일 광학 트랩을 생성할 수 있다. 복수의 입자를 그러한 시스템으로 조종하기 위하여, 복수의 빔이 적용되어야 한다. 종래 기술에 의한 광학집게 방법론을 이용하여 신장된 다중빔 트랩(extended multiple-beam trap)을 생성함에 있어서의 난점은, 많은 잠재적인 상업적 적용분야, 가령 전자, 광자 및 광전자 장치나 화학적,생물학적 분석에서의 사용을 위한 화학적 센서 어레이 및 홀로그래픽 및 컴퓨터 저장 매트릭스를 포함하는 나노합성 물질(nanocomposite material)을 제조하고 가공하는 분야에 있어서의 사용을 저해한다는 것이다.

본 발명은, 복수의 광학 트랩을 구현하는 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적 중 하나는, 광학 트랩 및 소립자 어레이를 제어하는 독창적인 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 광학 트랩의 동적 제어를 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 광학 트랩 및/또는 입자 어레이의 연속적인 형성(sequential formation)을 위한 독창적인 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 부가적인 목적은, 광학 트랩의 크기, 형상 및 세기의 동적 제어를 행하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 광학 트랩 구성의 동적 제어를 위한 홀로그래픽 패턴을 컴퓨터로 생성하는 독창적인 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 광학 트랩 어레이의 동적 제어를 위하여 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 레이저 빔에 적용하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 부가적인 목적은, 특정 광학 트랩 어레이의 시변 형성(time varying formation)을 위하여 레이저빔을 선택적으로 통과시키는 기계장치를 적용하는 독창적인 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 광학 트랩으로의 향상된 입자 흐름 및 광학 트래핑을 위한 상이한 입자의 선택적 출력을 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 제어되는 광학 트랩 어레이를 이용하여 생물학적 매체를 진단 및 가공하는 새로운 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 복수의 광학 트랩을 구현하기 위한 광선의 구성을 형성하기 위하여 회절 광학(diffractive optics)으로 빛의 단일 빔을 이용하는 독창적인 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 부가적인 목적은, 복수의 입자 또는 기타 광학 매체를 제어하기 위한 옵티컬 그래디언트 필드를 생성하기 위하여 홀로그램을 이용하는 독창적인 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 광자 회로(photonic circuit) 제조, 나노합성 물질 응용, 전자 소자 제조, 광전자(opto-electronic) 장치, 화학 및 생물학적 센서 어레이, 홀로그래픽 데이터 저장 매트릭스 어셈블리, 결합화학 응용(combinatorial chemistry application)의 촉진, 콜로이드성 자기결합(colloidal self-assembly)의 촉진 및 생물학적 재료의 가공 등과 같이, 소립자 가공과 관련된 다양한 상업적 응용을 위한 복수의 광학 트랩을 구현하기 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 시간적·공간적으로 변화하는 옵티컬 그래디언트 필드의 상업적 응용을 위한 구성을 구축하기 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 유전성 재료를 가공하기 위한 시변 및/또는 특정 중 선택 가능한 광학 트랩의 공간적 배열을 구축하기 위한 하나 또는 그 이상의 회절 광학소자(diffractive optical element)에 관련된 하나 또는 그 이상의 레이저 빔을 이용하기 위한 독창적인 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 단일 입력 레이저 빔, 회절 광학소자 및 발산 및/또는 수렴 렌즈를 이용하여 정적 또는 동적 광학 트랩을 형성하는 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 사용자가 직접 관측 가능한 광학 트랩 어레이를 구축하는 독창적인 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다양한 산업상 응용을 위하여, 광학 트랩 어레이 를 스캔할 수 있는 빔 스캐닝 시스템에 회절 광학소자에 대한 레이저 빔 입력을 채택하는 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 레이저 빔, 회절 광학소자 및 발산 또는 수렴 광학 시스템을 사용하는 광학 트랩 구성을 구축하여, 대물렌즈 초점 평면에 대응하여 선택가능한 위치에서 트랩 구성을 형성하기 위한 독창적인 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 레이저 빔 및 비스듬히 배치된 회절 광학소자를 이용하여 광학 트랩 배열을 구축함에 있어서 회절된 광학 빔만을 효율적으로 사용할 수 있도록 회절되지 않은 빔을 여과하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 회절 광학소자로의 레이저 빔 입력을 이용하여, 대물렌즈의 초점 평면으로부터 적어도 광학 트랩의 2차원 배치를 생성하기 위한 독창적인 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 광학 트랩 어레이를 스캔하기 위한 복수의 현미경 렌즈와 관련하여 광선과 회절 광학을 채택하는 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 부가적인 목적은, 소진폭 진동 변위(small amplitude oscillatory displacement)가 인가되어 동적으로 광학 트랩을 강화시키도록 함으로써 광학 트랩 어레이를 제어가능하게 스캔하기 위하여, 회절 광학소자로의 단일 광선 입력 및 광학 시스템을 이용하여 광학 트랩 어레이를 구축하는 독창적인 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 시간의존 지정형 위상편이 매체(time-dependent addressable phase-shifting medium)(예를 들어, 액정 위상편이 어레이(liquid crystal phase shifting array))를 회절 광학소자로서 사용하는, 독립적으로 조향되는 복수의 광학 트랩을 생성하는 독창적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 작은 입자(microscopic particle)의 격리를 위하여 시간의존 옵티컬 그래디언트 필드를 생성하는 독창적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 단백질 결정을 포함하는 복수의 생물학적 물체를 조종하는 독창적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은, 동일한 요소가 동일한 참조번호를 가지도록 묘사된 다음과 같은 첨부도면을 참조하는 이하의 바람직한 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 단일 광학집게의 방법 및 시스템을 나타낸 도면,

