احتجاز جزيئات معدنية كبيرة في الهواء بصريا باستخدام فخ 'قارب' مع جدران جانبية مرسومة مباشرة

ملخص

تصف هذه الورقة الطريقة التجريبية لتحقيق فخ طويل الأمد ومستقر وتحديد المواقع الدقيقة للجزيئات المعدنية الكبيرة في الهواء باستخدام فخ ضوئي ديناميكي على شكل قارب. يتيح هذا النظام التلاعب المتحكم فيه المناسب لدراسات التفاعل البلازمي.

الملخص

نقدم طريقة لتحقيق احتجاز بصري مستقر للجسيمات المعدنية الكبيرة (>1.16 ميكرومتر متوسط قطر جزيئات الذهب الصلب، و>100 ميكرومتر ميكروكرات مغلفة بالموصلات) باستخدام شعاع مركز، يتم مسحه بواسطة معدلات صوتية-بصرية لرسم مقطع عرضي للفخ القطع المكافئ مباشرة في الهواء.  نتيجة هذا السحب هي تكوين فخ 'قارب'، مفتوح من الأعلى، قادر على الإمساك والتحميل والاحتفاظ بجزيئات معدنية كبيرة بثبات دون القفز.  يتم مسح ليزر موجة مستمرة عالية القدرة بحجم 532 نانومتر في كلا الاتجاهين x وy، مكونا توزيع شدة على شكل قارب محسن لاحتجاز الكرات الدقيقة. يتم تعظيم مدة الاحتجاز من خلال اختيار دقيق لتردد السحب ليكون سريع بما يكفي ليبدو مستمرا بالنسبة لديناميكيات الجسيمات، لكنه بطيء بما يكفي لتجنب تشوه الفخ. يصف هذا البروتوكول الإعداد التجريبي، بما في ذلك تعديل الليزر، وتقنيات إدخال الجسيمات، والتحقق. تستخدم الكرات الدقيقة المطلية بالكربون بشكل أساسي لرؤية والتحقق من تكوين وثبات الفخاخ، بينما تستخدم الجسيمات النانوية من الذهب الصلب كهدف لدراسات التفاعل البلازموني. تسمح هذه الطريقة برسم أي من عدة مقاطع عرضية عند الطلب، وفي الوقت الحقيقي، لتوفير نهج قوي ومرن لالتقاط وتحميل وترجمة الجسيمات المحمولة جوا على مدى فترات زمنية طويلة، مع تطبيقات محتملة في تعزيز البلازمونية للأنظمة البصرية المعلقة.

المقدمة

يقدم هذا العمل طريقة لالتقاط ووضع ومعالجة جزيئات معدنية كبيرة في الهواء بدقة باستخدام فخ قوارب مولد ديناميكيا. الأساليب السابقة — مثل تلك التي تستخدم حزم غاوسية ذات تركيز فضفاض¹، مصائد الانحناء²، حقول البقع ^3,4,5، أو حزم الدوامة ^6,7 — تعاني من قيود رئيسية، بما في ذلك الحركة الدورانية¹، مواقع الصيد المستقرة^{المتعددة} 2,3,4,5، أو غياب موقع فخ واحد محدد جيدا ⁶.⁷، والتي قد تؤدي في بعض الهندسات إلى التنقل بين عدة مواقع مستقرة ^3,7 (انظر الشكل 1A).  استثناء ملحوظ هو مصيدة المحاور الموجهة للأعلى، التي توفر موقعا واحدا للفخ، وتدعم التحميل العلوي، و— على الأقل نظريا — تسمح بالترجمة الجانبية⁸. تحتفظ الطريقة الموصوفة هنا بهذه المزايا مع إدخال ثلاثة تحسينات حاسمة: (1) احتجاز قوي للجسيمات المعدنية، (2) هندسة شعاع أفقية، و(3) إعادة تكوين جهد الاحتجاز في الوقت الحقيقي عبر جدران بصرية مرسومة مباشرة.

