細胞内の分子の働きを捉えるには、光学顕微鏡の回折限界である約 250 nm を超える分解能が必要である。集光した励起光で試料を走査し、多画素の検出器で蛍光を捉える画像走査顕微鏡（ISM）は、各画素を微小な絞りとして働かせ、得た信号を励起点の中心へ半分戻す「画素再配置」により点像分布関数を細め、共焦点顕微鏡の2倍の横方向分解能を与える。数百の微小穴と微小レンズを刻んだ2枚の回転円板で多数の焦点を同時に走査する共焦点回転円板（CSD）と組み合わせれば取得速度は約100倍に高まる。蛍光観察では色の情報も分解能と同じく重要である。

　しかし、CSDを用いたISMで多色像を得る従来法は、色ごとに濾光器を替えて順に撮る方式であり、1色あたり数百枚を要するため取得時間が大きく延びる問題点がある。撮影の時刻が色ごとにずれるため、時空間的な偽像も生じる。視野を分けて同時記録する方式は視野が狭まり、光を大きく分散させる分光方式は各点像が広い画素領域へ広がるため、実効的な視野と処理量が制限される。

　そこで、本研究では検出光路に自作の直線アミチプリズムを挿入することによって解決した。回転円板が作る疎らな輝点の配列は輝点の周囲に余白があり、そこへ蛍光の波長成分を短く分散させれば、1回の取得で全ての色情報を同時に符号化できる。円板の回転と閃光励起の同期は、安価な数値信号処理器で行った。Cobolt社製の 561 nm レーザー（Jive）と 638 nm 半導体レーザー（06-MLD）は、音響光学可変濾光器を備えた光源結合器に組み込まれ、試料面で 0.22 mW と 0.5 mW の弱い励起光として蛍光色素を励起する目的で使用された。3色の蛍光微粒子では、従来3回必要だった取得を1回に短縮しつつ1.74倍の分解能向上と正確な色の判別を達成し、神経細胞では1回250枚の取得で4種の標識を同時に撮像できた。

※本記事は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）を、独自の構成で再構成した日本語要約です。

【用語解説】

• アミチプリズム：屈折率と分散の異なる硝材を貼り合わせた分散素子。ある基準波長の光はまっすぐ通し、他の波長を波長に応じて曲げる。本研究では波長と像面上の位置がほぼ比例するよう設計され、検出光路で蛍光を短い距離だけ分散させる役割を担う。
• 点像分布関数：点状の光源が光学系を通ったときに像面へ広がる強度分布。その幅が分解能を決め、狭いほど細かい構造を見分けられる。画素再配置はこの幅を実効的に半分にする。
• 音響光学可変濾光器：結晶に超音波を加えて生じた屈折率の周期構造で光を回折させ、通す波長と強度を電気的に高速で選ぶ素子。複数のレーザーを1本に束ねた光源で、波長ごとの出力を切り替えるのに使う。

多色蛍光観察に使用された561 nm・638 nmレーザー

　コヒーレントな光を重ね合わせ、生じた干渉縞を感光性樹脂へ転写するレーザー干渉リソグラフィは、周期が数百 nm の微細な構造を数 cm² にわたり短時間で作製できることから、回折格子やフォトニック結晶、プラズモン構造の作製に広く用いられている。中でも、発散する光の一部を平面鏡で折り返し、直接試料へ届く光と干渉させるロイドミラー配置は、鏡と試料を同一の剛体架台に直角に固定できるため、機械的な振動が両者に等しく及び、光路差が乱れにくい。

　しかし、従来のロイドミラー配置は、自由空間を伝搬するレーザーとレンズ・ピンホールからなる空間フィルタを組み合わせるため、ピンホールを集光点の中心へ正確に置く必要があり、ビームの向きがわずかに揺らぐだけで露光中に干渉縞が流れ、模様がぼやける問題点がある。指向安定性の高い高価なレーザーを要するうえ、ピンホールも小さすぎれば回折で波面を歪め、大きすぎれば空間雑音を通すため、径の選定が難しい。