도 2는 종래 기술에 의한 조향가능한 단일 광학집게의 방법 및 시스템을 나타낸 도면,

도 3은 회절 광학소자를 이용한 방법 및 시스템을 나타낸 도면,

도 4는 입력 광선에 대하여 경사진 광학소자를 이용한 다른 방법 및 시스템을 나타낸 도면,

도 5는 회절 광학소자를 이용한 연속적으로 변형가능한 광학집게(트랩)를 나타낸 도면,

도 6은 광학 트랩 어레이를 관측하기 위하여 이미지를 형성하는 동안 광학집게 어레이를 이용하여 입자를 가공하는 방법 및 시스템을 나타낸 도면,

도 7A는 도 6의 광학 시스템을 이용한 4×4 배열 광학집게(트랩)의 이미지를 나타낸 도면,

도 7B는 트래핑 조명이 소등된 직후, 도 7A의 광학집게에 의하여 수중에서 부유하는 직경 1마이크로미터의 규소 구체(silica sphere)가 확산되어 없어지기 이전의 규소 구체의 이미지를 나타낸 도면,

도 8은 이동가능한 나이프 에지 특성을 포함하는 홀로그래픽 광학 트랩 시스템을 나타낸 도면,

도 9A는 유리-물 인터페이스(glass-water interface) 상에서 형성되는 10×10 배열의 광학 트랩을 나타낸 도면,

도 9B는 유리 상방으로 약 2 미크론의 초점을 가지는 광학 트랩 및 광학 트랩의 제5행이 입자의 흐름에 노출되는 것을 나타낸 도면,

도 9C는 광학 트랩의 제8행을 채운 도 9B에 비하여 더욱 입자를 채운 것을 나타낸 도면,

도 9D는 광학 트랩이 완전히 채워진 패턴을 나타낸 도면,

도 10은 현미경 촬영 광학 트랩 제어 시스템을 나타낸 도면이다.

본 발명을 가장 잘 이해하기 위해서, 도 1 및 도 2에 종래 기술에 의한 방법 및 시스템을 나타낸다. 이들 시스템을 먼저 검토한 후, 도 3 내지 도7A 및 도7B의 바람직한 실시예의 관점에서 본 발명을 설명하기로 한다. 도 1의 종래 기술에 의한 광학집게 시스템에서는, 옵티컬 그래디언트 포스(optical gradient force)가 단일 광선(12)을 사용하여 발생되고, 굴절률(n _m )이 입자(14)의 굴절률보다 작은 매체(16)에 흩어져 있는 유전성 소립자(14)를 제어가능하도록 조종한다. 옵티컬 그래디언트 포스의 특성은 공지되어 있으며, 굴절, 흡수 및 저유전상수 입자를 조종할 수 있게끔 그 원리가 일반화되어 온 것 또한 이해할 수 있다. 이들 기술 중 어느 것이라도 이하에서 설명되는 본 발명의 맥락에 적용될 수 있으며, 이하에서 광학집게(optical tweezer), 광학 트랩(optical trap) 및 옵티컬 그래디언트 포스 트랩(optical gradient force trap)이라는 용어를 사용함으로써 이를 포괄하기로 한다.

