Introduction
Ashkin דיווח על האצה הלכידה של microparticles ידי לחץ קרינה בשנת 1970. 1 הישג הרומן שלו לקדם את הפיתוח של טכניקות השמנה אופטיות ככלי עיקרי ללימודי פיסיקה בסיסיים וביופיסיקה. 2, 3, 4, 5 עד כה, היישום של השמנה אופטית, והוא מתמקד בעיקר סביבות נוזליות, ו נעשה שימוש כדי ללמוד מגוון רחב מאוד של מערכות, מהתנהגות קולואידים אל התכונות המכאניות של ביומולקולות יחידה. 6, 7, 8 יישום של השמנה אופטית כדי סביבות דמויות גז, לעומת זאת, דורש פתרון כמה בעיות טכניות חדשות.
לאחרונה, השמנה אופטית באוויר / ואקום בשנים אחרונות חלה עלייה ב מחקר בסיסי. מאז לוי אופטיtation פוטנציאל מספק בידוד כמעט-מלא של מערכה מהסביבה, החלקיק לרחף אופטי הופך מעבדה אידיאלית לחקר ארצות קרקע הקוואנטים חפצים קטן, 4 גלי כבידה בתדירות גבוהה מדידה, 9 וחיפוש תשלום חלקי. 10 יתר על כן, הצמיגות הנמוכה של אוויר / ואקום מאפשרת להשתמש אינרציה כדי למדוד את המהירות הרגעית של חלקיק בראוני 11 וכדי ליצור תנועה בליסטית על פני טווח רחב של תנועה מעבר למשטר ליניארי באביב דמוי. 12 לכן, מידע טכני מפורט ופרקטיקות מלכודות אופטיות סביבות דמויות גז הפכו יותר חשובים לקהילת המחקר הרחבה.
ניסיוני בטכניקות חדשות נדרשות לטעון ננו / microparticles לתוך מלכודות אופטיות סביבות דמויות גז. מתמר פיזואלקטריים (PZT), מכשיר הממיר אלקטרונic אנרגיה לאנרגיה mechano-אקוסטי, נעשה שימוש כדי לספק חלקיקים קטנים לתוך מלכודות אופטי באוויר / ואקום 5, 12 מאז ההפגנה הראשונה של ריחוף אופטי. 1 מאז, טכניקות טעינת מספר הוצעו על מנת לטעון חלקיקים קטנים באמצעות אירוסולים נדיפים שנוצרו על ידי nebulizer מסחרי 13 או מחולל גל אקוסטי. 14 לאווירוסולים צפו עם תכלילים מוצקים (חלקיקים) לעבור באופן אקראי ליד מיקוד לכודים במקרה. לאחר אירוסול לכוד, הממס מתאדה החוצה החלקיק נשאר במלכודת האופטית. עם זאת, שיטות אלה אינן מתאימים היטב לזהות חלקיקים הרצוי מתוך מדגם, לטעון חלקיק נבחר כדי לעקוב אחר השינויים שלה אם שוחררו מן המלכודת. פרוטוקול זה מיועד לספק פרטים למתרגלים חדשים על טעינת מלכודת אופטית סלקטיבי באוויר, כולל הניסויהתקנה אל, ייצור של בעל PZT מתחם מדגם, טעינת מלכודת, ורכישת נתונים הקשורים לניתוח תנועת חלקיקים בשני התחומים התדירים ההרכבה וזמן. פרוטוקולים על השמנה בתקשורת נוזלית גם פורסמו. 15, 16
ההתקנה ניסיון הכוללת מפותחת על מיקרוסקופ אופטי מסחרי הפוך. איור 1 מציג תרשים סכמטי של ההתקנה נהגה להציג את הצעדים של טעינת המלכודת אופטית סלקטיבי: לשחרר את microparticles נח, הרמת החלקיק נבחר עם הקרן הממוקדת, מדידת התנועה שלה, ומעמיד אותו על המצע שוב. ראשית, בשלבי translational (רוחבי ואנכי) משמשים להביא microparticle שנבחר על מצע מוקד ליזר השמנה (ננומטר אורך הגל 1064) התמקד על ידי עדשה אובייקטיבית (קרובת אינפרא אדום תקנה מטרה למרחקים ארוכה-עבודה: NA 0.4, הגדלה 20X, עובד דistance 20 מ"מ) דרך מצע שקוף. לאחר מכן, משגר חשמלי (PZT טעון מראש טבעת מהסוג מכאני) מייצר ויברציות קולי לשבור את ההידבקות בין microparticles ואת מצע. לפיכך, כל חלקיק משוחררים ניתן להרים ידי מלכודת לייזר שיפוע חד קרן ממוקדת על החלקיק שנבחרו. לאחר החלקיק הוא לכוד, זה מתורגם במרכז המתחם מדגם המכיל שני לוחות מוליכים מקבילים עבור עירור אלקטרוסטטי. לבסוף, רכישת נתונים (DAQ) מערכת זמנית מתעדת את תנועת החלקיקים, שנתפסה על ידי גלאי אור תאים ברבע (QPD), ואת השדה החשמלי מיושם. לאחר סיום המדידה, החלקיק מושם מבוקר על גבי המצע כך שהוא יכול להיות לכוד שוב באופן הפיך. תהליך הכולל זה ניתן לחזור מאות פעמים ללא איבוד חלקיקים כדי למדוד שינויים כגון חשמול קשר המתרחשים על פני מחזורי שמנה מספר. עיין f לאחרונה המאמר שלנואו פרטים. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
זהירות: יש להתייעץ כל תוכניות הבטיחות הרלוונטיות לפני הניסוי. כל הפרוצדורות מתוארות בפרוטוקול זה מבוצעות בהתאם לתכנית בטיחות ליזר NIST וכן תקנות רלוונטיות אחרות. אנא הקפד לבחור וללבוש ציוד מתאים אישית מגן (PPE) כגון משקפי הגנת ליזר מיועדים הגל והכח הספציפי. טיפול microparticles היבש ננו / עשויה לדרוש להגנת נשימתית נוספת.
