Summary
يصف هذا العمل ويميز تصنيع منصات الاصطياد الضوئي الأوتوماتيكية المصغرة.
Abstract
تقدم هذه الورقة جهاز اختبار مصيدة ضوئي آلي ومتوافق بسرعة مع FAB لتمكين إضفاء الطابع الديمقراطي والتعهيد الجماعي لأبحاث العرض الحجمي. يمكن بناء الجهاز في غضون 2 ساعة باستخدام قاطع ليزر وطابعة ثلاثية الأبعاد (3D) وأدوات يدوية شائعة. في شكله الحالي ، يمكن استخدام الجهاز لاختبار المعلمات الحرجة التالية: نوع الجسيمات ، ونوع المصيدة ، والفتحة العددية ، وتدفق الهواء بمعدل 250 عينة تقريبا في الساعة. مع تعديل طفيف ، يمكن إجراء جهاز الحفر لاختبار مجموعة أكبر من المعلمات ، مثل طاقة الليزر والطول الموجي لليزر ، اعتمادا على احتياجات المستخدم. يمكن للجهاز استخدام رؤية الماكينة لالتقاط البيانات وتحليلها تلقائيا. يتم وصف تشغيل وبناء جهاز الاختبار بخطوات موجزة وسهلة المتابعة. يتم الإبلاغ عن نتائج من "مزرعة" منصة اختبار مكونة من أربع وحدات تغطي معلمات نوع الطاقة والجسيمات. وستعمل هذه المنصة على توسيع نطاق وتكوين معلمات عرض الفخ البصري والباحثين من خلال إمكانية الوصول وإرساء الديمقراطية.
Introduction
تتيح شاشة الفخ البصري (OTD) هندسة العرض التي شوهدت في الخيال العلمي. وهو يعمل عن طريق محاصرة جسيم من خلال الفريسة الضوئية وإضاءة الجسيم1،2،3،4. ثم، يشكل سحب هذا الجسيم عبر الفضاء صورة في الهواء يراها المشاهد مستمرة وفقا لاستمرار الرؤية5. تسمح تقنية 3D بدون شاشة هذه بعرض الأشكال الهندسية مثل الإسقاطات طويلة المدى والطاولات الرملية الطويلة والشاشات الملتفة 1. هذه الأشكال الهندسية مقنعة بشكل فريد لأنها لا تتطلب أي شاشة وتنشئ محتوى يمكن رؤيته من كل زاوية تقريبا.
وجد الباحثون في جامعة بريغهام يونغ نجاحا أوليا في الجيل الأول من نظام الاصطياد الضوئي باستخدام موسع شعاع وماسحات ضوئية للجلفانومتر ، إلى جانب العديد من المرايا وعدسة كروية واحدة أو أكثر لإنشاء فخ ضوئي من خلال انحراف كروي 1,4. كما احتوى جهاز الملائمة من الجيل الأول هذا على ليزر RGB (الأحمر والأخضر والأزرق) للسماح بإضاءة شاشة ملونة دقيقة. باستخدام نظام الملائمة هذا ، يتم إنشاء OTDs عن طريق تحريك جسيم واحد عبر مسار معقد. يحد هذا النهج من حجم الصور إلى أقل من سنتيمتر مكعب ويحد من تعقيد الصور في الوقت الفعلي إلى الإطارات السلكية وغيرها من المحتويات المتناثرة6,7. وعلاوة على ذلك، فإن توسيع نطاق هذه التكنولوجيا محدود بسبب عدم اتساق الاصطياد الضوئي8. إذا كان من الممكن تحسين نظام ملائمة/جسيمات واحد، فيمكن تحقيق توسيع نطاق الشاشة عن طريق تكرار ملائمة محسنة وملائمة ومسح جزيئات متعددة ضوئيا بشكل متزامن9. سيتم مضاعفة أي مشاكل مع فخ واحد في نظام متعدد الفخاخ ، لذلك يعد التحسين الدقيق لمعلمات الفخ والجسيمات أمرا بالغ الأهمية.
يتطلب تحسين نظام الفخ / الاصطياد الفردي إجراء اختبارات مكثفة لكل معلمة من معلمات نظام الاصطياد الضوئي7. وتشمل هذه المعلمات نوع الجسيمات (المادة والشكل والحجم) وقوة الليزر والطول الموجي لليزر والفتحة العددية (البعد البؤري والقطر والإمالة). سيؤدي الاختبار والتجريب من خلال التجربة والخطأ لكل معلمة إلى تحسين الفخاخ الفردية والفخاخ المتزامنة المتعددة. ومع ذلك ، فإنها تتطلب كميات كبيرة من البيانات التي سيتم جمعها.
في الماضي ، لم يتم إجراء عملية البحث والاختبار لتحسين الاصطياد الضوئي من خلال الانحراف الكروي إلا من قبل حفنة من الباحثين في جميع أنحاء العالم1،2،3،4،5،6،7،8،9،10 . حتى وقت قريب، اعتمد الباحثون في جامعة بريغهام يونغ على نظام اصطياد واحد كبير ومكلف لجمع البيانات اللازمة، مما تسبب في بطء عملية الاختبار وجمع البيانات1,7. ومع ذلك ، منذ تقديم شاشات الفخ البصري كحل للتصور ثلاثي الأبعاد في عام 20181 ، أعرب الأفراد من جميع الفئات العمرية ومن عدة قارات عن رغبتهم في المشاركة في البحث. بسبب الاهتمام المتولد ب OTDs ، أراد الباحثون إيجاد طريقة للسماح لجميع الأطراف المهتمة بالمشاركة في عملية البحث. كانت الأجيال السابقة من منصات الاصطياد الضوئي ، التي تحتوي على مقسمات الحزم والجلفانومترات ، مكلفة للغاية وتستغرق وقتا طويلا للإنتاج الضخم والتعهيد الجماعي 1,6 ، لذلك كانت هناك حاجة إلى حل مختلف.
تم تطوير جهاز حفر ضوئي مصغر جديد ، والذي يسمح لجميع الأطراف المهتمة بالمشاركة في البحث واختبار وجمع البيانات بسرعة لجميع المعلمات الهامة المذكورة أعلاه. يمكن تصنيعها بسرعة من قبل أي شخص لديه إمكانية الوصول إلى طابعة 3D وقاطع الليزر. يحاول هذا التصميم تقليل التكلفة والتعقيد ، وتخفيف المخاطر ، وزيادة الأتمتة والترابط والمرونة (الشكل 1). يستخدم الجهاز الجديد الإعداد البصري الأكثر وضوحا للاصطياد الضوئي الممكن: ليزر واحد وعدسة واحدة10. الحفارات الصغيرة سهلة الاستخدام بمجرد إعدادها ويمكن اختبارها بمعدل 250 محاولة تقريبا في الساعة.