광학집게 시스템(10)에는 입자를 조종하는 데에 필요한 광학 트래핑 효과 발생을 위하여 요구되는 힘(force)을 인가할 수 있는 광선(light beam)(12)(예를 들어, 레이저 빔)이 인가된다. 광학집게(10)의 전통적인 형태의 대물렌즈는 하나 또는 그 이상의, 형태를 가지는 광선(shaped beam of light)을 수렴 광학소자(예를 들어, 대물렌즈(20))의 후방 틈새(back aperture)(24)의 중앙으로 방출한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 광선(12)은 너비(width) "w" 및 광학축(22)에 대한 입사각(Ø)을 가진다. 광선(12)은 대물렌즈(20)의 후방 틈새(24)로 입력되고, 광학 트랩(33)과 동일한 공간을 차지하는 초점(focal point)(28)을 가지면서 이미징 볼 륨(imaging volume)(32)의 초점평면(30)과 일치하는 초점(28)으로 대체적으로 수렴되도록 전방 틈새(26)에서 출력된다. 일반적으로, 어떠한 초점 광학 시스템(focusing optical system)으로도 광학집게 시스템(10)을 위한 기초를 형성할 수 있다.

광선(12)이 조준된 레이저 빔이고, 광학축(22)과 일치하는 축을 가지는 경우에는, 광선(12)은 대물렌즈(20)의 후방 틈새(24)로 진입하여 대물렌즈 초점평면(30)의 이미징 볼륨(32) 내의 중앙점(C)에서 초점에 이르게 된다. 광선(12)의 축이 광학축(22)에 대하여 각도(Ø)만큼 이탈하게 되면, 빔 축(beam axis)(31)과 광학축(22)은 후방 틈새(12)의 중앙점(B)에서 일치하게 된다. 이러한 변위(displacement)에 의하여 관측 영역을 가로지르는 광학 트랩의 이동이 대물렌즈(20)의 각도 확대(angular magnification)에 따른 양만큼 가능해지게 된다. 두가지 변수, 즉 각변위(angular displacement)(Ø)와 광선(12)의 변동 수렴(varying convergence)은 광학 트랩을 이미징 볼륨(32) 내의 선택된 위치에 형성하는 데에 사용될 수 있다. 복수개의 광학 트랩(33)이 상이한 각도(Ø)에서 상이한 평행도(degrees of collimation)로 후방 틈새(24)로 인가되는 복수개의 광선(12)에 의하여 제공되는 상이한 위치 내에 배열될 수 있다.

3차원적으로 옵티컬 트래핑을 수행하기 위하여, 포획될 입자 상에 형성되는 옵티컬 그래디언트 포스는 광 분산 및 흡수로 야기되는 다른 방사압(radiation pressure)을 능가하여야 한다. 일반적으로 이는 광선(12)의 파면(wave front)이 후방 틈새(24)에서 적절한 형상을 가질 것을 필요로 한다. 예를 들어, 가우시안 TEM ₀₀ 입력 레이저 빔(Gaussian TEM ₀₀ input laser beam)에 대하여, 빔 직경(w)은 실질적으로 후방 틈새(24)의 직경과 일치하여야 한다. 더욱 일반적인 (Gauss-Laguerre와 같은) 빔 프로파일을 위하여, 유사한 조건이 공식화될 수 있다.

도 2의 다른 종래 기술에 있어서, 광학집게 시스템(10)은 광학 트랩(33)을 대물렌즈(30)의 관측 영역을 가로질러 이동시킬 수 있다. 텔레스코프(34)는 도 1의 종래기술에 의한 시스템에서 중앙점(B)와 광학적으로 쌍을 이루는 점(A)을 형성하는 렌즈(L1,L2)로 이루어진다. 도 2의 시스템에서, 점(A)을 관통하는 광선(12)은 점(B) 또한 관통하므로, 광학집게 시스템(10)으로서 작용하기 위한 기본적 요건을 충족한다. 렌즈(L1,L2)를 도 2에 나타낸 바와 같이 배치함으로써 텔레스코프(34)의 전송 특성을 최적화하도록 평행도(degree of collimation)가 유지된다. 이에 더하여, 텔레스코프(34)의 확대는 광선(12)의 각변위 및 대물렌즈(20)의 후방 틈새(24)의 평면 내에서의 너비(w)를 최적화하도록 선택된다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 복수의 광선(12)이 복수의 관련 광학 트랩을 형성하도록 사용될 수 있다. 그러한 복수의 빔(12)은 복수의 독립적인 입력 빔으로부터 생성될 수도 있고, 전통적인 반사 및/또는 회절 광학소자에 의하여 조종되는 단일 빔으로부터 생성될 수도 있다.