تم تنفيذ طرق احتجاز جزيئات الذهب حتى الآن عادة في الماء ^9,10,11، وقد تحتوي على خصائص فخ تمنح حركة دورانية¹²، أو تستخدم حزم عكسية تمنع الترجمة المرنة للجسيم¹³ المحاصر. لتجاوز هذه التحديات التي تواجه جزيئات الذهب الصلب بأقطار تزيد عن 1 ميكرومتر، يتم استخدام مصيدة 'قارب' ضوئية معدل ديناميكيا.

تنطبق هذه الطريقة على مجموعة واسعة من أحجام وأنواع الجسيمات، من تجمعات كربونية كربونية بقطر 20 نانومتر إلى مجهر زجاجية مغلفة بحجم 100 ميكرومتر. وهو فعال في كل من البيئات ذات الضغط الجزئي المفتوح والبيئات المغلقة. يمكن للتقنية أن تعمل بقوى تصل إلى عدة عشرات من الواط.  نظرا لأن المصائد موزعة كخطوط بدلا من نقاط، مع توزيع الطاقة الضوئية على مساحات واسعة، فإن التنفيذ العملي يكون أكثر فعالية عند القوى التي تزيد عن 1 واط.

تعتمد آلية الاحتجاز على الرحلان الضوئي الإيجابي، الذي ينشأ من تسخين غير متماثل للجسيم بواسطة شعاع الليزر. عندما يضيء جسيم معدني يمتص، يطلق الجانب الأكثر حرارة جزيئات غاز بزخم أكبر من الجانب الأبرد، مما ينتج عنه قوة صافية تدفع الجسيم بعيدا عن الضوء. يمكن التعبير عن هذه القوة الضوئية كالتالي:

حيث C هو معامل يعتمد على هندسة الجسيمات وخصائص الغاز ومعامل التكيف الحراري، و∇T هو تدرج درجة الحرارة على سطح الجسيم. في هذا النظام، توجه هذه القوة للأعلى في المصيدة وتعكس الجاذبية، مما يسمح برفع مستقر. تم تقديم اشتقاق أكثر تفصيلا للقوة الضوئية — بما في ذلك كل من تأثيرات الضغط الإشعاعي والزحف الحراري — في Mirzaei-Ghormish وآخرين^.

يستخدم فخ القارب مولد موجة عشوائي (AWG) للتحكم في معدلات الصوت والبصرية (AOMs) لتشكيل جدار بصري عالي الشدة يتم إنشاؤه عن طريق مسح شعاع ليزر موجة مستمرة مركزة (CW) لتوليد جهد احتجاز مكافئ مستقر¹⁴ (انظر الشكل 1B).  يتيح هذا النهج التحكم الدقيق في شكل المصيدة، مما يسمح بحبس الجسيمات وتثبيتها وتعرضها على سطح واحد — وهي متطلبات رئيسية لتطبيقات مثل تقريب النانودايموند من جزيئات البلازمونية الذهبية التي يزيد أبعادها عن 1 ميكرومتر لتعزيز بورسيل لفلورة النانودايموند¹¹

البروتوكول

يصف هذا القسم تحضير الجسيمات وبناء الإعداد البصري. لاحظ أن هذا الترتيب يختلف عن طرق تشكيل الدوامات، والحيود، وغيرها من طرق تشكيل الجبهة الموجية، التي تؤدي إلى شكل فخ واحد (انظر Gong وآخرون لمراجعة مصائد تشكيل الجبهة الموجة⁸). في هذا الإعداد، من خلال مسح نقطة مركزة، يمكن إنشاء العديد من مقاطع الفخ. لذلك، بينما يركز هذا العمل على شكل فخ القوارب، يجب أن تعلم أن الإعداد الموصوف مرن بما يكفي لإنشاء العديد من هندسات الفخاخ الأخرى التي سيتم معالجتها في الأعمال المستقبلية.