תכנון ייצור 1. של מחזיק PZT וכן מארז לדוגמא
- עיצוב בעל PZT ואת מתחם מדגם
הערה: ערכי עיצוב מסוימים להשתנות תלויים בבחירה של PZT.- פתח את חבילת תוכנת תכנון בעזרת מחשב (CAD). צייר סקיצה דו מימדי (2D) של מחזיק עבור מימד PZT נתון. לפתח את הסקיצה 2D לתכונות נפח באמצעות שילובים של בחיתוך Extrude Extrude /.
- לחץ סקיצה,צייר מלבן extrude זה לעשות קוביה מלבנית.
- שרטוט דיסק על המשטח העליון של הקובייה להגדיר תכונה שקועה מעגלית לכסות והחזק את PZT טבעת מהסוג.
- מגדיר חור מרכזי יש גישה אופטית עבור שניהם הדמיה בזמן האמת ולכידה.
- הגדר מדריך מעגלי לאורך שפת החור המרכזי להכניס טבעת שטוחה מתכת (נחושת) לרכז את הכוח קולי לעבר האזור למרכז כפי שמוצג באיור 2 א.
- ליצור שני בולשים בברגי M6 על בעל PZT כדי להתגודד עם צלחת תחתונה (רכש, בעובי 4 מ"מ צלחת אלומיניום תחתונה עם חור במרכז), כפי שמוצגים איור 2 ג ו 2D.
- באופן דומה, לעצב מסגרת מלבנית של מתחם המדגם. לחץ סקיצה, וצייר מלבן, extrude המלבן כדי להפוך אותו קופסה מלבנית.
- צייר מלבן קטן על המשטח העליון של rectangulaתיבת r ו extrude-לחתוך את המלבן כדי לעשות את זה כמו צינור מלבני.
- צייר מלבן קטן על הקיר בצד של הצינור לחתוך Extrude להפוך אותו חזרה אל המסגרת של תיבת מתחם מדגם.
- המרת מודלים תלת-ממדי (3D) אלה לפורמט קובץ stereolithography (STL) עבור תהליך ההדפסה 3D (איור 2b).
- הדפסת 3D של חפצים שנועדו
- פתח את קובץ העיצוב ( "-.STL") מתוך תוכנת הפעולה של מדפסת 3D. הנח את האובייקט שטוח 0 / ובאמצע מרכז האובייקט על (0, 0, 0) על ידי לחיצה על האובייקט כדי לבחור בו ושימוש בפונקציות היישור: "זוז", "פלטפורמה", ו "מרכז". אוריינט בעל PZT להתמודד עם תווי פנים עדינים כלפי מעלה. משטח ההפסקה יהיה מתמודד כלפי מעלה.
- בתפריט עבור אל "הגדרות" ואת הכרטיסייה "איכות". הגדר את ערכי הדפסה כדלקמן, infill: 100%, מספר פגזים: 2, וגובה Layer: 0.2מ"מ.
- תצוגה מקדימה של החפצים כדי לבדוק את זמן הדפסה הכולל ולוודא האובייקטים השכבתיים יודפסו כפי רצוי. לייצא את קובץ ההדפסה 3D במתכונת ".x3g" ולשמור אותו לשימוש במדפסת 3D.
- הפעל את מדפסת 3D ולחמם עד לטמפרטורה של הזרבובית שהחול מגיעה לטמפרטורת עבודה, 230 ° C. טען את קובץ העיצוב מכונן רשת מכרטיס זיכרון או.
- במהלך החימום, למקם את פלטפורמת Build עם קלטת של הצייר כחול לעזור חפצים לדבוק באופן מאובטח. כחומר תרמופלסטיים עבור עבודת ההדפסה, להשתמש חומצה polylactic נימה (PLA) לשני האובייקטים.