　そこで、本研究では、ファイバと恒久的に接合された偏波保持単一モードファイバ結合の 405 nm 狭帯域半導体レーザー（出力 20 mW、コヒーレンス長約 9 mm）を光源に用いることによって解決した。単一モードファイバは基本モードのみを伝搬させるため、出射光は空間雑音を含まない滑らかな発散ビームとなり、空間フィルタが不要となるうえ、ビームの揺らぎにも影響されない。回転ステージで入射角を変えて周期 218〜395 nm の格子を作り分け、ガラス基板上では 20 秒の露光で周期 406 nm・線幅 80 nm の均一な格子が得られた。なお本論文では、コヒーレンス長が数 m のファイバ結合レーザーを用いれば、より広い面積の描画が可能と述べられている。

※本記事は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）を、独自の構成で再構成した日本語要約です。

【用語解説】

• ロイドミラー配置：1本の発散するレーザー光の一部をそのまま試料に当て、残りを平面鏡で折り返して重ね合わせ、干渉縞を作る配置。光を二手に分ける素子が要らず、鏡と試料を同じ架台に固定できるため振動に強い、最も簡素な干渉リソグラフィの構成。
• 空間フィルタ：レンズで光を絞ってピンホールに通し、光学部品の塵や傷が生む細かな明暗の乱れを取り除いて、滑らかな波面を得る光学系。
• コヒーレンス長：光の位相のそろいが保たれる伝搬距離。発振周波数が一つに絞られた単一縦モードのレーザーほど長く、二つの光路の差がこれを超えると干渉縞が現れないため、干渉リソグラフィで描ける面積の上限を決める。

レーザー干渉リソグラフィ向けの405 nmレーザー

　金属の細線を局所的に形成する技術は、センサや光電子素子、脳の情報処理を模した神経模倣計算の発展に欠かせない。前駆体の溶液から光を当てた場所だけに金属を析出させる光触媒的成長は、化学的に溶かして元へ戻せる可逆的な手法として注目され、光触媒活性に優れた二酸化チタン表面での金の成長がよく調べられている。一方、高屈折率の薄膜に周期的な溝を刻んだナノ格子へ斜めから光を入れると、特定の波長と入射角で光が薄膜内の導波モードへ結合し、格子付近の電場が強まる導波モード共鳴が生じる。共鳴条件は格子周期と入射角で調整できる。

　しかし、従来の光触媒的成長は、遮光マスクで照射領域を制限するか二酸化チタン自体を微細加工して場所を決めており、外部からの光刺激に応じて成長位置を変える柔軟さに乏しい問題点がある。また二酸化チタンはそれ自体が光触媒活性をもつため、共鳴を伴わない照射では金の粒子が表面全体に散らばる問題点がある。

　そこで、本研究では二酸化チタンにナノ格子を刻んだ光学テンプレートを作製し、導波モード共鳴が生じる入射角で単色レーザーを照射することによって解決した。まず発光層を載せた試料で格子周期に応じた発光増強を確かめ、繰り返し数の少ない六方格子では共鳴が鈍る代わりに結合する周期の範囲が広がることを示した。次に発光層を除き、塩化金酸の溶液を満たした流路内で2時間照射したところ、共鳴条件では金の細線が密に形成され、非共鳴では粒子が散在するにとどまった。周期170nmの格子で最も強い細線形成が得られた。Cobolt社製の紫外レーザーZouk（355nm、10mW）は、金成長に適した励起波長をもつ単色光源として、この共鳴結合を起こすために用いられた。

※本記事は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）を、独自の構成（背景・従来の問題点・結果）で再構成した日本語要約です。

【用語解説】

• 導波モード共鳴：薄い高屈折率層に周期的な格子を設けると、特定の波長と入射角の光が層内を伝わる導波モードへ結合し、反射や透過が急峻に変化するとともに格子近傍の電場が強まる現象。
• 光触媒的な金成長：光を吸収した半導体の中に生じた電子が溶液中の金イオンを還元し、表面に金属の金を析出させる過程。光を当てた場所だけに金属を作れる。
• 神経模倣計算：神経細胞の結合が刺激に応じて強まったり失われたりする性質をまねて情報処理を行う計算方式。配線が固定された従来の回路とは異なり、素子の結合そのものが書き換わる。