1. تحضير الجسيمات

1. الكرات الزجاجية المجهرية المطلية بالكربون (تستخدم للتصور، الشكل 2)
   1. انقل 3 مل من الميكروكرويرات إلى طبق تبلور صغير ونظيف (الشكل 2A، على اليسار) باستخدام ملعقة نظيفة. قم بتنفيذ هذه الخطوة باستخدام غطاء بخار لمنع التشتت الجماعي لجزيئات الزجاج الدقيقة.
      ملاحظة: غطاء البخار حافظ على ضغط سلبي، حيث جذب الهواء إلى الداخل بسرعة وجه متوسطة تبلغ 101 قدم·دقيقة ^واحدة.
   2. غط الطبق بغطاء أو زجاج ساعة وانتقل إلى نظام تبخير بقضبان كربونية (الشكل 2B).
   3. اضبط روتين التبخر على 3 نبضات عند تيار نبضي 73 أمبير، وطول نبضة 3 ثوان، وفاصل نبضات 10 ثوان (انظر الجدول 1).
   4. أزل الغطاء. أدخل طبق الجسيمات. شغل برنامج الطلاء. استبدل الغطاء. أزل الطبق.
   5. حرك الطبق عن طريق هز الجسيمات بقوة كافية لتوزيع مواقع الجسيمات عشوائيا (الشكل 2C). أزل الغطاء وأعد الطبق إلى طبقة الطلاء للطلاء. كرر ذلك 10 مرات.
      ملاحظة: بعد الطلاء، ستبدو الجسيمات مثل تلك الموجودة في الشكل 2A، على الجانب الأيمن. لاحظ أيضا أن حجم الميكروكرة المطلية بالكربون الناتج يبقى عمليا دون تغيير، حيث أن طلاء 20 نانومتر صغير مقارنة بمتوسط قطر الميكروسفير المطلي بالكربون، والذي يمكن أن يتجاوز 60 ميكرومتر.
   6. غط الجزيئات الناتجة بساعة أو فيلم واحتفظ بها في بيئة يتم التحكم بها بالرطوبة.
      ملاحظة: تم تنفيذ جميع أعمال الطلاء والتجريبية في بيئة تحافظ عليها في ظروف مختبرية داخلية بدرجة حرارة تتراوح بين 21-25 درجة مئوية (70-75 درجة فهرنهايت) ورطوبة نسبية 20-45٪.
2. جزيئات الذهب الصلب (تستخدم في التجارب البلازمونية)
   1. تباع جزيئات الذهب الصلب جافة بمتوسط قطر 1 ميكرومتر (انظر الشكل 2D وجدول المواد). عند جاهزيته للاستخدام، انقل الجزيئات المجففة إلى غرفة جسيمات الزجاج الدوارة (الشكل 2E).

2. إعداد النظام البصري

ملاحظة: الإعداد البصري موضح في الشكل 3. القائمة الكاملة للمكونات البصرية والكهربائية المطلوبة لإكمال الإعداد متوفرة في جدول المواد. في هذا الإعداد، تنتج أربع عدسات متطابقة مرحلتين متتاليتين من نوع 4F تصوران AOM₁ على AOM₂. يحرف AOM₁ الشعاع عموديا، وAOM₂ يحرف الشعاع أفقيا، وبما أن الأطوال البؤرية متساوية، فإن مستوى الاقتران في AOM₁ يتطابق مع AOM₂.