- הדפס האובייקטים תוכנן. ברגע שהמשימה לסיום ההדפסה, כבה את המדפסת לאחר שהוא התקרר.
- ניתוק האובייקט מודפס מהפלטפורמה בעזרת אזמל. יישר את האובייקטים המודפסים. אם הכיוון נבחר כראוי, בעל PZT ניתן להשתמש ישירות ללא שלאחר עיבוד נוסף.
- For מתחם המדגם, להכין זוג אחד של תחמוצת אינדיום בדיל (איטו) coverslips מצופה ושלוש coverslips הזכוכית לכסות את המסגרת. השתמש חותך יהלומים כדי להתאים את coverslip המתחם.
- חוט שני לוחות מוליכי המקבילים באמצעות צבע כסף ייבוש מהיר לספק מתח על פני שתי צלחות. מדביקים חמישה חלונות אלה על המתחם מדגם באמצעות הדבקה מיידית.
הערה: זוג אחד של coverslips מצופה איטו מותקן על המתחם מדגם במקביל (אחד מול שני) לספק בשדה אחיד חשמלי כדי ליצור תנועה בליסטית של החלקיק הטעון באופן טבעי לאורך השדה החשמלי. את coverslip הקונבנציונלי השלושה לכסות את שאר משטחי מתחם מדגם (למעלה ושני צדדים אחרים) כדי להגן על החלקיקים הלכודים המזרימה החיצונית של אוויר
2. טוענים מלכודת אופטית של microparticle נבחר
- להכנת דגימות
- אחסן את microparticles בביתייבוש ופונה לבית להפחית מגע עם לחות באוויר לפני הניסוי.
- שפוך חלק קטן של microparticles לשקופית כוס ומייד לשים את הבקבוק של הייצור בחזרה הייבוש.
- תרים חלק microparticles עם צינור נימי זכוכית. מפזרי החלקיקים מעל המצע על ידי ההקשה בעדינות על הנימים תוך כדי לחיצה על הנימים על coverslip.
- בדוק את הכמות והפצה של חלקיקים מופקדים על המצע באמצעות מיקרוסקופ כהה שדה.
הערה: בשלב הכנת המדגם, החלקיקים הללו מפוזרים רק על coverslip צילמו עם מיקרוסקופ אופטי כדי לוודא ההסדר הכולל לפני הכנסתם (א coverslip עם microparticles מפוזרים) בין בעל PZT ו PZT. מאז הידבקות המשטח היא מספיק חזקה כדי להחזיק microparticles פרט על פני המצע, החלקיקים הדבקים תקועים עמוקים אלא אם כוח חיצוני משמעותי מוחל. - הרכבה משגר Piezoelectric
- השג את כל המרכיבים של המשגר פיזואלקטריים: הצלחת התחתית השטוחה, סרט בידוד, את PZT, coverslip הזכוכית, טבעת נחושת, בעל PZT, שני ברגי M6, ואת מתחם המדגם.
- למרוח שכבה דקה (או קלטת) על הצלחת התחתונה על מנת לבודד את PZT. Coverslip הזכוכית מבודד בראש הערימה.
- הרכב את הערימה על ידי מרכוז PZT על גבי הצלחת השטוחה עם חברה מבודדת עם קלטת, ואחריו coverslip, הטבעת הנחושת, ואת בעל PZT. הבריגו את ערימת יחד בשמירה על המרכוז של PZT להימנע מקצר את PZT לבעל אם בעל מנהלת כפי שמוצג ב איור 2 ג ו 2D. טבעת הנחושת מספקת preload מכאני מופץ באופן שווה על הערימה למחזיקי PZT פלסטיק.
- לבסוף, מדביק את המתחם מדגם על המחסנית ואת הר ההרכבה על במת translational XYZ המיקרוסקופ.
- תצורת המשגר PZT
הערה: נהיגת PZT עם אות מתח גבוה יש לסכנות חשמליות פוטנציאליות. אנא להתייעץ עם אנשי ביטחון לפני הניסוי. כל חיבורי החשמל צריכים להיות מאובטחים לפני הניסוי. כבו את המגבר ונתק PZT מוביל בכל הזדמנות אפשרית.- חבר את PZT מוביל המגבר מתח ולחבר את מחולל פונקציה ליציאת הקלט של מגבר מתח.
- הפעל את מחולל הפונקציה ולהגדיר את זה כדי ליצור גלים מרובעים רציפים עם מתח מוצא של 1 V. אל תפיק את אות המתח עד שכל החיבורים מאומתים ומאובטחים.
- הפעל את מגבר המתח וליצור הגל המרובע של מתח מוצא 1 V, בכך שהיא מאפשרת את הפלט.
- חברו את יציאת פלט ניטור (V פלט מתח 200) של המגבר כדי אוסצילוסקופ. הגדר את המגבר יש רווח של 200 V / V על ידי סיבובלזכות כפתור בלוח הקדמי. ודא שמתח ניטור הפלט יש משרעת של 1 V, כפי שהיא נמדדת על ידי האוסילוסקופ.