光触媒的な金成長の共鳴励起に使用された355 nmレーザー

　フェムト秒レーザー加工（超高速レーザー描画）は、透明材料の内部に三次元的な微細構造を直接書き込めるため、フォトニクスや量子デバイスなど幅広いデバイス作製を可能にする。なかでもダイヤモンド内部をレーザーでグラファイト化して導電性の電極を埋め込む技術は、過酷な環境でも動作するセンサーや量子デバイスへの応用が期待されている。ラマン顕微分光法は、試料を壊さずに材料の結合状態を分子レベルで調べられる非破壊計測であり、加工プロセスのその場（in situ）特性評価に適している。

　しかし超高速レーザー加工は、加工結果を作製中にリアルタイムで監視する手段が乏しく、これがスケーラビリティと歩留まりを制限していた。とくに、最終的なデバイス性能（電気抵抗など）と直接相関する信頼性の高い指標が確立されておらず、一般的に用いられるラマンスペクトルの特徴量では加工品質を正確に予測しにくいという問題があった。

　そこで本研究では、ダイヤモンド中にレーザー描画したグラファイト電極を対象に、ラマン顕微分光による評価法を実証した。ハイパースペクトルマッピングと電気測定を組み合わせた結果、ダイヤモンド由来の1332 cm⁻¹のsp³ラマン線の減少が、電極抵抗を単調かつ頑健に予測する指標となることを見いだし、従来よく使われてきたスペクトル特徴より優れることを示した。さらに、ラマンマーカーが明確でない加工プロセスにも適用できるラベルフリー手法として「ハイパースペクトル・アンミキシング」を導入し、関連するスペクトル成分を抽出できることを示した。本手法はダイヤモンドに限らず他の母材へも展開でき、仕様（性能目標）から逆算するfsレーザー微細加工への実用的な道筋を与える。Cobolt社製の532 nm連続波レーザー（Cobolt Samba 150 mW）は、装置に組み込まれた共焦点顕微鏡の励起光源として、フォトルミネッセンスおよびラマンの2Dマッピングに用いられた。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

【用語解説】

• ハイパースペクトルマッピング：試料上の各点でラマン（あるいは発光）スペクトル全体を取得し、空間分布として画像化する手法。組成や結合状態の二次元・三次元分布が得られる。
• ハイパースペクトル・アンミキシング：多数のスペクトルが重なったデータから、もとになる代表的なスペクトル成分とその寄与割合を、事前のラベル（教師情報）なしに数理的に分離・抽出する解析手法。
• sp³／グラファイト化：ダイヤモンドは炭素がsp³結合した結晶。レーザー照射でこの結合が壊れ、導電性をもつsp²（グラファイト的）構造へ変化する現象をグラファイト化と呼ぶ。1332 cm⁻¹はダイヤモンド（sp³）に特徴的なラマン線。

ラマン分光に使用された532 nmレーザー

　光を当てた箇所だけを硬化させて立体物を造形するステレオリソグラフィーは、3Dプリント技術の中で最も高い精度をもち、持続可能な社会を支える基盤技術として近年急速に研究が進められている。とりわけ、二つの光子を同時に吸収させて重合を起こす二光子リソグラフィーは約100nmの分解能を達成でき、微小レンズ列や回折光学素子、メタマテリアル、細胞培養の足場など、多様な微細構造の作製に用いられている。

　しかし、従来の樹脂は複数の反応基をもつ単量体が高度に架橋した網目構造を形成するため、加熱や溶媒で溶かすことが難しく、再利用が困難であるという問題点がある。再利用可能な樹脂も報告されているが、それらは光重合開始剤や添加剤を必要とし、再生のたびに薬剤を加えるため化学構造が変化して着色や機械的劣化を招き、再利用回数も1〜3回程度に限られるという問題点がある。