1. مصدر الليزر ومحاذاة الشعاع الأولي
   1. على طاولة بصرية، ضع مصدر ليزر قادر على توليد قوى من <5 ميلاواط إلى >5 واط بقوة 532 نانومتر.
      ملاحظة: كان ليزر المصدر المستخدم في هذه التجارب قادرا على توليد قوى فخ تزيد عن 10 واط. عند خرج الليزر وقبل دخول AOM¹، يتم محاذاة الشعاع بقطر يقارب 1.3 مم (عرض شدة 1/e²)، ويتم قياسه باستخدام جهاز تحليل الشعاع. تم اختيار مصدر 532 نانومتر لأنه متوفر بقوى عالية وجودة حزمة جيدة ويتميز بامتصاص بلازومي جيد للجسيمات المستهدفة.
   2. قلل من طاقة الليزر إلى <5 مللي واط. استخدم مستقطبا لتحديد ما إذا كان الاستقطاب موجه عموديا. إذا لم يكن كذلك، قم بتدوير الليزر أو أدخل وتدوير لوحة نصف موجة عالية القدرة لضمان اتجاه الاستقطاب الرأسي. استخدم مصعد شعاع حركي (الشكل 4A، الجانب الأيمن) ومسطرة لضبط ارتفاع العارضة إلى 23 ± 0.5 سم (هذا الارتفاع عشوائي لكنه أثبت أنه مريح). قس ارتفاع العارضة على بعد 10 سم من المصعد وعلى بعد 40 سم. تأكد من أن كلا القياسين يعطيان ارتفاعا 23 سم.
      ملاحظة: يعمل AOM باستخدام تفاعل صوتي-بصري ثنائي الانكسار بوضع القص البطيء في ثاني أكسيد التيلوريوم (TeO₂)، مما يتطلب استقطابا أفقيا لحزمة الدخل. يظهر الشعاع الحيود مع استقطاب عمودي بسبب الطبيعة الثنائية الانكسار للتفاعل. نظرا لأن أول AOM يدور فعليا بمقدار 90° بالنسبة لنظام الإحداثيات العالمية، يجب استقطاب شعاع الإدخال عموديا في الإحداثيات العالمية لمحاذاة محور الاستقطاب الأفقي الداخلي للموج الخارجي.
2. وضع العدسات الموضوعية والعدسات المرحلات
   1. اضبط المجهر على ارتفاع الشعاع، مواجها في اتجاه -z، على مسافة تزيد عن 100 سم من خرج مصعد الشعاع (الشكل 4A,B).
   2. ضع عدسة تحويل فورييه على بعد 10 سم في اتجاه -z مع سطح محدب يواجه اتجاه +z (الشكل 4C,D).
   3. ضع العدسات الثلاث المتبقية لتحويل فورييه على بعد 20 سم مع التناوب بين التقعبات كما هو موضح في الشكل 4E.
3. تكوين AOM
   1. موقع AOM على بعد 10 سم في اتجاه -z من العدسات الأقرب والأبعد عن الليزر، كما هو موضح في الشكل 5,B.
   2. تأكد من أن AOM₁ (الأقرب إلى الليزر) موجه عموديا.
      ملاحظة: في هذا النموذج، تم إنشاء حامل مطبوع ثلاثي الأبعاد مخصص لهذا الغرض. قم بتدوير AOM₁ تقريبا بمقدار 2° نحو المحور البصري كما هو موضح (الشكل 5A).
   3. ضع AOM₂ على بعد 10 سم من العدسة الأبعد عن الليزر. سيتم توجيه هذا ال AOM أفقيا (الشكل 5B). قم بتدوير AOM₂ تقريبا بمقدار 2° بعيدا عن المحور البصري كما هو موضح (الشكل 5B).
   4. شغل الليزر على طاقة منخفضة (مثلا <5 ميلي واط).