البيانات التي تم جمعها من هذه الحفارات من اختبارات العلماء والباحثين المواطنين في المستقبل ستساعد بشكل كبير في تطوير الاصطياد الضوئي في استخدامه للتصور 3D من خلال السماح لتحسين معلمات الاصطياد والفخاخ الفردية.
Protocol
1.3D الطباعة والقطع بالليزر للمواد المطلوبة
- 3D طباعة المواد المدرجة أدناه
- اطبع حامل العدسة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد FDM (نمذجة الترسيب المنصهر) (انظر جدول المواد) وفقا للمعلومات المقدمة في الملف التكميلي 1. حامل العدسة هذا مخصص لعدسة 30 مم (قطرها) (الشكل 2).
ملاحظة: يمكن تخصيص الملف بسهولة ليناسب العدسات الأخرى. - بعد ذلك ، اطبع منصة الكابولي وحاملها (الشكل 2) (الملف التكميلي 2 والملف التكميلي 3).
ملاحظة: يمكن أن يستغرق ذلك حوالي 2-14 ساعة ، اعتمادا على تفاصيل المطبوعات. يجب ألا تؤثر تفاصيل المطبوعات على معدل الملائمة إذا تم وضع ما يكفي من مادة الملائمة (الخطوة 5.3.4).
- اطبع حامل العدسة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد FDM (نمذجة الترسيب المنصهر) (انظر جدول المواد) وفقا للمعلومات المقدمة في الملف التكميلي 1. حامل العدسة هذا مخصص لعدسة 30 مم (قطرها) (الشكل 2).
- باستخدام قاطع ليزر ثلاثي الأبعاد (انظر جدول المواد) ، قم بقطع قطع الحفارة (الشكل 3) (الملف التكميلي 4-5).
ملاحظة: يمكن إجراء هذا القطع على أي مادة بسماكة ربع بوصة ، ولكن الخشب هو المادة الموصى بها. يحتوي الملف التكميلي 4 على قطع الحفر المطلوبة التي تتناسب مع قطعة من الخشب مقاس 12 × 12 بوصة. يتضمن الملف التكميلي 5 درعا/مانع ضوء اختياريا. - باستخدام قاطع زجاجي (انظر جدول المواد) ، قم بقطع أنبوب اختبار قياسي (قطره ~ 2.5 سم) إلى النصف تقريبا بحيث يبلغ طول النصف ذو النهايتين المفتوحتين حوالي 6.5 سم.
2. تجميع الحفارات الخشبية
ملاحظة: أثناء تجميع الجهاز الخشبي، قد تشير التعليمات الواردة في الخطوات من 2.1 إلى 2.5 إلى "شريحة"، ولكن قد تتطلب القطع مزيدا من القوة لوضعها وبنائها بشكل مناسب.
- ضع القطعة الأساسية لأسفل مع توجيه شعار Y لأعلى (الشكل 1A).
- أمسك القطعتين الجانبيتين الطويلتين على جانبي القاعدة بينما ينزلق حامل الليزر الأول لوضعه على أحد طرفيه وحامل أنبوب الاختبار الأول على الجانب الآخر (الشكل 1B ، C).
- قم بتمرير حاملات المغناطيس الكهرومغناطيسي على حامل الكاميرا. تأكد من فصل حاملات المغناطيس بمقدار ~ 1 سم على كل جانب (الشكل 1D).
- انزلق حاملات المغناطيس وحامل الكاميرا كوحدة بجوار حامل أنبوب الاختبار الأول ، متباعدا. وبالتالي ، 1 سم بين حامل أنبوب الاختبار وحامل المغناطيس الكهربائي الأول (يمكن أن تكون حافة حامل الكاميرا بعد حامل المغناطيس الكهربائي بمثابة مرجع ل 1 سم) (الشكل 1E).
ملاحظة: لا يلزم وجود كل من حامل الكاميرا ودرع الضوء للاستخدام الأساسي لنظام الاصطياد المصغر، ولكن يوصى بكليهما لتوحيد إعداد جهاز الحفر.
- انزلق حاملات المغناطيس وحامل الكاميرا كوحدة بجوار حامل أنبوب الاختبار الأول ، متباعدا. وبالتالي ، 1 سم بين حامل أنبوب الاختبار وحامل المغناطيس الكهربائي الأول (يمكن أن تكون حافة حامل الكاميرا بعد حامل المغناطيس الكهربائي بمثابة مرجع ل 1 سم) (الشكل 1E).
- بعد ذلك ، ضع حامل أنبوب الاختبار الثاني بعد كل من حاملي المغناطيس الكهرومغناطيسي بحيث يكون هناك مسافة ~ 1 سم بين حامل أنبوب الاختبار الثاني وحامل المغناطيس الكهرومغناطيسي الثاني.
ملاحظة: في المجموع ، بين حاملي أنبوب الاختبار ، هناك مساحة ~ 4 سم (يبلغ عرض حامل الكاميرا 4 سم ، كمرجع لتحديد المواقع) (الشكل 1F).- في حالة استخدام درع / مانع الضوء الاختياري (الملف التكميلي 5) ، قم بتمرير درع الضوء على الطرف الآخر من حاملات أنابيب الاختبار وحاملات المغناطيس الكهرومغناطيسي من حامل الكاميرا ؛ سيساعد ذلك في توسيط ومحاذاة أنبوب الاختبار وحاملات المغناطيس الكهرومغناطيسي.
- حرك حامل الليزر الثاني في مكانه ؛ لا توجد مسافة دقيقة مطلوبة. المسافة الموصى بها هي 3-4 سم ، ولكن قد يحتاج هذا إلى الاختلاف اعتمادا على طول الليزر.
- إذا رغبت في ذلك ، يمكن انزلاق سكة بصرية (انظر جدول المواد) تحت جميع الحاملات لمحاذاة العناصر الأخرى لنظام الملائمة. سيكون هذا مفيدا بشكل خاص لمحاذاة العدسة مع أنبوب الليزر والاختبار (الشكل 1G).
- ضع المغناطيس الكهربائي (انظر جدول المواد) في حاملات المغناطيس الكهربائي (الشكل 1H).