　そこで本研究では、加熱により可逆的に解離するアントラセンの光二量化反応を利用することで、開始剤や添加剤を一切用いずに固体と液体の間を可逆的に転移できる無溶媒の液状樹脂を実現し、再利用の課題を解決した。この樹脂は逐次重合により硬化し、二光子リソグラフィーで微小針や兎の立体構造を造形でき、最小硬化線幅0.61μmを達成した。加熱溶融による再生を10回以上繰り返しても顕著な劣化は認められなかった。また単一光子方式でもピラミッド状構造を造形でき、両方式への適用性を示した。なお単一光子方式では、Cobolt社製の波長405nm青色半導体レーザーを光源として用い、樹脂を層ごとに硬化させる目的で使用した。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

光硬化に使用された405nmレーザー

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　抗生物質耐性病原体の増加に伴い、簡便かつ迅速な細菌検出技術の開発が急務となっている。従来の微生物学的手法である培養計数法は、時間と労力を要し、専門的な設備と技能が必要である。これに対し、光を用いた検出手法は高感度かつ非接触で並列的な検出が可能であることから、近年急速に研究が進められている。また、表面の粗さが細菌の付着挙動に大きく影響することが明らかになっており、表面形態を制御した構造体の作製が細菌検出素子の開発において重要な要素となっている。干渉性の光束を用いて感光性材料に周期構造を記録する干渉露光法は、表面形態の制御と回折光信号の取得を同時に実現できる手法として注目されている。

　しかし、細菌付着と表面粗さの関係については、粗さの低減が付着を減少させるとする報告、逆に増加させるとする報告、さらには菌種によって挙動が異なるとする報告が混在しており、平均粗さのみでは直接的な相関を確立できないという問題点がある。この原因として、表面の物理的・化学的性質を体系的に制御した均一な試料を用いた研究が不足していることが挙げられる。

　そこで、本研究ではCobolt社製Flamenco（波長660 nm）を光源とした三光束干渉露光系を構築し、光重合体表面に制御可能な交差回折格子を一括露光で作製することによって、この課題に取り組んだ。Cobolt社製の当該光源は、空間フィルタリング・拡大・平行化の後、偏光分離素子と反射鏡を介して三光束に分岐され、感光材料上に二次元干渉縞を形成するために使用された。周期2、5、8 μmの交差回折格子の作製に成功し、周期が大きいほど構造高さと表面粗さが増大することを確認した。表面粗さは周期の変更により約6倍（15～95 nm）の範囲で制御可能であり、回折効率は20～43%の範囲で周期に依存して変化した。今後、細菌の付着に伴う表面形態の変化が回折効率に反映されることを利用し、付着菌数の定量的検出への応用が期待される。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY SA-4.0）に基づいており、査読前論文です。

露光に使用された660 nmレーザー

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　薬物を標的部位へ選択的に届ける標的型薬物送達システムは、がん治療や慢性疾患管理において副作用の低減と治療効果の向上を両立できることから、次世代医療の中核技術として急速に研究が進められている。その担体として注目されるのが、高分子微粒子（ポリマー微粒子）である。これは直径数マイクロメートル程度の高分子からなる粒子で、内部に薬物を封入し、外殻の透過性を制御することで放出速度を調節できる。特に数週間にわたる長期持続的な薬物放出は、短期投与向けのゲル系製剤では対応が難しく、粒子構造の精密な設計が不可欠である。高分子微粒子は医薬品・バイオ技術・材料科学など多分野にわたる応用が期待されており、均一なサイズ・形状・内部構造を持つ粒子を再現性よく大量に製造する技術が強く求められている。

　しかし、従来の製造手法にはそれぞれ固有の課題がある。乳化溶媒蒸発法や噴霧乾燥法は操作が比較的簡便で量産性があるものの、粒子サイズ分布の制御精度が低く、バッチ間のばらつきが生じやすい。微細流路を利用したマイクロ流体デバイスは高精度な粒子形成が可能だが、装置の作製に専門的技術が必要で生産速度が著しく低い。鋳型を用いる手法は形状・サイズの制御性に優れる一方、微細加工された専用鋳型の作製が必要であり、鋳型除去の困難さや量産スケールへの展開に問題がある。すなわち、サイズ・形状・内部構造の精密制御、高い量産性、鋳型不要性、という要件を同時に満たす製造法が存在しないことが共通の問題点であった。

