[論文レビュー] Microoptomechanical pumps assembled and driven by holographic optical vortex arrays

Kosta Ladavac, David G. Grier|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2004

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ホログラフィックに生成された光の渦配列を用いてコロイド粒子を捕らえ、回転させることで動く部品のない制御された流体の流れを生じる、画期的なマイクロオプトメカニカルポンプを提示する。ヘリカル光ビームの軌道的角運動量を利用することで、3 Wのレーザー出力で最大6 μm/secの軸方向流体の流れを達成し、静的位相パターンによって再構成可能で、完全に光によるマイクロ流体制御を実現する。

ABSTRACT

Beams of light with helical wavefronts can be focused into ring-like optical traps known as optical vortices. The orbital angular momentum carried by photons in helical modes can be transferred to trapped mesoscopic objects and thereby coupled to a surrounding fluid. We demonstrate that arrays of optical vortices created with the holographic optical tweezer technique can assemble colloidal spheres into dynamically reconfigurable microoptomechanical pumps assembled by optical gradient forces and actuated by photon orbital angular momentum.

研究の動機と目的

• 物理的部品や外部アクチュエータを一切用いずに、再構成可能で接触なしのマイクロ流体ポンピングシステムを開発すること。
• ヘリカル光ビームの軌道的角運動量を活用し、コロイド粒子を循環するリングに誘導させ、それに伴って流体の流れを生じさせること。
• コンピュータ生成ホログラムを用いて、トポロジカル電荷を調整した光の渦のアレイを形成することで、動的に再構成可能なポンプを実証すること。
• 光のみを用いて微小スケールで正確かつ局所的な流体輸送を実現し、コンパクトで低コストなマイクロ流体システムへの統合を可能にすること。
• マイクロマシン加工された歯車をコロイド粒子の代わりに用いることで、光駆動式の機械的ポンプを実現可能かどうかを検討すること。

提案手法

• ホログラフィックな光トラップは、空間光変調器（SLM）を用いて、レーザー光にヘリカル波面（exp(iℓθ)）を有する位相パターンを印加することで、光の渦のアレイを生成する。
• SLMは532 nmで動作し、トポロジカル電荷 ℓ = +21 および ℓ = -21 を交互に持つ3×2アレイの光の渦を生成することで、反転回転する粒子リングを生じさせる。
• コロイドシリカ球（直径800 nm）は、光学勾配力によって光の渦の明るいリングに捕らえられ、ヘリカルビームの運動量フラックスによって接線方向に駆動される。
• 粒子の循環は流体を巻き込み、ネットで軸方向の流れを生じさせる。この流れは、壁補正付きストークスレットの重ね合わせを用いてモデル化され、流れのスケーリングは u(r) ∝ u(R)(R/r)² に比例する。
• 粒子の循環を乱す強度非均一性を低減するため、位相パターンに収差補正が施されている。
• 流れの速度は、ビームブロッキングの影の中でトレーサー粒子を追跡することで測定され、理論的スケーリングと一致していることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光の渦のアレイを用いて、コロイド粒子を安定した循環リングに整列・駆動させ、制御可能な流体の流れを生じさせることは可能か？
• RQ2 ヘリカル光ビームの軌道的角運動量が、捕らえられた粒子にどれほど運動量を伝達し、流体輸送を引き起こすか？
• RQ3 このポンプの効率および性能は、レーザー出力および光の渦アレイの幾何学的配置にどのように依存するか？
• RQ4 物理的壁や外部アクチュエータなしに、マイクロチャネル内でネットの軸方向の流れを達成できるか？
• RQ5 光学的収差および強度のうねりが、粒子の循環および流れの効率に及ぼす制限は何か？

主な発見

• 3 Wのレーザー出力で最大6 μm/secの軸方向流体の流れを達成し、ストークスレットの重ね合わせに基づく理論的予測と一致した。
• 3 Wの出力で捕らえられた粒子の周方向速度は22 ± 2 μm/secに達し、レーザー出力に比例して線形に増加し、Γ = 1.8 ± 0.2 Hzに達する。
• 流れのスケーリングは、予測通り u(r) ∝ u(R)(R/r)² に従い、壁補正付きストークスレットの重ね合わせモデルが妥当であることを確認した。
• SLMのピクセル化された位相制御による強度変調が、粒子の循環効率を最大90%まで低下させ、高出力での性能を制限している。
• 収差の増大に伴い、ポテンシャルエネルギーの地形にうねりが生じ、約12 Wのレーザー出力でポンプが停止することが確認され、実用的な効率の上限が示された。
• 本システムは、1枚の静的ホログラムで構成される完全に再構成可能で、完全に光によるポンプを実現し、物理的部品なしに動的マイクロ流体制御を可能にした。