3. توصيل الدائرة مع لوحة المتحكم الدقيق المحددة
- قم بتوصيل شاشة كمبيوتر ولوحة مفاتيح وماوس بلوحة المتحكم الدقيق (انظر جدول المواد). بدء تشغيل لوحة المتحكم الدقيق والتأكد من أن نظام التشغيل يعمل. لا يلزم إجراء أي تغييرات في تكوينات المتحكمات الدقيقة الأصلية ، على الرغم من أنه يمكن تحديد كل من VNC (اتصال الشبكة الافتراضية) و SSH (shell الآمن) إذا رغبت في ذلك. هذا من شأنه أن يسمح بالوصول عن بعد إلى المتحكم الدقيق.
- قم ببناء دائرة التحكم في المغناطيس الكهربائي باستخدام منظم الجهد (انظر جدول المواد) ، ولوح الخبز ، وعدد قليل من الأسلاك (الشكل 4A).
ملاحظة: جميع أرقام الدبوس الخاصة بلوحة المتحكم الدقيق هي دبابيس GPIO (إدخال وإخراج الأغراض العامة).- ضع منظم الجهد في لوح الخبز بحيث يكون كل دبوس في صف مختلف للسماح بالاستخدام السليم.
- قم بتوصيل دبوس الإدخال الخاص بمنظم الجهد بأحد دبابيس الطاقة 5 فولت على لوحة المتحكم الدقيق.
- قم بتوصيل دبوس ضبط منظم الجهد ب GPIO 23 على لوحة المتحكم الدقيق.
- قم بتوصيل سلك الإدخال الخاص بالمغناطيس الكهربائي بدبوس الإخراج الخاص بمنظم الجهد. ثم قم بتوصيل سلك الإخراج الخاص بالمغناطيس الكهربائي بدبوس أرضي على المتحكم الدقيق ؛ يتم تحقيق ذلك بشكل أفضل عند استخدام صف آخر في لوح الخبز لتوصيل الاثنين باستخدام سلك إضافي.
4. تحميل الرمز لتشغيل النظام
ملاحظة: لتحميل التعليمة البرمجية، يجب اتباع الخطوة 4.1 أو الخطوة 4.2. توفر الخطوة 4.1 إرشادات للإصدار البسيط من التعليمات البرمجية التي لا تستخدم الكاميرا. توفر الخطوة 4.2 إرشادات للإصدار الذي يستخدم الكاميرا.
- قم بتنفيذ الخطوات بما يتماشى مع التعليمات الواردة في الملف التكميلي 6.
- افتح المحطة الطرفية وانتقل إلى الموقع لتخزين الملفات المطلوبة. قم بإنشاء دليل جديد على لوحة المتحكمات الدقيقة عن طريق كتابة الأمر الطرفي " mkdir" متبوعا باسم الدليل المطلوب. سيتم استخدام هذا الدليل لتخزين الملفات لتشغيل جهاز الفخ.
- إدراج الملف التكميلي 6 في الدليل الجديد. راجع قسم الملف التمهيدي في قسم البداية من الملف للحصول على التفاصيل. بعد تغيير رقم الاختبار إلى المبلغ المطلوب ، يكون البرنامج جاهزا للتشغيل.
ملاحظة: يحتوي هذا الملف على متغير واحد مطلوب يسمى num_tries والذي يتحكم في عدد الاختبارات التي يجب القيام بها في تشغيل واحد. يتضمن هذا الملف دائما بعض التوقفات المؤقتة، والتي يمكن اختصارها لإجراء اختبارات أسرع.
- قم بتشغيل SQLite وعرضه على لوحة المتحكم الدقيق باتباع الخطوات أدناه. وهذا يتطلب الملف التكميلي 7-11 وكاميرا والخبرة ذات الصلة.
- قم بتثبيت مكتبات قواعد البيانات المطلوبة على لوحة المتحكمات الدقيقة عن طريق الكتابة في المحطة الطرفية "Sudo apt-get install SQLite browser" و "Sudo apt-get install sqlite3". سيسمح ذلك للوحة المتحكمات الدقيقة بتخزين جميع البيانات من الاختبارات تلقائيا باستخدام الملف التكميلي 9.
- احفظ الملف التكميلي 11 ، البرنامج النصي للكاميرا كما main.py على الكاميرا. يمكن القيام بذلك من خلال مستكشف الملفات أو بيئة التطوير المتكاملة (IDE) التي تم تطويرها للكاميرا (انظر جدول المواد).
ملاحظة: يوصى باستخدام IDE لأنه يسمح للمستخدمين برؤية إخراج الكاميرا، مما يساعد عند التأكد من أن الكاميرا تركز بشكل صحيح. - قم بتوصيل الكاميرا بلوحة المتحكم الدقيق. استخدم 4 دبابيس، بما في ذلك الدبوس الأرضي من الكاميرا. يجب توصيل دبوس الأرض بأرض لوحة المتحكم الدقيقة. يجب أن تتطابق الدبابيس التالية كما هو مذكور أدناه:
- توصيل دبوس الكاميرا 8 ب GPIO 19: يرسل هذا الدبوس نتائج كل فخ مرة أخرى إلى pi.
- توصيل دبوس الكاميرا 9 ب GPIO 17: يمنح هذا الدبوس الكاميرا إذنا لبدء البحث.
- قم بتوصيل دبوس الكاميرا 7 ب GPIO 5: هذا هو رقم التعريف الشخصي لحالة الكاميرا.
- إنشاء دليل لتخزين جميع الملفات. بعد إنشاء هذا الدليل ، احفظ الملفات كما هو موضح في الملف التكميلي 7-10 في الدليل ؛ أعد تسميتها التمهيدية.txt main.py electromagnet.py test_insert.py على التوالي.
- اقرأ الملف التكميلي 7 (ReadMe.txt).
ملاحظة: يقدم الملف التمهيدي شرحا جيدا لما يفعله كل ملف والتغييرات التي قد تكون مطلوبة على كل ملف، مثل مسار الدليل الخاص بقاعدة البيانات. - افتح عارض قاعدة البيانات المثبت في الخطوة 4.2.1. انقر فوق الزر قاعدة بيانات جديدة واحفظ قاعدة البيانات في نفس الدليل مثل الملفات الأخرى. يجب أن تتطابق قاعدة البيانات الجديدة مع اسم ملف قاعدة البيانات الموجود في test_insert.py.
- داخل قاعدة البيانات، قم بإنشاء جدول داخل قاعدة البيانات الجديدة لحفظ البيانات. تحتوي قاعدة البيانات على 5 حقول ، parameter_type ، وملائمة ، واسم الاختبار ، و testnum ، و rigID.