　そこで本研究では、表面エネルギーの低いフッ素化エチレンプロピレン（FEP）基板上に高分子薄膜を積層成膜し、Cobolt社製532nmパルスレーザー（Cobolt Tor XS、繰り返し周波数1 kHz）を用いて薄膜を所定サイズの矩形片に精密切断したのち、加熱処理によって表面張力を駆動力として半球状粒子へと変形させる鋳型不要の新製造法を開発し、上記の問題点を解決した。レーザーは薄膜を目的の寸法（25〜70 µm角）に高精度で切り出すために使用された。粒子サイズは切断寸法で一意に決定され、バッチ内の直径ばらつきはほぼゼロであった。さらに、不透過性ポリカプロラクトン（PCL）外殻を持つ核・殻構造粒子では薬物放出がほぼ完全に遮断され、PCLとポリビニルピロリドン（PVP）を混合した半透過性外殻では4日間にわたる持続的な放出が確認された。加えて、PCLとポリ乳酸（PLA）からなる二成分非対称（ヤヌス）粒子の作製にも成功し、本手法の汎用性が実証された。

※本要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

使用された532nmパルスレーザー

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　ベッセルビーム（Bessel Beam）は、光トラッピング、材料加工、蛍光顕微鏡など多くの応用分野で利用される非回折ビームである。従来のBB生成方法としては、アニュラースリットやアキシコン、空間光変調器（SLM）がある。アキシコンはコストが低く透過率が高いという利点があり、SLMは多段階位相プロファイルと動的制御が可能である。例えば、SLMを用いることで、マルチレベルの位相プロファイルを得ることができ、動的なビーム制御が可能となる。しかし、SLMは低いダメージ閾値と低い反射率という欠点があるため、従来のアキシコンは依然として良い選択肢である。特に、迅速なパラメータ変更や軸方向の強度分布の工学的改変が不要な場合、アキシコンはより適した選択肢となる。また、アキシコンを用いたBB生成法の改善例としては、調整可能なBBを生成する流体アキシコンや、特定のBBパターン用に設計された可変メタアキシコンなどがある。
　また、従来の光学システムでは、ベッセルビームのサイドローブが実験過程で干渉することがあり、これを解決するために多くの方法が開発されている。例えば、ベッセルビームの側波帯を抑制する検出方法や、ビームとサンプル間の相互作用を直接適応させる方法がある。これには、非線形励起やサイドローブによる励起の抑制、ビームシェーピングが含まれる。

　しかし、SLMは低いダメージ閾値と低い反射率という問題点がある。また、アキシコンを用いたベッセルビーム生成法は、パラメータ変更や軸方向の強度分布の工学的改変が難しいという課題がある。さらに、ベッセルビームのサイドローブが実験過程で干渉し、ノイズレベルを増加させることがある。

　そこで、本研究では、3つのアキシコンと2つのレンズを用いた新しい光学システム（SWANシステム）を提案した。このシステムは、コリメートされたアニュラーリング強度パターンを生成し、リングの直径を調整可能とする。さらに、マイケルソン干渉計を用いてベッセルビームのサイドローブを一方向にキャンセルする方法を紹介した。このシステムにより、ベッセルビームのパラメータを柔軟に調整でき、サイドローブを効率的に抑制することが可能となる。具体的には、二つのベッセルビームをコヒーレントに重ね合わせることで、一方の方向でサイドローブが強調され、他方の方向でキャンセルされることを理論的に示し、実験的に検証した。SWANシステムは、SLMやカスタム光学素子を使用する方法に比べて低コストであり、コリメートされた出力ビームを生成するため、干渉に有利である。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

論文で使用されたCoboltのレーザー

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