- לאחר מחולל פונקציה ואת המגבר מוגדרים, למצוא את תדר התהודה של משגר PZT ידי סריקת אפנון תדר של האות נהיגה בעוד תמונות מיקרוסקופ וידאו בזמן אמת דבקה חלקיקים. חזור על הסריקה עד שתנועת microparticle היא לכל היותר. שימוש בתדר זה (64 קילוהרץ כאן) כדי לשחרר חלקיקים.
הערה: אפנון תדר משתנה באופן ידני (סרוק) מאפס עד 150 kHz למצוא תדר תהודה. - הגדר את הגנרטור פונקציה כדי להפיק גל מרובע עם מספר מחזורי שצוין במצב פרץ. לחצו על כפתור ה "פרץ" בלוח הקדמי ובחר "פרץ מחזור N".
- בחר את הספירה פרצה על ידי לחיצה על "מחזורים #" מפתח רך להגדיר לספור עד 10 או 20.
- הגדר את צורת הגל המרובעת לייצר אותות מתח עםמשרעת של 600 V (שלוש פעמים את המתח משמש גירוי רצוף) בתדר התהודה של 64 קילוהרץ אשר מצא מהשלב הקודם. ודא כי האות הפועמת משחררת את חלקיקי היעד באופן חזר ידי ההבטחה להזיז חלקיקים אחרי דופק בכל.
- טעינת מלכודת אופטית סלקטיבי
הערה: ההרכבה משגרת PZT מותקנת על במת XY תרגום ליניארי ידנית. החלקיקים יכולים להיות מתורגמים ביחס מוקד הקורה הקבוע על ידי הזזת במת translational.- הסר את מסנן קו לייזר לזהות את הפוקוס של קרן השמנה על ידי החלפה של הצריח מיקרוסקופ (איור 3 א). להעביר את גוש התמקדות ממונע הלוך ושוב אנכי סביב המוקד הטוב ביותר של התמונה הגלויה לייעל מוקד.
- לאחר מצב המיקוד מאומת, לשים את המסנן בחזרה לתת וידאו בזמן אמת ברור ללא כל הפרעה מן הקורה השמן.
- תרגם את המדגם כדי pתחרת חלקיק שנבחר בחלק מצב המיקוד של הליזר השמן. דגש על החלקיק לתדמית במרכז חלקיק שנבחר, אשר מציב את עמדת שמנה הנומינלית מתחת למרכז חלקיקים בכ רדיוס מחצית תוך השארת עמדת הריחוף מעל החלקיקים.
- התאם את אספקת החשמל המחובר אפנן אלקטרו-אופטי הנהג (שוטף) כדי להגדיר את כוח ההשמנה האופטי. הכוח האופטימלי תלוי בגודל החלקיקים וחומר. הכח האופטי נמצא דרך ניסויים חוזרים ונשנים על מנת לקבוע את הכח מספיק כדי לרחף החלקיק ללא ולהוציא אותו מן הקורה. הנה, השתמש כוח אופטי של 140 מגה ואט במישור המוקד האחורי של המטרה כדי ללכוד את הקלקר בקוטר 20 מיקרומטר (PS) החלקיקים.
- לאחר במרכז החלקיק שנבחר מיושר, להניע את המשגר פיזואלקטריים עם כמה פולסים. השינוי של תמונת חלקיק מתמונת ממוקד סטטי דמותה מטושטשת נעה מציין טעינה מוצלחת אל הלבעמדת itation.
- תרגום החלקיק לרחף אנכי כמילימטר מעל המצע על ידי הזזת העדשה האובייקטיבית עד למנוע אינטראקציות פני אפשריות. ואז להקטין את הכח האופטי מעבר החלקיק לרחף (איור 3B) לתוך המיקום שמן הנומינלי (איור 3c) שהוא יציב יותר.
הערה: הכוח האופטי של הלייזר השמנה יכולה להיות מווסתת על ידי אפנן אלקטרו-אופטיים (שוטף). השוטף מסדיר את הספק מוצא עם מתח הטיה המסופק באמצעות ספק כוח דיגיטלי. אפשר לראות את המעבר מן הריחוף כדי שמנת עמדה דרך CCD בזמן מפחית את הכח האופטי לאט. - למדידת העמדה, כפי שהוא מתואר איור 3c ל 3D, בזהירות להעביר את המרכז בעל PZT לציר האופטי ולאחר מכן הזז את עד העדשה האובייקטיבית (אנכי) לתרגם את החלקיקים אל אמצע מתחם מדגם (9 מ"מ מעל substrאכול) שבו השדה השולי החשמלי ממוזער.
- לאחר ביצוע המדידה כמתואר להלן, למקם את החלקיקים על פני המצע ידי הזזת המטרה למטה עד החלקיק נוגע המצע. מאחר שרוב החלקיקים מוחלים ליד הפינות, החלקיק הלכוד יכול בקלות להיות מוכר מחדש לכוד כאשר היא ממוקמת באזור המרכז. זה מאפשר טעינת מלכודת הפיכה כדי למדוד שינויים המתרחשים מעבר אירוע השמנה יחיד כגון אינטראקציות מגע של חלקיקים ואת המצע.