ملاحظة: يجب أن تكون أقسام الجدول دقيقة كما هو محدد أو ستحتاج إلى إجراء المزيد من التغييرات في Main.py test_insert.py.
5. الاستعدادات للاختبار
- قم بإعداد العدسة عن طريق وضع العدسة داخل حامل العدسة. تأكد من بقاء العدسة داخل الحامل أثناء الاختبار. قد تكون هناك حاجة إلى بعض الغراء الساخن هنا.
ملاحظة: يتطلب جهاز الحفر استخدام كروية ثنائية المحدبة لضمان التكوين السليم لمناطق الاصطياد. - بعد تحضير العدسة (الخطوة 5.1)، ضع حامل العدسة على السكة البصرية والليزر (انظر جدول المواد) في حامل الليزر.
ملاحظة: لا يتطلب الليزر المقترح في قائمة المواد أي معايرة قبل الاستخدام. يجب ارتداء نظارات السلامة في أي وقت يكون فيه الليزر قيد الاستخدام.- باستخدام العدسة والليزر أو مصدر الضوء الآخر ، ابحث عن النقطة البؤرية لليزر وحرك حامل العدسة على طول السكة البصرية حتى تتمركز النقطة البؤرية فوق المغناطيس الكهربائي.
ملاحظة: هذه الخطوة حاسمة للملائمة; إذا لم تكن النقطة البؤرية متمركزة فوق المغناطيس الكهربائي ، فلن ترفع منصة الكابولي الجسيمات إلى النقطة البؤرية. - ضع علامة على هذه النقطة بقلم رصاص على القاعدة الخشبية للرجوع إليها في المستقبل.
ملاحظة: تأتي كل عدسة بالفعل مع قياس البعد البؤري، ولكن هذه القياسات ليست صحيحة دائما.
- باستخدام العدسة والليزر أو مصدر الضوء الآخر ، ابحث عن النقطة البؤرية لليزر وحرك حامل العدسة على طول السكة البصرية حتى تتمركز النقطة البؤرية فوق المغناطيس الكهربائي.
- إعداد استشهاد الاصطياد
- تأكد من إيقاف تشغيل الليزر بشكل صحيح مرة أخرى.
- باستخدام مسدس غراء ساخن ، قم بلصق مغناطيس زر صغير (انظر جدول المواد) من نفس قطبية المغناطيس الكهربائي على السطح المستوي للمنصة بحيث يقوم المغناطيس الكهربائي بصد المنصة.
ملاحظة: يجب مطابقة قطبية المغناطيس بشكل مناسب بحيث يتم صد المنصة بواسطة المغناطيس الكهربائي ، مما يدفع الجسيمات إلى شعاع الليزر بحيث يمكن أن يحدث الاصطياد. - خذ المنصة المطبوعة 3D ، التي تشبه الكابوليفر وقم بتغطية المنصة برقائق الألومنيوم السوداء ، والتي تحمي المنصة من الذوبان.
ملاحظة: يمكن استخدام الرقائق العادية، ولكنها تسبب الكثير من الوهج لاستخدام نظام الكاميرا. حاول استخدام شريط الرقائق السوداء (انظر جدول المواد) ، والذي يعمل بشكل جيد مع الكاميرا (الشكل 5A). يوصى باستخدام رقائق معدنية لأنه يمكن استبدالها بسهولة لاختبار مواد أخرى ، ولكن يمكن استخدام منتجات مماثلة إذا رغبت في ذلك. - بعد تغطية المنصة بورق الألمنيوم، ضع نوع الجسيمات المحدد الذي اختاره المستخدم لاختباره على الجانب المائل من المنصة (انظر جدول المواد للاطلاع على خيارات نوع الجسيمات أو انظر الشكل 6A).
- أدخل ذراعي الكابولي برفق في الحامل الدائري بحيث يكون جانب المغناطيس متجها للخارج. ثم أدخل أنبوب الاختبار برفق في نفس الحامل. إذا تم ذلك بشكل صحيح ، فسوف يلمس المغناطيس الزجاج تقريبا (الشكل 5B).
- ضع أنبوب الاختبار على حاملات أنابيب الاختبار بحيث تتمركز المنصة فوق المغناطيس الكهربائي. إذا تم توصيل المغناطيس بشكل مناسب بمنصة الكابولي ، فيجب أن يبدو الكابولي في وضع تصاعدي يصده المغناطيس الكهربائي.
- ضع الكاميرا في حامل الكاميرا لالتقاط أي مصائد تحدث فوق/حول المنصة. ثم تحقق مرة أخرى من جميع المواضع الأخرى (الشكل 1I-J).
6. بدء الاختبار
ملاحظة: للاختبار، يجب اتباع الخطوة 6.1 أو الخطوة 6.2.
- في حالة استخدام إرشادات من الخطوة 4.1، اضغط على زر البدء في الملف أو بدء تشغيل الملف بشكل طبيعي من المحطة الطرفية.
- إذا كنت تستخدم إرشادات من الخطوة 4.2 ، فابدأ هذا الاختبار من المحطة الطرفية باستخدام المعلمات كما هو مذكور أدناه.
- باستخدام الأوامر الطرفية ، قم بتشغيل نظام الملفات مرة واحدة داخل الدليل المناسب باستخدام الأمر "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter". يتم توفير main.py الملف في الملف التكميلي 8.
- استبدل test_num بعدد الاختبارات المطلوبة. استبدل Parameter_type بنوع المعلمة التي يركز عليها الاختبار.
ملاحظة: على سبيل المثال، إذا تم إجراء اختبارات لتحديد أفضل ليزر يعمل بالطاقة، استبدال Parameter_type laser_power، وسيتم استبدال exact_parameter بقوة الإخراج البصري لليزر الحالي.
Representative Results
النتيجة الرئيسية التي تحققت باتباع البروتوكول أعلاه هي إنشاء جهاز اصطياد ضوئي مصغر ، والذي يمكنه اختبار معلمات مختلفة بسرعة. حتى الآن ، تم استخدام هذه الحفارات لاختبار معلمتين حرجتين ، طاقة الليزر ، ونوع الجسيمات. سمح التشغيل المتوازي للعديد من الحفارات المصغرة للباحثين بجمع البيانات بأحجام عينات أكبر بكثير في فترة زمنية أسرع بكثير.