   5. لكل قناة من AWG، قم بتوصيل مذبذب متحكم فيه بالجهد (VCO)، ومضخم، وجهاز AOM واحد (الشكل 5C). أولا، قم بتوصيل المضخمات بوحدات AOM كما هو موضح في الشكل 5D، E.
      ملاحظة: من المهم التأكد من توصيل المضخمات بحمل قبل تشغيلها. المضخمات وVCO كلاهما يستهلك طاقة تيار مستمر 12 فولت ويمكن توصيلها بمصدر مشترك بجهد 12 فولت باستخدام مشابك موزة كما هو موضح في الشكل 5F.
4. تحسين AOM
   1. ضع فتحة في النظام كما هو موضح في الشكل 6A.
   2. باستخدام AWG، قم بتحويل إشارة الترددات الراديوية إلى كلا الموجتين إلى قيمة 175 ميجاهرتز (~5 فولت على VCO).
      ملاحظة: سيكون هناك الآن شعاعان بعد AOM¹ وأربعة أشعة بعد AOM² (انظر الشكل 6B).
   3. قلل زاوية ميل AOM₁ إلى الصفر. زد الزاوية تدريجيا حتى يصبح شعاع الدرجة الأولى (شعاع التمرير العلوي الأيمن الذي يظهر عند النظر في اتجاه -z كما هو موضح في الشكل 6C) في أقصى سطوعه. سيعود AOM إلى زاوية الميل الأصلية تقريبا 2°.
   4. قلل ميل AOM₂ إلى الصفر. زد الزاوية تدريجيا حتى يصبح شعاع الدرجة الأولى في أقصى لطوعه. سيعود AOM إلى زاوية الميل الأصلية تقريبا 2°.
      ملاحظة: كان متوسط كفاءة الحيود (عند التشغيل بقوة كهربائية 1 واط) حوالي 70٪ لكل طاقة كهربائية عن طريق التردد. كانت الكفاءة البصرية الكلية للنظام حوالي 30٪.
   5. تأكد من أن كلا الشعاعين الخارجين من أول AOM يدخلان الثاني. تأكد من أن من بين العوارض الأربعة التي تدخل الفتحة الثانية، يتم اختيار الشعاع العلوي الأيمن ليمر عبر فتحة.
      ملاحظة: يجب أن تكون الفتحة صغيرة بما يكفي لتعيق 'حزم الكتلة' وتسمح ل 'شعاع المرور' بالاستمرار حتى عند انحرافها بواسطة AOM (الشكل 6C,D).
   6. ضع مقسم الأشعة كما هو موضح في الشكل 6E لتوجيه جزء من الحزمة إلى سطح المراقبة (الشكل 6E,F).
5. التحكم في AWG
   1. مع تعيين سعات AWG على الصفر (أو مخرجات AWG مضبوطة على 'إيقاف')، سيبدو الشعاع الناتج عند سطح الرصد كنقطة (الشكل 7A,B).
   2. اضبط إزاحة القناة الرأسية إلى 3 فولت، والسعة إلى 5 فولت، والتردد إلى 4 كيلوهرتز لرؤية خط عمودي (الشكل 7C,D).
   3. اضبط إزاحة القناة الأفقية إلى 3 فولت، والسعة إلى 5 فولت، والتردد إلى 4 كيلوهرتز لرؤية خط قطري (الشكل 7E,F).
   4. اضبط تردد القناة الرأسية على 8 كيلوهرتز وإزاحة الطور على 90° لرؤية نمط ليساجوس (الشكل 7G,H).
   5. اضغط على زر محاذاة طور الطور لتحويل نمط ليساجوس إلى شكل مكافئ (الشكل 7I,J).
   6. قم بضبط إزاحة طور القناة الرأسية لتحسين الشكل القطع المكافئ (الشكل 7K,L).