3. קליטת נתונים
- יישר את הקבל ואת העדשה מתמקדת על מנת למקסם את "SUM" QPD אות עם חלקיק במלכודת.
- יישר את העדשה מתמקדת להלכה לאפס ערוצי X ו- Y של QPD, כפי שמוצג איור 4C.
- חזור על ההתאמה קבל ואת העדשה מתמקדת עד אותות עמדת טרנספורמציה פורה (או צפיפות ספקטרום הספק (PSD) מגרשים) של X ו- Y ערוצים להרכיב להראות רגישות מאוזנת. כראוי אותות QPD מזדהות (X ו- Y) להראות כמעט התנהגות זהה, כפי שמוצג באיור 4 ב.
- לאחר יישור QPD מאומתת, לחבר את מגבר מתח לשתי צלחות איטו. חברו את אות פלט ניטור מתח של המגבר למערכת DAQ להקליט אות עירור צעד ואת מסלול החלקיקים המושרה באופן סינכרוני.
- לספק גל מתמשך רבוע של 400 V כדי ליצור שדה חשמלי (4D איור) שזז החלקיק רוחבי לציר האופטי על ידי כ -500 ננומטר (4E איור). למדוד את תגובת השלב של החלקיקים הלכודים באמצעות QPD.
- מספר פרקים הממוצעים לפי צורך כדי להפחית את ההשפעות של תנועה בראונית. ההצעה המושרית ניתן להשתמש כדי למדוד את הכח האופטי על פני טווח רחב יותר של תנועה מזה של תנודות תרמיות. 12,EF "> 17 איור 4d ו 4e מופעים בממוצע אותות של מתח מיושם ואת מסלול החלקיקים המושרה מעל 50 חזרות של עירור צעד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
משגר PZT נועד באמצעות חבילת תוכנות CAD. כאן, אנו משתמשים מבנה כריך פשוט עבור הטעינה המוקדמת (א PZT הדק עם שתי צלחות), כפי שמוצג באיור 2 בעל PZT ואת מתחם המדגם יכול להיות מפוברק ממגוון חומרים ושיטות. להדגמה מהירה, אנו בוחרים הדפסת 3D עם תרמופלסטיים כפי שמודגם איור 2. בהתבסס על הרכיבים המפוברקים, טעינת מלכודת אופטית מוצגת באיור 3. לטעינה סלקטיבית, הליזר השמן משתקף חסום במהלך הניסוי על ידי מסנן מותקן על צריח מיקרוסקופ כדי להגן על מצלמת CCD בעוד האור הנראה עובר את המסנן בתחום הדמית השתקפות כפי שמודגם באיור 1. מצלמת CCD מכויל גם מקל כמוני מדידה בכך שהוא מאפשר מדידה של קוטר החלקיקים וזיהוי תפקיד נוסף. הקוטר של יעדחלקיקים שניתן להשתמש בם כדי לחשב את המסה אשר מניבה קשיחות מלכודת מתדירות הטבעית, כפי שנראה להלן. מסלוליהן נמדד באמצעות מצלמת CCD משמשים גם כדי לכייל את אות המתח QPD למדידת תזוזה. 12
לאחר החלקיק הוא לכוד, פיזור בהיר מלייזר אדום מאפשר החלקיק לכוד שיכירו בעין בלתי מזוינת, כפי שמוצג באיור 1 (תצלום הבלעה). כמו כן, בזמן אמת תמונות של המצע יכולות לקבוע אם החלקיק כבר לכודה שכן הוא בגובה שונה (פוקוס) מן microparticles האחר דבק המצע (איור 3). Microparticles יכולים להיות לכודים שתי עמדות: בעמדה השמנה עמדה ריחוף. במצב לכידה, כוחות אופטיים לייצב את החלקיקים לכל הכיוונים. לעומת זאת, במצב ריחוף החלקיק הוא רק התייצב transversאיליי ידי כוחות אופטיים. בשנות ה אנכי כוח כלפי מעלה מלחץ קרינה מתאזן על ידי כוח הכבידה. בשיטת הטעינה שלנו, החלקיק שנבחר מועבר בדרך כלל בעמדת ריחוף. במיקום הריחוף, המיקום האנכי של החלקיקים המושעים הוא הרבה יותר רגיש לשינויים שחלו בכח האופטי מאשר העמדה השמנה ליד המוקד. 18 אפשר להזיז את החלקיקים אנכיים repeatably בין עמדות יציבות שני אלה על ידי שינוי הכח האופטי. עמדת הריחוף יש גם רגישות גבוהה יותר כוחות חיצוניים מאשר העמדה השמנה הנומינלית משום נוקשות המלכודת הופכות רכות כמו האור מתפשט מן המוקד. לפיכך, מיקום הריחוף יכול לשמש גם עבור מדידות רגישות יותר כאשר רעש עקירה אינו נשלט על ידי תנועה בראונית. כאשר רעש העמדה מוגבל תרמית כפי שהוא כאן, ומקטין את הרגישות כלפי מעלה או נוקשות ורעש כך שאין f רווחאו מדידת דיוק.