كان الاختبار الأول ، الذي أجري أثناء تطوير البروتوكول أعلاه ، هو اختبار طاقة الليزر. واستخدم جهاز حفر مصغر واحد أثناء هذا الاختبار، بدون نظام الكشف عن الكاميرا، لأنه لم يكن قد تم تطويره بعد؛ بدلا من ذلك، تم استخدام الخطوة 4.1 من البروتوكول. وهذا يتطلب من الباحث أن يكون حاضرا لجمع البيانات عن جميع عمليات الكشف عن الفخاخ. كان الهدف من هذا الاختبار هو تحديد خرج طاقة الليزر المثالي لحدوث الاصطياد. من خلال وضع مخفف بصري (مرشح كثافة محايد متغير) بين الليزر والعدسة على الجهاز ، تم تغيير الطاقة البصرية لليزر. ويبين الشكل 7 نتائج هذه التجربة. يتوافق خرج الطاقة البصرية العالي مع معدل أعلى من الاصطياد. كان الليزر بكامل طاقته أعلى معدل ملائمة مسجل لهذا الاختبار. ومع ذلك ، اقتصر هذا الاختبار على ليزر واحد مع طاقة بصرية قصوى تبلغ ~ 120 ميجاوات.
وكان الاختبار الثاني هو تحديد أي مادة أو مادة سيكون لها أعلى معدل للاصطياد. تم إجراء هذا الاختبار باستخدام جهاز اختبار مصغر مفرد بدون نظام اكتشاف الكاميرا. تم اختبار عشرة جسيمات مختلفة بحجم عينة من 100 محاولة لكل جسيم (يمكن العثور على جميع المواد التي تم اختبارها في جدول المواد مع أوصافها). واقتصر حجم العينة على 100 عينة بسبب الحاجة إلى وجود باحث يراقب كل محاولة لجمع البيانات. تم جمع جميع البيانات اللازمة في يومي عمل. يوضح الشكل 6A نتائج اختبار نوع الجسيمات. ومن بين أنواع المواد/الجسيمات العشرة التي تم اختبارها، وجد أن جسيمات الماس النانوية (55-75 في المائة) وحبر الطابعة كانا أفضل نوعين من الجسيمات بمعدلات 14 في المائة و 10 في المائة على التوالي (الجدول 1).
بعد الاختبارين الأولين ، شعر الباحثون بأنهم مقيدون بجهاز حفر واحد يتطلب مراقبة نشطة أثناء الاختبار. أدى ذلك إلى الخطوة 4.2 الموضحة في البروتوكول. يتضمن هذا الخيار نظام اكتشاف الكاميرا ، والذي يمكن المستخدمين من تشغيل العديد من منصات الاختبار المصغرة في وقت واحد ولا يتطلب وجود مستخدم للاختبار.
لاختبار نظام الكاميرا الجديد هذا ، تم إجراء إعادة اختبار معدلة لاختبار نوع الجسيمات. تم اختيار عدد قليل فقط من أنواع الجسيمات المختلفة من أصل 10 أنواع استخدمت في البداية لإعادة اختبارها لهذا الاختبار الجديد لنوع الجسيمات. خضعت الجسيمات المختارة لجولة جديدة من الاختبارات. باستخدام "مزرعة" جهاز اختبار من أربعة منصات اختبار مصغرة ، كان لكل من الجسيمات المختارة حجم عينة اختبار إجمالي يبلغ 4000 محاولة. ومرة أخرى، جمعت جميع البيانات اللازمة في يومي عمل كاملين (الجدول 2). كان الغرض الأساسي من إعادة اختبار نوع الجسيمات هذا هو اختبار نظام الكاميرا الجديد. سمح هذا الاختبار بمقارنة نتائج اختبار نوع الجسيمات الأولي ، مع قيام باحث بالإبلاغ عن الفخاخ ، بالنتائج من نظام اكتشاف الكاميرا. كانت نتائج الاختبار مختلفة قليلا عن الاختبارات الأصلية ولكنها لا تزال قابلة للمقارنة (الشكل 6B). أفضل نوع من الجسيمات من الاختبار الأولي ، جسيمات الماس النانوية 55-75 ٪ ، كان لا يزال الأفضل في إعادة الاختبار ولكن كان لديه معدل محاصرة أقل قليلا من ذي قبل. من المرجح أن يكون الفرق في النتائج بسبب حجم العينة الأكبر ونظام اكتشاف الكاميرا غير المثالي. على الرغم من أن نتائج اختبار الجسيمات هذا كانت مختلفة قليلا عما كان متوقعا ، عند اختبار المعلمات الأخرى حيث تظل المادة ثابتة ، مثل طاقة الليزر أو البعد البؤري للعدسة ، فإن النتائج التي تم جمعها بواسطة نص الكاميرا ستكون موثوقة.
نتائج جميع الاختبارات الثلاثة التي أجريت هي نسبة إلى الحفارات التي أجريت عليها ، ولكن الاتجاهات الموجودة في البيانات ستثبت صحتها عند اختبارها على منصات اختبار ضوئية أخرى أكثر دقة. لا يقصد من منصات الاختبار المصغرة أن تحل محل منصات الاختبار الأخرى بالكامل. ومع ذلك ، فهي تهدف إلى السماح للباحثين باستكشاف جميع المعلمات والاحتمالات بسرعة وكفاءة في اختبار edisonian (التجربة والخطأ) للعثور على الاتجاهات والاكتشافات لمزيد من البحث على منصات أكثر دقة.
