[論文レビュー] Optical nanofiber integrated into an optical tweezers for particle probing and manipulation

Mary Frawley, Ivan Gusachenko+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、光学ナノファイバと光学トラップを統合した光学プラットフォームを提案し、マイクロメートルサイズのシリカマイクロスフィアの正確でイン・サイト（体内）での操作とプロービングを可能にした。トラップを用いて粒子をナノファイバ上に位置決めすることで、粒子およびファイバの直径に依存する可逆的な透過率ディップが得られ、リアルタイムでのサイズキャリブレーションと粒子供給が可能となり、動的光-粒子相互作用の研究に向けた「粒子コンベアベルト」を実現した。

ABSTRACT

Precise control of particle positioning is desirable in many optical propulsion and sorting applications. Here, we develop an integrated platform for particle manipulation consisting of a combined optical nanofiber and optical tweezers system. Individual silica microspheres were introduced to the nanofiber at arbitrary points using the optical tweezers, thereby producing pronounced dips in the fiber transmission. We show that such consistent and reversible transmission modulations depend on both particle and fiber diameter, and may be used as a reference point for in-situ nanofiber or particle size measurement. Therefore we combine SEM size measurements with nanofiber transmission data to provide calibration for particle-based fiber assessment. We also demonstrate how the optical tweezers can be used to create a particle jet to feed a supply of microspheres to the nanofiber surface, forming a particle conveyor belt. This integrated optical platform provides a method for selective evanescent field manipulation of micron-sized particles and facilitates studies of optical binding and light-particle interaction dynamics.

研究の動機と目的

• 光学トラップとナノファイバを用いて、マイクロスケール粒子の正確でリアルタイムの操作を実現するハイブリッド光学プラットフォームの開発を目的とする。
• ファイバ内の可逆的透過率ディップを用いて、粒子およびナノファイバの直径をイン・サイトで測定することを可能にする。
• 光学トラップを用いてナノファイバ表面に粒子を供給する方法を示し、粒子コンベアベルトを形成する。
• フィードバック機能を備えた制御された環境で、光学的結合および光-粒子相互作用ダイナミクスの研究を促進する。

提案手法

• 光学トラップを用いて、シリカ光学ナノファイバの任意の位置に個々のシリカマイクロスフィアを位置づける。
• 粒子がエバネッセント場に結合している際、リアルタイムでファイバ透過率をモニタリングし、顕著なディップを観測する。
• 透過率変調の深さを粒子およびファイバの直径と相関させ、キャリブレーションおよびサイズ測定を可能にする。
• 透過率データとのクロスバリデーションのため、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて粒子およびファイバの寸法を測定する。
• 光学トラップを再配置して、連続的に粒子をナノファイバに供給し、連続した粒子ジェットおよびコンベアベルトを形成する。
• システムにより、選択的なエバネッセント場相互作用と、光-粒子結合の動的プロービングが可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学トラップを用いて、透過率ベースのセンシングに十分な精度でマイクロメートルサイズの粒子を光学ナノファイバに供給・位置づけることができるか？
• RQ2 粒子およびファイバの直径は、ナノファイバ内の透過率ディップの大きさと一貫性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 透過率変調を、粒子またはナノファイバのサイズを測定するための信頼性のあるイン・サイト基準として用いることができるか？
• RQ4 光学トラップを用いて、ナノファイバに連続的な粒子ストリームを生成・供給し、機能的な粒子コンベアベルトを形成できるか？
• RQ5 統合されたプラットフォームは、光学的結合および光-粒子相互作用ダイナミクスの研究をどのように支援するか？

主な発見

• 光学トラップを用いてシリカマイクロスフィアをナノファイバ表面に位置づけると、透過率ディップが一貫的かつ可逆的に誘発される。
• 透過率変調の深さは、粒子の直径およびナノファイバの直径の両方に依存し、定量的キャリブレーションが可能になる。
• SEM測定とイン・サイト透過率データを組み合わせることで、キャリブレーション手法が確立され、ナノファイバの特性に対する粒子ベースの評価が可能になる。
• 光学トラップを用いて制御された粒子ジェットを形成でき、マイクロスフィアをナノファイバ表面に連続的かつ制御可能に供給できる。
• システムにより、粒子の選択的エバネッセント場操作が可能となり、光学的結合および光-粒子相互作用の動的研究が支援される。
• プラットフォームは、フィードバック機能を備えたリアルタイムのイン・サイトサイズ測定および粒子供給手法を提供し、ナノフォトニクスシステムにおける実験的制御を強化する。