התנועה של החלקיקים הלכודים מנוטרת על ידי QPD והוקלטה על ידי לוח DAQ. אות QPD נרשמה בתחום הזמן (איור 4C) ו פורה טרנספורמציה (4a הדמוי ו -4). היישור הכולל ניתן לבדוק בנוחות על ידי השוואת ספקטרום העצמה של שני ערוצים רדיאלי (X ו- Y). אם הם אינם גבי (איור 4 א), היישור האופטי צריך להיות מתוקן עד סופרפוזיציה מתרחשת (כפי שמוצג איור 4).
מסלולו החלקיקים מראה הוא הבראונית תנועה בליסטית כפי שמוצג באיור 4. פעם אחר התדר ניתוחים שניתן להשתמש בהם כדי לפרש מדידות אלה. יש לנו הצגנו שתי גישות לכפות מדידה המאפשרת הבנה שלמה יותר של המלכודת האופטית ידי השוואת תנועה בראוניתלבקשה הבליסטית המושרה על ידי כוח אלקטרוסטטי. מסלולו החלקיקים עבור מהלך הבראוני בשום שדה אלקטרוסטטי מומר צפיפות ספקטרלית הכח אז מה שיכול להיות מנותחת על ידי קוי לפחות מרובע להתאים את הפתרון של משוואה לנגווין המלאה. 19 ניתוח זה של PSD מניב את תדר התהודה ואת הדעיכה בסמוך למרכז המלכודת. תדירות התהודה מומרת הקשיחות מלכודת באמצעות המסה הידועה בנוסחא 
. עקירה נמדד ואז נותן כוח אופטי באמצעות הנוסחה עבור -kx באביב F =.
ההצעה הבליסטית המושרה על ידי שינוי שלב בתחום אלקטרוסטטית גם יכולה להניב לתדר התהודה של המלכודת ואת הדעיכה של המדיום. 12 כפי אנו מסירים את שדה אלקטרוסטטי מן החלקיקים הלכודים, החלקיק ישוחררו rזור אל position.as הקשה ללא שדה שמוצג באיור 4d ו 4E. העקירה כפונקציה של זמן יכולה להיות לנכון הפתרון הכללי של מתנד ההרמוני דכא לתת תדר התהודה, דעיכה, ועקירה יציבה. לשתי הגישות להניח כי החלקיק במלכודת מעשים כמו קפיץ ליניארי. ניתן להאריך מדידות אלה לכוחות כלליים (שאינו ליניארי) בשיטת הכח פרמטרית. 12 הפרטים של ניתוח PSD וניתוח כוח פרמטרית הם לא המוקד בפרוטוקול זה אך ניתן למצוא הן מהספרות. 12, 19
איור 1: שרטוטים של הגדרת הניסוי משמשים טוען מלכודת אופטית סלקטיבי ב Air. כוח חד קרן שיפוע t אופטיראפ הוא פותח על מיקרוסקופ אופטי הפוך. קיצורים המשמשים סכמטית מפורטים להלן: שוטף, אפנן אלקטרו-אופטיים; HAL, מאייר הלוגן; MFS ממונע התמקדות בשלב; מטרת NIR-lwd, אינפרא אדום מרחק עבודה ארוך תיקן עדשה אובייקטיבית; TS, שלב התרגום (x-y); PZT, מתמר פיזואלקטריים; ESM, אפנן שדה אלקטרוסטטי; ND, מסנן צפיפות ניטרלי; QPD, photodetector תאים ברבע; DM, המראה דיאלקטרי; איטו, תחמוצת אינדיום בדיל מצופה coverslips; CCD, לחייב את מצלמה במכשיר מצמידה; HeNe, לייזר ניאון הליום (633 ננומטר); Nd: 4 YVO, 1,064 ננומטר לייזר ללכידה. 12 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: ייצור של עאסם משגר Piezoelectricבליי. (א) תמונות שניתנו על בעל PZT באמצעות חבילת תוכנות CAD במתכונת "-.SLDPRT" ו- (ב) "-.STL" פורמט להדפסה 3D. (ג) תמונה מעובדת של ההרכבה הסופית של משגר פיזואלקטריים: מארז מדגם (עם coverslips מצופה איטו), בעל PZT, spacer טבעת, טבעת מסוג PZT, לוחית אלומיניום, coverslips. (ד) תמונה של ההרכבה הסופית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: צעד אחר צעד הפגנה של Loading מלכודת אופטית סלקטיבי של חלקיק PS 20 מיקרומטר. (א) איתור מוקד הקורה השמן, (ב) מרחף מעל חלקיק פוקוס (החלקתמונת