الشكل 1: تقدم جهاز الحفر باستخدام جهاز الاختبار الضوئي المصغر المكتمل. يتوافق الشكل مع الخطوة 2 وخطواتها الفرعية. (أ) يعرض الخطوة 2.1. (ب) يوضح الخطوة 2.2، القاعدة ذات الجانبين الطويلين. (C) يعرض الخطوة 2.2 ، وإطار الجهاز ، وقاعدة بكلا الجانبين ، وحامل ليزر أول وحامل أنبوب اختبار. (D) تظهر الخطوة 2.3 حامل الكاميرا جنبا إلى جنب مع كل من حاملات المغناطيس الكهربائي. (ه) تقدم الخطوة 2.3.1 مزيجا من الأشكال 1C و D. (F) الخطوة 2.4 ، تمت إضافة حامل أنبوب الاختبار الثاني وحامل الليزر الثاني. (ز) تمت إضافة الدرع الضوئي الاختياري والسكة البصرية. (ح) يتم وضع المغناطيس الكهربائي في حامله. (I) تم وضع الليزر وأنبوب الاختبار في حامليهما. (ي) يوضح هذا الاختبار المكتمل بالكامل بدون مصدر الطاقة للوحة المتحكمات الدقيقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: القطع المطبوعة 3D. يتضمن هذا الشكل حامل العدسة وحامل المنصة الدائرية ومنصة الكابولي. يمكن العثور على تصميم حامل العدسة المطبوع 3D في الملف التكميلي 1. حامل العدسة هذا، عند طباعته، مخصص لعدسة قطرها 30 مم. يحتوي الملف التكميلي 2-3 على تصميمات لحامل المنصة والمنصة. يحتوي حامل المنصة على أربع مجموعات يمكن للمنصة استخدامها ، ولكن لكي يعمل الجهاز كما هو مصمم ، يجب أن تستخدم المنصة الثقوب المشار إليها في الشكل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: قطع الليزر الموسومة. يقوم هذا الشكل بتسمية أجزاء الملف التكميلي 4 ، الذي يحتوي على الملف لجميع القطع المقطوعة بالليزر باستثناء درع الضوء الاختياري. بعد الطباعة ، يجب أن يكون هناك 1 قاعدة ، و 2 جوانب ، و 2 حاملات ليزر ، و 2 حاملات أنابيب اختبار ، و 2 حاملات مغناطيسية كهربائية ، و 2 حاملات كاميرا (واحد فقط ضروري). يمكن العثور على درع الضوء الاختياري في الملف التكميلي 5. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: منظم الجهد والدائرة الكهرومغناطيسية . (A) للرجوع إليها ، عند بناء الدائرة. يحتوي منظم الجهد على 3 دبابيس ، وضبط ، وإدخال ، وإخراج. (ب) يوضح هذا الشكل الدائرة المكتملة الموصوفة في الخطوة 3. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: تحضيرات المنصة وفخ أنبوب الاختبار (أ) قبل إجراء الاختبار ، يجب إعداد المنصة. سيتم وضع خزان الجسيمات حيث سيتألق الليزر لالتقاط الجسيمات على المنصة مباشرة قبل الاختبار. يجب وضع رقائق الألومنيوم السوداء على المنصة قبل الجسيمات. هذا يمنع الليزر من الذوبان من خلال المنصة. (ب) أثناء الاختبار، يحدث الاصطياد الفعلي للجسيمات داخل أنبوب الاختبار، مما يضمن حركة تلقائية متسقة للمنصة لكل محاولة اصطياد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: اختبار نوع الجسيمات (يدوي) و (الكاميرا). (أ) أجري اختبار ل 10 جسيمات مختلفة للعثور على الجسيم بأفضل معدل اصطياد. (ب) أجري اختبار ثان لنوع الجسيمات باستخدام نظام للكشف بالكاميرا. تم اختبار 4 فقط من أصل 10 جسيمات أصلية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: نتائج اختبار طاقة الليزر. تم قياس معدل الاصطياد لمستويات طاقة الليزر المختلفة أثناء اختبار طاقة الليزر. أنتجت القوى الأعلى معدلات أعلى من الاصطياد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| الخمور السوداء (مسحوق) | الخمور السوداء (عجينة) | التنغستن (12 ميكرون) | التنغستن (1-5 ميكرون) | مسحوق الألومنيوم | حبر الطابعة | الجرافيت | جسيمات الماس النانوية (95٪) | جسيمات الماس النانوية (55-75٪) | نيغروسين | ||
| 1 | 2 | 2 | 1 | 0 | 3 | 2 | 1 | 5 | 2 | ||
| 1 | 3 | 2 | 0 | 1 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 3 | 1 | 1 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 | 1 | 3 | 0 | ||
| 6 | 7 | 5 | 4 | 1 | 10 | 4 | 5 | 14 | 4 | ||
| 6.00% | 7.00% | 5.00% | 4.00% | 1.00% | 10.00% | 4.00% | 5.00% | 14.00% | 4.00% | ||
الجدول 1: نتائج اختبار نوع الجسيمات الذي سيكون له أفضل معدل ملائمة. تم تنفيذ إجمالي حجم العينة البالغ 100 محاولة في 4 مجموعات من 25 لكل مادة.
| معجون الخمور الأسود | جسيمات الماس النانوية 55-75٪ | الجرافيت | التنغستن (12 ميكرون) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
الجدول 2: نتائج اختبار نوع الجسيمات الذي أجري باستخدام نظام الكشف عن الكاميرا. البيانات التي تم جمعها من قاعدة بيانات SQLite. تم تجميع البيانات في البداية في 4 مجموعات من 1000 لحجم عينة من 4000 لكل مادة. لم يتم تجميع السجلات الفردية لكل مجموعة من SQLite. تم تجميع النسب المئوية الإجمالية فقط.
الملف التكميلي 1: عدسة File_1 Holder.stl. يحتوي هذا على ملف الطباعة ثلاثية الأبعاد لحامل العدسة (انظر الشكل 2). يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 2: File_2-Platform.stl. يحتوي هذا على ملف الطباعة ثلاثية الأبعاد لمنصة الكابولي (انظر الشكل 2). يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 3: منصة File_3 Holder.stl. يحتوي هذا على ملف الطباعة ثلاثية الأبعاد لحامل النظام الأساسي (انظر الشكل 2). يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 4: File_4-Rig Pieces.odg. يحتوي هذا على ملف القطع بالليزر لقطع الحفارات (انظر الشكل 1 والشكل 3). يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 5: File_5-Light Shield.odg. يحتوي هذا على ملف القطع بالليزر لدرع / مانع الضوء الاختياري. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 6: File_6-Opt1.system.py. يحتوي هذا على التعليمات البرمجية بالكامل لاستخدام التعليمات من الخطوة 4.1. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف تكميلي 7: File_7-opt2.Read Me.txt. يحتوي هذا على الملف التمهيدي مع بعض التفاصيل للملفات التكميلية 8-11. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 8: File_8-Opt2.main.py. يحتوي هذا على البرنامج النصي الرئيسي للإرشادات الموجودة في الخطوة 4.2. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. يحتوي هذا على البرنامج النصي للخطوة 4.2 التي تتحكم في المغناطيس الكهربائي. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 10: File_10-Opt2.test_insert.py. يحتوي هذا على البرنامج النصي للخطوة 4.2 الذي يقوم تلقائيا بتحميل البيانات إلى قاعدة البيانات. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. يحتوي هذا على البرنامج النصي الذي يجب تحميله إلى الكاميرا أثناء الخطوة 4.2.2. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
Discussion
يحتوي هذا البروتوكول على العديد من الخطوات الأساسية التي تعتبر حاسمة للتشغيل التلقائي لجهاز المحاصرة. أولا ، يجب توصيل المغناطيس الكهربائي بشكل مناسب بلوحة المتحكم الدقيق من خلال الدائرة المحددة. بدون المغناطيس الكهربائي ، يتم فقدان الفائدة الإجمالية لجهاز الاختبار المصغر. يتحكم المغناطيس الكهرومغناطيسي في كل محاولة محاصرة عن طريق رفع خزان الجسيمات على منصة الكابولي إلى مسار الليزر. كل محاولة فخ هي دورة أخرى من رفع وخفض المنصة.