도 3에 나타낸 본 발명의 일례에서는, 임의의 광학 트랩 어레이가 형성될 수 있다. 회절 광학소자(40)는 대물렌즈(20)의 후방 틈새(24)와 실질적으로 쌍을 이루는 평면(42) 내에 배치된다. 명료성을 위하여 단지 하나의 회절된 출력 빔(44)만을 나타내었으나, 복수의 그러한 빔(44)이 회절 광학소자(30)에 의하여 생성될 수 있 음을 주목하여야 한다. 회절 광학소자(40) 상으로 입사하는 입력 광선(12)은 점(A)으로부터 각각 방사되는 회절 광학소자(30)의 자연적 특성을 가지는 출력 빔(44)의 패턴으로 분할된다. 따라서 출력빔(44)은 앞서 설명한 하부 광학소자의 결과로서 점(B) 또한 관통하게 된다.

도 3의 회절 광학소자(40)는 입력 광선(12)에 대하여 직교하는 것으로 나타내어지고 있으나, 많은 다른 배열도 가능하다. 예를 들어, 도 4에서 광선(12)은 광학축(22)에 대하여 경사각(β)을 이루며 도달하고, 회절 광학소자(40)에 직교하지 않는다. 이 실시예에서, 점(A)으로부터 방사되는 회절빔(44)은 이미징 볼륨(32)의 초점평면(52) 내에서 광학 트랩(50)을 형성할 것이다(도 1참조). 이러한 배열의 광학집게 시스템(10)에서, 입력 광선(12)의 회절되지 않은 부분(54)은 광학집게 시스템(10)으로부터 제거될 수 있다. 따라서 이러한 구성은 더욱 적은 배경 광선을 처리할 수 있도록 함으로써 광학 트랩을 형성함에 있어서 효율(efficiency)과 효용성(effectiveness)을 개선한다.

회절 광학소자(40)는 컴퓨터로 생성되어 입력 광선(12)을 미리 선택된 바람직한 패턴으로 분할하는 홀로그램(hologram)을 포함할 수 있다. 그러한 홀로그램을 도 3,4의 광학소자의 나머지와 결합함으로써, 회절 광학소자(30)가 각 회절 빔의 파면(wavefront)을 독립적으로 생성하는 데에 이용되는 임의의 어레이를 생성할 수 있게 된다. 따라서, 광학 트랩(50)은 대물렌즈(20)의 초점평면(52)에 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 초점평면(52)의 외부에 배치되어 3차원적 배열의 광학 트랩(50)으로 형성될 수도 있다.

도 3,4의 광학집게 시스템(10)에서, 대물렌즈(20)(또는 이와 기능적으로 동등한 광학소자, 예컨대 프레스넬 렌즈(Fresnel lens))와 같은 초점 광학소자(focusing optical element) 또한 포함되어 회절빔(44)을 수렴시킴으로써 광학 트랩(50)을 형성한다. 나아가, 텔레스코프(34), 또는 이와 동등한 전달 광학(transfer optics)은 이전의 후방 틈새(24)의 중앙점(B)과 쌍을 이루는 점(A)을 생성한다. 회절 광학소자(40)는 점(A)을 포함하는 평면 내에 배치된다.

본 발명의 다른 형태에서, 임의의 광학 트랩 어레이(50)가 텔레스코프(34) 없이 생성될 수 있다. 그러한 실시예에서 회절 광학소자(40)는 직접 점(B)을 포함하는 평면 내에 배치될 수 있다.