icle היא לטשטש עמום מכיוון שעמדת הריחוף היא הרבה מעל מוקד מיקרוסקופ הנומינלי), (ג) מעבר למצב הלכיד (נומינלי בפוקוס), ולאחר מכן (ד) העברת החלקיקים הלכודות לאזור המרכזי לרכישת נתונים. החלקיק הוא לכוד על מיקום קבוע של מוקד הקורה ואילו הבמה המדגמת מועברת כמצוין עם חץ צהוב באיור 3D (סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: QPD שנתפס חלקיקים מסלולים הוא את תדירות ואת זמן דומיין. (א) הגדרת ניסוי גרוע מיושר מראה פסגות רעש בתדר נמוך ורעש בתדרים ספציפיים ואילו (בPSDs של x ו- y הציר עולה נכון יישור אופטי גם בהתאמה). (ג) QPD מתעדת את התנועה הבראונית של החלקיקים הלכודים במישור הזמן. (ה) שינוי שלב השדה החשמלי להחיל על פני החלקיקים הלכודים נרשם באופן סינכרוני עם המושרה (ד) תנועה בליסטית באמצעות רכישת נתונים (DAQ) המערכת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
משגר פיזואלקטריים נועד כדי למטב את הביצועים הדינמיים של PZT שנבחר. בחירה נכונה של חומרי PZT וניהול של תנודות קוליות הן השלבים העיקריים להניב בניסוי מוצלח. יש PZTs מאפיינים שונים בהתאם לסוג של מתמר (בתפזורת או מוערם) וחומרי רכיב (קשים או רכים). PZT סוג בתפזורת עשוי מחומר פיזואלקטריים קשה נבחר מהסיבות הבאות. ראשית, חומרים פיזואלקטריים קשים הפסדים דיאלקטרי נמוכים גורם איכות מכאנית גבוהה בחומרים רכים. שנית, PZT הסוג בתפזורת מייצג עומס חשמלי נמוך, והוא קל יותר לנהוג בתדרים גבוהים יותר מתמר סוג מוערם. תחת פעולה דינמית, תנודה משרעת גבוהה יכולה לגרום כוחות מתיחים על קרמיקת PZT פרק כי לגרום כשל מכאני. מבנה טעינה מוקדם מכנים משמש לספק עומס קבוע כדי להפחית חריפה ולשפר ביצועים דינמיים של PZT. נפגשspacer טבעת allic מוכנס בין בעל PZT והטבעת מסוג PZT. spacer מתכתי טבעת זו מרכז את הכח הקולי ומפיץ אותו באופן שווה סביב הטבעת (כל לחץ מקומי (אחיד) יכול לשבור את coverslip בקלות.). עם משגר PZT-מתוכנן היטב, יישור נכון של החלקיקים אל הקורה השמן בשני הכיוונים הציריים רדיאלי מקובע את יעילות טעינה מלכודת. אם החלקיק אינו לרחף בהצלחה לאחר פועם, לחזור על יישור המצע ולהעביר את הפוקוס קצת מתחת החלקיקים למצוא במיקום הטעינה האופטי. עבור העדשה אובייקטיבי תיקן האינפרה-אדום הקרוב, מוקד הקורה השמנה מוגדר להיות מיקרומטרים אחדים מתחת מטוס מדגם זה מתמקדת על CCD. כוחה השמן האופטימלי הנדרש כדי microparticles המלכודת משתנה כמו הגודל של שינויי microparticle היעד. 13 הכח השמן האופטימלי ניתן למצוא באופן אמפירי באמצעות ניסוי וטעייה. הכוח הנדרש כאן (140 mW) הואיחסית גבוה בשל NA הנמוך מרחק עבודה ארוך בשימוש.
הנה הראינו טעינת מלכודת הפיכה של חלקיק PS 20 מיקרומטר. עם זאת, הגישה שלנו יכולה להתארך עד חלקיקים קטנים. לקבלת microparticles הקטן, משגר PZT הנוכחי שלנו לא מסוגלים לספק כוח קולי מספיק כדי לנתק את החלקיקים. שימוש במעגל נהיגת PZT מהר הוכח לשחרר חלקיקים קטנים. 20 בנוסף, משטח נמוך הידבקות יכול להיות גישה חלופית. הפחתת 21 של הדבקה בין microparticles ואת המצע יהיה למתן את הכוח קולי המינימלי הנדרש כדי לנתק את החלקיקים ובכך משגר PZT הנוכחי שלנו יכול לשמש גם כדי לנתק חלקיקים קטנים.