3. إعداد نظام التصوير

ملاحظة: يسمح نظام التصوير بالرؤية المحورية (أي 'الأمامية') والإضاءة الخلفية للجسيمات وملف الفخ.

1. الكاميرا، الفلتر، والواجهة
   ملاحظة: الكاميرا لديها سرعة قصوى اسمية تبلغ 751 إطارا في الثانية؛ ومع ذلك، فإن المعدل الفعلي سيتغير بشكل كبير حسب الدقة المختارة وسرعة تأخير النظام. في هذه التجارب، كان المعدل الفعلي حوالي 500 قدم في الثانية. كان التشغيل أكثر فائدة عند سرعة 1/100 أو 5 إطارات في الثانية (بافتراض عدم فقدان أي إطارات عند الالتقاط).
   1. ضع عدسة تليسنتريك على مرحلة خطية (متحركة على طول محور z) بطول بؤري 45 مم، 55 مم أمام الهدف (+اتجاه z، الشكل 8A). ضع مرشحا ثنائي اللون مصمما لعكس ضوء 532 نانومتر (انظر جدول المواد) أمام العدسة كما هو موضح في الشكل 8A,B.
   2. قم بتوصيل الكاميرا عبر USB إلى جهاز كمبيوتر مع برنامج تصوير مرتبط (انظر جدول المواد للنوع والعلامة التجارية). انظر الجدول 2 لإعدادات الكاميرا الأولية).
   3. قم بإمالة المرشح ثنائي اللون قليلا (5-10 درجات) حتى يظهر شكل المصيدة القطعية (الشكل 8C,D).
   4. ضع الكاميرا على مرحلة خطية (الشكل 8E) وانقل العدسة إلى الخلف لتحسين تركيز الصورة (الشكل 8F).
   5. أضاء مقسم الشعاع بمصدر ضوء من الألياف (الشكل 8G).
   6. قم بضبط ضوء الألياف ليحول إضاءته حول المصيدة القطعية (مثال على الإضاءة غير المركزية في الشكل 8H، وعلى المنتصف في الشكل 8I).