광학집게 시스템(10)에서, 불변(static) 또는 시변(time dependent) 회절 광학소자(40)가 모두 사용될 수 있다. 동적 버전(dynamic version), 즉 시변 버전(time dependent version)으로서, 시변 광학 트랩 어레이(50)가 생성되어 그러한 특성을 이용하는 시스템의 일부가 될 수 있다. 또한, 이러한 동적 광학소자(40)는 능동적으로 입자를 이동시키고, 매체(media)를 상호 연관되도록 대응(matrix)시킬 수 있다. 예를 들어, 회절 광학소자(40)는 컴퓨터로 생성한 홀로그래픽 패턴으로 압인되어 변화되는 액정 위상 어레이(liquid crystal phase array)가 될 수 있다.

도 5에 나타낸 다른 실시예에서, 시스템은 광학집게 트랩(50)의 연속적인 이동을 수행하도록 구성될 수 있다. 짐벌 장착 거울(gimbal mounted mirror)(60)은 회전 중심이 점(A)에 놓이도록 배치된다. 광선(12)은 거울(60)의 표면 상에 입사되 고, 점(A)을 관통하는 축을 가지며 후방 틈새(24)로 투사될 것이다. 거울(60)의 기울임은 거울(60)에 대한 광선(12)의 입사각의 변화를 야기하며, 이러한 특성은 광학 트랩(50)을 이동하는 데에 사용될 수 있다. 제2 텔레스코프(62)는 점(A)과 쌍을 이루는 점(A')을 생성하는 렌즈(L3,L4)로부터 형성된다. 점(A')에 배치되는 회절 광학소자(40)는 점(A)를 각각 관통하여 광학집게 시스템(10)의 어레이 내의 집게 트랩(50) 중 하나를 형성하는 회절빔(64)의 패턴을 생성한다.

도 5의 실시예의 동작에서, 거울(60)은 집게 어레이 전체를 하나의 단위로 옮긴다. 이러한 방법론은 광학집게 어레이를 고정된 기판에 정밀하게 정렬하여 동적으로 광학 트랩(50)을 소진폭 고속 진동 변위(small-amplitude rapid dscillatory displacement)를 통하여 강화시키는 데에 효과적이며, 일반적인 이동 능력을 요구하는 어떠한 응용에 대해서도 유용하다.

광학 트랩(50)의 어레이는 또한 샘플 스테이지를 이동시키거나 텔레스코프(34)를 조정함으로써 샘플 스테이지(도시되지 않음)에 대하여 수직적으로 이동될 수 있다. 또한, 광학집게 어레이는 샘플 스테이지를 이동시킴으로써 샘플에 대하여 측면적으로도(laterally) 이동될 수 있다. 이러한 특징은 대물렌즈의 관측범위를 넘어서는 대폭적 이동에 대하여 특히 유용하다.

도 6에 나타낸 본 발명의 다른 형태에서 광학 시스템은 광학집게(10)에 의하여 포획된 입자의 이미지를 관측할 수 있도록 마련된다. 이색성 빔스플리터(dichroic beamsplitter)(70), 또는 이에 상당하는 다른 광학 빔스플리터가 대물렌즈(20)와 광학집게 시스템(10)의 옵티컬 트레인(optical train)과의 사 이에 삽입된다. 도시된 실시예에서, 빔스플리터(70)는 광학집게 어레이를 형성하는 데에 사용되는 빛의 파장을 반사하여 다른 파장으로 전달한다. 따라서, 광학 트랩(50)을 형성하는 데에 사용되는 광선(12)은 이미지를 형성하는 데에 사용되는 광선(66)이 촬상 렌즈(도시되지 않음)를 관통할 수 있는 시간 동안 후방 틈새(24)측으로 고효율로 전달된다.

본 발명의 애플리케이션의 일러스트레이션이 도 7A,7B에 나타내어진다. 회절 광학소자(40)는 단일 광선(12)과 상호작용하여 4×4 어레이의 평행 빔(collimated beam)을 생성하도록 설계된다. 532nm로 동작하는 100mW 2배 주파수 다이오드 펌프 Nd:YAG 레이저(frequency doubled diode-pumped Nd:YAG laser)가 광선(12)을 형성하기 위하여 가우시안 TEM ₀₀ (Gaussian TEM ₀₀ )이 제공된다. 도 7A에서 관측 영역은 어레이의 16개 주 광학집게(primary optical tweezer)(10) 내에 포획된 16개의 규소 구체(silica sphere)에 의하여 후방산란(backscatter)되는 레이저에 의하여 부분적으로 비추어진다. 1㎛ 직경의 구체는 워터(water) 내에 분산되며 유리면의 현미경측과 170㎛ 두께의 유리 커버슬립과의 사이의 샘플 볼륨 내에 배치된다. 집게 어레이는 커버슬립을 통하여 상방으로 돌출되며 커버슬립의 8㎛ 상방이면서 상부 현미경측의 하방 20㎛ 이상인 평면 내에 배치된다. 규소 구체는 안정적으로 3차원적으로 16개의 광학집게(10)의 각각에 포획된다.