רוב טכניקות טעינת קונבנציונאליים תהליכים אקראיים שבו טיפות תרסיס רבות עם תכלילים מוצקים נוצרות באופן רציף עד שאחד מהם נלכד במקרה ליד CEN מהלכודהter. לכן שיטה מקובלת זה לא יכול להיות מתאים עבור לכידת דגימות עם כמות מוגבלת או שמירת דגימה אחידה. בפרוטוקול, אנחנו מדגימים טעינת מלכודת אופטית הפיכה הכוללת מחזורים חוזרים של טעינת מלכודת ונחיתה. זה מאפשר ניסויים ייחודיים, למשל בחקר הצטברות תשלום על החלקיק. 22 המטען על החלקיק הלכוד יכול להימדד על ידי התאמת תגובת המעבר (4D איור) לפתרון האידיאלי של מתנד ההרמוני באופן קוי לפחות מרובע. העקירה המושרית מוכפלת נוקשות מלכודת נותנת את הכח האלקטרוסטטי המאפשר חישוב תשלום מן עוצמת השדה הידועה החשמלית (שניתן על ידי המתח להחיל מחולק המרחק בין שני לוחות המקבילים איטו המצופה). 12 זה מדידת תשלום פשוט יכולה להתארך לחקור את אינטראקצית חלקיק-פני שטח כאשר הוא משולב עם techni טעינת המלכודת ההפיכהque הפגין כאן. 22
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ScotchBlue Painter's Tape Original | 3M | 3M2090 | |
| Scotch 810 Magic Tape | 3M | 3M810 | |
| Function/Arbitrary Waveform generator | Agilent | HP33250A | |
| Power supply/Digital voltage supplier | Agilent | E3634A | |
| Ring-type piezoelectric transducer | American Piezo Company | item91 | |
| Electro-optic modulator | Con-Optics | 350−80-LA | |
| Amplifier for Electro-optic modulator | Con-Optics | 302RM | |
| Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective | Edmund optics | 46-404 | Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics |
| LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE | Loctite | 230992 | |
| 3D printer | MakerBot | Replicator 2 | |
| Polylactic acid (PLA) filament | MakerBot | True Red PLA Small Spool | |
| Data Acquisition system | National Instruments | 780114-01 | |
| Quadrant-cell photodetector | Newport | 2031 | |
| Translational stage | Newport | 562-XYZ | |
| Inverted optical microscope | Nikon Instruments | EclipsTE2000 | |
| Fluorescence filter (green) | Nikon Instruments | G-2B | |
| Flea3/CCD camera | Point Grey | FL3-U3-13S2M-CS | Trapping laser |
| Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4) | Spectra Physics | J20I-8S-12K/ BL-106C | |
| Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips | SPI supplies | 06463B-AB | Polystyrene microparticles |
| Fast Drying Silver Paint | Tedpella | 16040-30 | |
| Dri-Cal size standards | Thermo Scientific | DC-20 | |
| Optical Fiber | Thorlabs | P1−1064PM-FC-5 | bottom plate |
| Aluminium plate | Thorlabs | CP4S | |
| High voltage power amplifier | TREK | PZD700A M/S |
References
- Ashkin, A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).
- Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator. Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).
- Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L. Subkelvin Parametric Feedback Cooling of a Laser-Trapped Nanoparticle. Phys. Rev. Lett. 109 (10), 103603 (2012).
- Chang, D. E., et al. Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (3), 1005-1010 (2010).
- Arita, Y., Mazilu, M., Dholakia, K. Laser-induced rotation and cooling of a trapped microgyroscope in vacuum. Nat. Commun. 4, 2374 (2013).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M.
- Mehta, A. D. Single-Molecule Biomechanics with Optical Methods. Science. 283 (5408), 1689-1695 (1999).
- Arvanitaki, A., Geraci, A. A. Detecting High-Frequency Gravitational Waves with Optically Levitated Sensors. Phys. Rev. Lett. 110 (7), 071105 (2013).
- Moore, D. C., Rider, A. D., Gratta, G. Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres. Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801 (2014).
- Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle. Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).
- Park, H., LeBrun, T. W. Parametric Force Analysis for Measurement of Arbitrary Optical Forces on Particles Trapped in Air or Vacuum. ACS Photonics. 2 (10), 1451-1459 (2015).
- Summers, M. D., Burnham, D. R., McGloin, D. Trapping solid aerosols with optical tweezers: A comparison between gas and liquid phase optical traps. Opt. Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).
- Anand, S., et al. Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization. Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).
- Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope. Nat. Protoc. 2 (12), 3226-3238 (2007).
- Pesce, G., et al. Step-by-step guide to the realization of advanced optical tweezers. J. Opt. Soc. Am. B. 32 (5), B84 (2015).
- Thornton, S. T., Marion, J. B. Classical Dynamics of Particles and Systems. , Brooks/Cole. (2003).
- Ashkin, A. Stability of optical levitation by radiation pressure. Appl. Phys. Lett. 24 (12), 586-588 (1974).
- Chandrasekhar, S. Stochastic Problems in Physics and Astronomy. Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).
- Li, T. Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres. , New York. 9-21 (2013).
- Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. Reducing Adhesion Force by Means of Atomic Layer Deposition of ZnO Films with Nanoscale Surface Roughness. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).
- Park, H., LeBrun, T. W. Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air. SPIE OPTO. 9764, (2016).