يتم استخدام الكاميرا فقط في الخطوة 4.2 كما هو موضح في البروتوكول ، ولكنها ضرورية لهذا الخيار. تتطلب الخطوة 4.2 كاميرا للكشف عما إذا كان الجسيم قد تم محاصرته ، مما يسمح بجمع البيانات من منصات متعددة. إذا لم يتم توصيل الكاميرا بشكل صحيح ، فلن يتمكن الجهاز من محاولة أي ملائمة.
الخطوة الثالثة والأكثر أهمية، الخطوة 5.2.1، هي محاذاة الليزر وتركيزه. يجب وضع العدسة بحيث تحدث النقطة البؤرية فوق المغناطيس الكهربائي. ستمر المنصة الكابولية عبر النقطة البؤرية فوق المغناطيس الكهربائي ، مما يسمح للجسيمات بالاصطياد. لنفترض أن النقطة البؤرية لا تتمركز فوق منتصف المغناطيس الكهربائي. في هذه الحالة ، يصبح من الصعب التأكد من أن منصة الكابولي التي تحمل الجسيمات ستمر عبر النقطة البؤرية لإنشاء الفخاخ. هذا يمكن أن يؤدي إلى عدم وجود الفخاخ. من الضروري أيضا أن يتم رفع المنصة فوق المغناطيس الكهربائي حتى لا يتصل مسار الليزر بالمنصة باستمرار. يمكن أن يتسبب ذلك في قيام الكاميرا بالإبلاغ عن الإيجابيات الكاذبة. ولضبط موقع النقطة البؤرية بسهولة أكبر، يقترح استخدام سكة بصرية في إعداد جهاز الحفر؛ سيسمح ذلك للمستخدمين بتحريك حامل العدسة بسهولة إلى الخلف أو إلى الأمام لوضع النقطة البؤرية بشكل صحيح. يتم بالفعل محاذاة الليزر وأنبوب الاختبار / الجزء الكابولي إذا تم بناء الجهاز بشكل مناسب ؛ سيؤدي استخدام السكك الحديدية البصرية إلى إبقاء العدسة محاذاة مع الأجزاء الأخرى.
يتم تفصيل خيارين منفصلين في البروتوكول، الخطوة 4.1 والخطوة 4.2. الخيار الأول ، الخطوة 4.1 ، هو الطريقة البسيطة الأصلية لتشغيل جهاز التنصت المصغر. يعتمد هذا الخيار على العين البشرية للكشف عن الجسيمات بدلا من نظام الكاميرا. هذا الخيار هو الأفضل لجمع مجموعات أصغر من البيانات بسرعة أو في المواقف التي يكون فيها العرض التوضيحي المباشر مطلوبا. تم استخدام الخيار الأول خلال التجربتين الأوليين قبل إنشاء الخيار الثاني. يستخدم الخيار الثاني ، الخطوة 4.2 ، كاميرا للكشف التلقائي والملائمة ، مما يسمح بتشغيل الآلاف من الاختبارات وإدخالها في قاعدة بيانات دون أي إشراف بشري. تعتمد دقة الكاميرا على حالة الاختبار الدقيقة ؛ ويبدو أن بعض المواد الأكثر انعكاسا، عند اختبارها، لديها معدل اصطياد أقل دقة بالمقارنة مع الاختبارات المماثلة التي أجريت مع الكشف البشري. ومع ذلك ، يمكن تغيير العديد من المعلمات في البرنامج النصي للكاميرا لزيادة دقة الكاميرا. الدقة الدقيقة للكاميرا هي شيء يمكن تحسينه ، ولكنه أيضا ليس مصدر قلق كبير لأن الحفارات المصغرة مخصصة للاختبار الأولي. يمكن أيضا تعديل الخيار الثاني بسهولة لتشغيل جهازي اختبار من لوحة تحكم دقيقة واحدة. وترد تفاصيل هذا التعديل في الملف التكميلي 7.
يعمل العمل الحالي على تطوير شكل أكثر دقة واتساقا للكشف التلقائي عن الفخ من خلال التعلم الآلي. سيستخدم نظام الكشف عن التعلم الآلي الجديد هذا ، عند الانتهاء منه ، الشبكات العصبية الالتفافية للكشف بشكل أفضل عن الجسيمات المحاصرة بمعدل دقة أعلى بكثير (أعلى من 95٪) ، مما يعزز استخدام وتأثير منصات الاختبار المصغرة هذه على مستقبل أبحاث عرض الفخ الضوئي.
في شكله الأساسي الحالي ، فإن جهاز الحفر المصغر محدود بعدة طرق. هذه الحفارات المصغرة غير قادرة على إنشاء OTDs فعلية عن طريق مسح الجسيم بعد حدوث فخ. يحد التصميم أيضا من إمكانية إضافة الماسحات الضوئية للاستخدام المستقبلي في إنشاء OTDs. هناك قيد آخر للتصميم وهو الحاجة إلى مكونات إضافية لإجراء اختبار معين. على سبيل المثال ، تم استخدام مخفف بصري متغير لجمع مجموعات البيانات عند مستويات طاقة خرج بصري مختلفة أثناء اختبار طاقة الليزر. وبالمثل ، إذا رغب الباحث في اختبار الطول الموجي لليزر في اختبار مستقبلي ، فسيتطلب الأمر عدة أشعة ليزر أخرى ذات قوة بصرية قابلة للمقارنة بأطوال موجية مختلفة بالإضافة إلى الليزر المستخدم في هذا العمل. من المرجح أن يتطلب جهاز الحفر تعديلات إضافية لحمل كل ليزر ، وهذه العملية ستحد من السرعة التي يمكن بها إجراء مثل هذا الاختبار ، لكنها ستظل ممكنة. يتم تحديد هذا التصميم أيضا من خلال الحاجة إلى طباعة 3D حامل عدسة جديد لكل عدسة. يقتصر التصميم والتطبيق أيضا على العدسات ثنائية المحدبة الكروية ، والتي تنتج انحرافا كرويا لتشكيل مناطق يمكن أن يحدث فيها الاصطياد.