도 7B에는 광학집게(트랩)(10)가 소멸된지 1/30초 후이면서 구체가 트랩 위치로부터 확산되기 전의 시각에 광학적으로 조직된 구체의 배열이 나타나 있다.

어댑티브 트위저 모드(Adaptive Tweezer Mode)

본 발명의 다른 형태에 있어서, 기본 광학 트랩 실시예는 다양한 유용한 방법론에서 사용될 수 있다. 나아가, 다른 실시예는 이들 방법이 광학 트랩의 동작과 용도를 개선하는 데에 적용되도록 구성될 수 있는 장치 및 시스템을 포함한다. 특히, 광학 트랩은 제어 및 변경될 수 있으며, 이러한 특성을 도입하는 다양한 실시예가 이하 설명된다.

광학 트랩의 다양한 새로운 용도 및 적용은 광학 트랩 구성의 시변 구성(time varying construction) 및 동적 변화(dynamic change)로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일례에서, 광학 트랩의 어레이는 도 8에 나타난 식으로 유리하게 조종될 수 있다. 광학 시스템(100)에서, 회절 광학소자(102)는 평행 레이저 빔(collimated laser beam)(104)을 몇몇의(2 또는 그 이상의) 레이저 빔(106,108)으로 분할한다. 이들 레이저 빔(106,108)의 각각은 목적 평면(object plane)(118) 내의 분리된 광학 트랩으로 전달된다. 이들 레이저 빔(106,108)의 각각은 렌즈(114,116)로 이루어지는 텔레스코프와 같은 전통적인 광학 기기의 동작에 의하여 대물렌즈(112)의 후방 틈새(110)로 전달된다. 대물렌즈(112)는 이들 빔(106,108)의 각각을 목적 평면 내의 분리된 광학 트랩(132)으로 초점을 맞춘다. 본 발명의 바람직한 형태에서, 다수의 레이저 빔(106,108) 중 선택된 것을 선택적으로 차단하여 광학 트랩(132)의 일부분의 형성을 선택적으로 방지할 수 있도록, 나이프 에지(knife edge)(120)는 다수의 레이저 빔(106,108)의 경로로 이동가능하게 배치된다. 그러한 방법론과 구조에 힘입어, 적절히 설계된 나이프 에지 또는 틈새있는 나이프 에지 구조나 유사한 구조를 사용함으로써 어떤 원하는 광학 트랩 어 레이(132)라도 구성할 수 있다.

도 9에는 그러한 광학 트랩 방법론의 사용을 나타내고 있으며, 여기에서 광학 트랩(132)은 회절 광학소자(122)의 홀로그래픽 형태로 형성된다. 도 8의 가동식 나이프 에지(120)는 광학 트랩(132) 중 하나를 제외한 모든 라인(124)을 차단할 수 있다. 나이프 에지(120)를 계획적으로 이동시킴으로써, 각각의 라인(124)이 정해질 수 있으며, 이에 힘입어 광학 트랩(132)을 입자(126)로써 계획적으로 채울 수 있게 된다. 이 방법론은 광학 트랩(132)을 다양한 서로 다른 형태의 입자(126)로 채우는 것을 허용하며, 또한 입자(126)가 광학 트랩(132)의 어레이의 바깥 부분을 우선적으로 채우려 하는 전형적인 문제점을 피하도록 한다. 그러한 우선적인 채워짐은 내측 광학 트랩(132)의 채워짐을 차단할 수 있다. 이 제어되는 광학 트랩(132)의 구조(formation)는 또한 광학 트랩 배치의 정밀 구성(precision formation) 및 변화를 허용한다.

광학 트랩(132)의 어레이의 채워짐에 대한 세부적인 제어를 발휘함에 더하여, 장치는 광학 트랩(132)의 채워짐을 가속화하도록 제공될 수도 있다. 예를 들어, 도 8에는 (1) 선택된 입자(126)를 출력하고(도 10 참조), (2) 입자(126)를 (전기이동(electrophoresis) 또는 전기침투(electro-osmosis)를 통하여) 차동 압력(pressure differential)에 인가하고, (3) 온도 그래디언트를 인가하며, (4) 전체적인 광학 트랩 어레이를 그물 형상으로 입자(126)를 포함하고 있는 서스펜션(suspension)을 통하여 이동시키는 장치의 동작 블록(128)이 나타나 있다. 실험은, 예를 들어, 약 10 ^-4 ㎛ ^-3 의 입자 농도 및 100㎛/초의 적당한 흐름도(flow rate)로써 입자(134)가 광학 트랩(132)을 채움으로써, 라인(124)의 1개 행 또는 어레이 패턴이 약 1분의 시간 내에 채워지도록 결정하였다. 완전히 진행된 입자(126)의 어레이는 기판 상으로 어레이를 이동시키거나 입자(126)를 지탱하는 유체를 굳힘으로써 영구적으로 만들어질 수 있다. 그러한 공정은 또한 다양한 서로 다른 입자의 어레이 및 입자(126)의 결합 어레이(coupled array)를 조직할 수 있도록 한다. 광학 트랩(132)의 앞서 설명한 특성 및 기능을 이용함으로써, 각 입자(126)는 또한 실제적 용도 및 연구용으로 더욱 조사(interrogate), 관측 및 조종될 수 있다.

본 발명의 또 다른 형태에서 광학 트랩(132)은 특정 광학적 요건에 따라 동적으로 변화될 수 있다. 광학적 요건(optical requirement)은, 원하는 지시 정보가 담긴 컴퓨터 프로그램을 이용함으로써 하나 또는 그 이상의 광학 트랩(132)이 다양한 광학 트랩 위치에서 입자를 변경, 제거 또는 추가하거나 단일 물체의 다양한 조종을 허락하는 데에 사용될 수 있게끔 영향받을 수 있다. 나아가, 하나 또는 그 이상의 광학 트랩(132)은, 식물 또는 동물의 세포와 같은 물체를 동적으로 조종하기 위하여 이동될 수 있고 이들의 특성이 변화(트랩의 형상이나 강도가 변화하는 등)될 수 있다. 이는, 섬세한 구조를 다룰 때나 물체의 복잡한 조작을 수행할 필요가 있는 때에 특히 유용하다. 이전까지는, 그러한 물체는 물체에 해를 끼치거나 또는 원하는 기능을 수행하는 데에 종종 필요한 자유도를 제공하지 못하는 단일한 과격한 포스 트랩(single brute force trap)으로써 다루어졌다.

덧붙여, 또다른 공정에서, 입자(126)는 동적으로 크기에 따라 정렬될 수 있 다. 어떤 것은 도 10에 나타난 것과 같은 식으로 입자(126)의 배열 또한 이미지화할 수 있다. 현미경(138)은 입자(126)를 이미지화할 수 있고, 개인용 컴퓨터(140)는 입자(126)를 식별하여 (도 8의 회절 광학소자(144)를 위한) 위상만의 홀로그램(phase only hologram)(142)을 계산할 수 있다. 상기 입자를 포획하기 위하여, 컴퓨터로 제어되는 공간 광 변조기(spatial light modulator)(143)는 위상 변조 패턴의 응용을 레이저 빔(144)에 일으킴으로써 컴퓨터로 설계된 홀로그램(142)을 구비할 수 있다. 이는 또한 다양한 목적을 위하여 다이내믹하게 변화될 수 있다. 변조된 레이저 빔(148)(도 8의 복수의 레이저 빔(106,108) 참조)은 현미경(138)에 의하여 초점이 맞추어져, 이미지 스크린(150) 상의 표시를 위하여 입자(126)를 포획하는 광학 트랩(132)(광학집게로도 알려져 있음)의 어레이를 생성한다. 각각의 입자(126)는 그 후 개별적으로 원하는 구조로 조립되도록 입자(126)를 배열하기 위하여 조종되거나 다른 처리, 관측 또는 관심 대상 물체의 형상을 변형하도록 조종될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었으나, 이하 제공되는 특허청구범위에서 설명되는 본 발명의 폭넓은 국면을 벗어남이 없이 다양한 변화 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백하다.