من الآن فصاعدا ، تشمل التطبيقات المستقبلية الاختبار المستمر وتحسين معلمات الاصطياد الضوئي. كما ذكر بإيجاز أعلاه ، يمكن بسهولة تعديل جهاز الاصطياد المصغر إلى نظام OTD أساسي غير مكلف عن طريق إضافة ماسحات ضوئية للتحكم في المحور y والمحور x. ويمكن أيضا تنفيذ إيصال الجسيمات التي يتم التحكم فيها بالمغناطيس الكهرومغناطيسي المستخدم في جهاز الحفر المصغر في أنظمة OTD المتقدمة في المستقبل.
يعد جهاز الاصطياد المصغر فريدا ومتميزا في نهاية المطاف في هذا المجال من الأبحاث لأنه يمكن تصنيعه بسعر رخيص وبسرعة ، مما يسمح بإجراء اختبار جماعي سريع. ومن المفترض أن تكون هذه الحفارات أنظمة هزيلة مصممة للاختبار الأولي وتحسين معلمات الاصطياد الضوئي. يمكن للجهاز الفردي الاختبار بمعدل ~ 250 محاولة في الساعة. تم تطوير العديد من الأنواع الأخرى من أنظمة أو منصات الاصطياد الضوئي للحصول على أنظمة أوتوماتيكية أفضل أو إنجاز المزيد عن طريق مسح الجسيم لإنشاء صورة بعد فخ ناجح 1,8. وليس المقصود من نظم الاصطياد المصغرة هذه أن تحل محل استخدام هذه الأنظمة. وهي تهدف إلى اختبار معلمات وظروف الاصطياد الضوئي بسرعة لإعطاء الباحثين فهما أفضل لما يجعل الاصطياد الضوئي جيدا. ستعمل منصة الاصطياد المصغرة على إضفاء الطابع الديمقراطي على أبحاث الفخ الضوئي والسماح بموجة جديدة من التجارب والتقدم الإديسوني في هذا المجال من البحوث.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
يعترف المؤلفون بامتنان بالدعم المالي المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم. جائزة NSF ID-1846477.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/4In Plywood | NA | Sized to fit in Laser-cutter (normally 1 x 1 ft) | |
| 3D FDM Printer | Raise 3D | Pro 2 | Any equivalent equipment would suffice |
| 3D Laser-cutter Printer | Glow Forge | Basic | Any equivalent equipment would suffice |
| 5V Power Supply | AC/DC Adaptor | ||
| Alumiunum Powder | bioWORLD | 10576 | APS 17-30 micron |
| Black Aluminum Foil Tape | LLTP BF255 (on Amazon) | other types of foil (black foil) can be used instead if desired | |
| Black Liquor | a recycled byproduct formed during the pulping of wood | ||
| Button Magnet | Mealos | 8 x 2 mm | |
| Class 3B Laser 405 nm (Tube Laser) | M-16A405-300-G | Any Optical Output Power and wavelength could be used for testing. For reproducing this work 405 nm and ~120 mW should be used | |
| Diamond Nanoparticles 55-75% | SkySpring Nanomaterials | 0512HZ | 55-75% purity, APS 4-15 nm |
| Diamond Nanoparticles 95% | SkySpring Nanomaterials | 0510HZ | 95% purity, APS 3-4 nm |
| Electromagnet | Wuxue Wn Fang Electric | WP-P25/20 | |
| Glass cutter | Dyna-cut | model 500-1 | any standard glass cutter or wet-cutter could be used |
| Graphite powder | AeroMarine Products | 325 Mesh, APS 44 microns | |
| Jumper Wires | Elegoo | Male to Female wires and Male to Male wires are needed | |
| Lens | Surplus Shed | L8435 | 32 mm Daimeter, 80 mm Focal Length. Any 32 mm lens will fit into current lens holder design |
| Nigrosin (Formalin-Nigrosin) | Innovating Science | IS5818 | 30 mL , actually found on Amazon |
| Open MV Camera | Open MV | M7 | Any equivalent Open MV camera should work |
| Open MV IDE | Open MV | optional free to download integrated development enviroment from OpenMV | |
| Optical Attenuator (Variable Neutral Density Filters) | THORLABS | NDC-100C-2 | |
| Optical Rail | THORLABS | RLA1200 | 12'' optical rail |
| Printer Toner (CISinks Universal Toner) | CISinks | TN420,TN450, TN540, TN660, TN720 Toner powder. Found on Amazon | |
| Raspberry Pi | Raspberry PI | Pi-4 Model B | Any Pi 3 or 4, model B or B+ should suffice (referenced in text as a microcontroller board) |
| Tungsten Powder 12 Micron | Alfa Aesar | 10401-22 | APS 12 micron |
| Tungsten Powder 1-5 Micron | Alfa Aesar | 10400-22 | APS 1-5 micron |
| USB to Micro USB cord | Any company/ model will suffice | ||
| Voltage Regulator | STMicroelectronics | LM317t |
References
- Smalley, D., et al.
- Rohatschek, H. Direction, magnitude and causes of photophoretic forces. Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).
- Desyatnikov, A. S., Shvedov, V. G., Rode, A. V., Krolikowski, W., Kivshar, Y. S. Photophoretic manipulation of absorbing aerosol particles with vortex beams: theory versus experiment. Optics Express. 17 (10), 8201-8211 (2009).
- Ke, P. C., Gu, M. Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration. Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).
- Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11 (2017).
- Smalley, D., Nygaard, E., Rogers, W., Gneiting, S. A., Qaderi, K. Progress on photophoretic trap displays. Frontiers in Optics / Laser Science. , OSA Technical Digest. paper FM4C.2 (2018).
- Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
- Peatross, J., Smalley, D., Rogers, W., Nygaard, E., Laughlin, E., Qaderi, K., Howe, L. Volumetric display by movement of particles trapped in a laser via photophoresis. SPIE Proceedings. 10723, 02 (2018).
- Smalley, D., Poon, T., Gao, H., Kvavle, J., Qaderi, K. Volumetric Displays: Turning 3-D inside-out. Optics and Photonics News. 29 (6), 26-33 (2018).
- Shvedov, V. G., Hnatovsky, C., Rode, A. V., Krolikowski, W. Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam. Optics Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).