4. تحميل الجسيمات وحبس

1. باستخدام ملعقة مختبرية، ضع كمية صغيرة (~1 جم) من الجسيمات داخل أسطوانة زجاجية بطول 25 مم وقطرها 12 مم مركبة للسماح بالدوران على محور الأسطوانة (الشكل 9A).
2. ضع الأسطوانة الزجاجية المحملة في مركز 15 مم (أي مسافة عمل هدفية) بعيدا عن الهدف (الشكل 9B).
3. قم بتدوير الأسطوانة (الشكل 9C)، واضغط على الأسطوانة، وراقب عرض الكاميرا. عند النقر على المستخدم، قد يلاحظ الحالات التالية: الجسيمات الافتراضية/لا محاصرة (الشكل 9D)، الجسيمات التي تسقط (الشكل 9E)، وجسيمات أو جسيمات محاصرة (الشكل 9F).

5. التتبع الحاسوبي مع OpenCV

ملاحظة: تم تتبع الجسيمات وقياس وقت الاحتفاظ باستخدام برنامج مخصص قائم على OpenCV (الإصدار 4.6.0) تم تطويره بلغة ++C وتم تنفيذه في Microsoft Visual Studio 2022.

1. تثبيت البرامج
   1. قم بتثبيت إصدار المجتمع من Visual Studio 2022 (إذا سمح استخدام المستخدم بذلك) في https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. قم بتثبيت تطوير سطح المكتب مع عبء عمل C++ .
   2. قم بتحميل وتثبيت OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. أثناء التثبيت، انتبه إلى دليل التثبيت.
   3. حمل وثبت NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html يجب إنشاء حساب لتثبيته. أثناء التثبيت، انتبه إلى دليل التثبيت.
   4. حمل وثبت نسخة Pylon 7.5.0.15658. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. أثناء التثبيت، انتبه إلى دليل التثبيت.
2. تكوين البرمجيات
   1. افتح Visual Studio CE وأنشئ مشروعا جديدا فارغا.
   2. أضف ملف مصدر main.cpp والصق الكود من الملف التكميلي 1 ( main.cpp) في الملف المصدر الجديد.
      ملاحظة: انسخ الكود إلى ملفات أنشأها Visual Studio بدلا من استيراد ملفات خارجية لتجنب التعارض مع بنية ملفات مشروع Visual Studio.
   3. اذهب إلى Project > yourProjectNameHere Properties.
   4. غير التكوين إلى جميع التكوينات، وغير المنصة إلى x64.
   5. تغيير خصائص التكوين > > عام C++ LanguageStandard إلى معيار ISO C++14.
   6. تغيير خصائص التكوين > C/C++ > أدلة عامة > إضافية بحيث تشمل رؤوس OpenCV. في هذه الدراسة، تم تثبيت هذه الرموز في C:\Program Files\opencv\build\include.
   7. في نفس مربع نص الأدلة الإضافية ، أضف المسارات إلى رؤوس العمود العادية، ورؤوس عينات العمود. في هذه الدراسة، تم تثبيت هذه القواعد في C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include و C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include على التوالي.
   8. في نفس مربع نص الأدلة الإضافية، أضف رؤوس العمود العادية، ورؤوس عينات الدباب. في هذه الدراسة، تم تثبيت هذه العينات في C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include و C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include على التوالي.
   9. في نفس مربع نص التضمين الإضافي ، أضف رؤوس VISA. في هذه الدراسة، تم تثبيت هذه المعالجات في C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. تغيير خصائص التكوين > Linker > أدلة مكتبة عامة > إضافية بحيث تشمل مجلد مكتبة OpenCV. في هذه الدراسة، تم تثبيت هذه الأنظمة في C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. في نفس مربع نص المجلدات الإضافية للمكتبات ، أضف مجلد lib العمودي. في هذه الدراسة، تم تثبيت هذه الرموز في C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. في نفس مربع نص أدلة المكتبة الإضافية ، أضف مجلد VISA lib. في هذه الدراسة، تم تثبيت هذه المعالجات في C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
   13. قم بتغيير التكوين إلى تصحيح، ثم تعيين خصائص تغيير التكوين > الرابط > الإدخال > التبعيات الإضافية لتشمل كل من opencv_world460d.lib و visa64.lib.
   14. غير التكوين إلى الإصدار، ثم قم بتعيين خصائص تغيير التكوين > Linker > Input > Dependencies الإضافية لتشمل كل من opencv_world460.lib و visa64.lib.
3. معايرة البرمجيات
   1. شغل Visual Studio 2022 وافتح مشروع المستخدم YourProjectNameHere.sln.
   2. اضغط على زر الركض/التشغيل الأخضر. سيظهر بث فيديو وطرفية (الشكل 10A).
   3. تأكد من أن القطع المكافئ الأخضر للفخ مرئي. إذا لم يكن كذلك، قم بضبط الطاقة، والترشيح، و/أو المحاذاة حسب الحاجة حتى تصبح منطقة الصيد مرئية.
   4. التقط الشاشة أولا بالضغط على مفتاح Windows + Shift + S ثم النقر ثم سحب مؤشر الفأرة من أعلى اليسار إلى الزاوية اليمنى السفلية في بث الفيديو (الشكل 10B). أداة التقاط الشاشة ستولد نافذة منبثقة. انقر على هذه النافذة المنبثقة لفتح محرر لقطات الشاشة. داخل هذا المحرر يوجد زر للتحرير في MS Paint. انقر على زر التعديل في MS Paint .
   5. ضع المؤشر في الزاوية العلوية اليسرى من القطع المكافئ المعروض في نافذة MS Paint. سجل الإحداثيات المعروضة في الزاوية السفلية اليسرى من نافذة MS Paint (الشكل 10C). الإحداثيات تعرف باسم (xmin, ymin).
   6. ضع المؤشر في الزاوية السفلية اليمنى من القطع المكافئ. سجل الإحداثيات المعروضة في الزاوية السفلية اليسرى من نافذة MS Paint. الإحداثيات تعرف باسم (xmax, ymax).
   7. أغلق بث الفيديو بالضغط على زر الهروب .
   8. أدخل xmin، xmax، و ymin، ymax على السطر 280 في دالة is_trapped() ل main.cpp ضمن مشروع المستخدم: مثلا، Mat cropped_image = input_image(النطاق (335، 403)، النطاق (322، 385));
      ملاحظة: دالة المدى الأولى تأخذ xmin و xmax كمعلمات، بينما دالة المدى الثانية تأخذ ymin و ymax. سيحدد هذا نافذة الكشف لاكتشاف الجسيمات (الشكل 10D).
4. اختيار التردد
   1. شغل Visual Studio 2022 وافتح مشروع المستخدم، YourProjectNameHere.sln إذا لم يكن مفتوحا بالفعل.
   2. افتح PowerShell (ويندوز +X → ويندوز باورشيل) أو موجه الأوامر.
      تشغيل: python -c "استيراد عشوائي; print(random.sample(النطاق (0,101),101))"
      انسخ قائمة أرقام الاختبار التي تم إنشاؤها.
      ملاحظة: كل رقم يتم توليدها يمثل ترددا. التحويل الرياضي من الرقم إلى التردد هو:
      f(n) = 100 • 10^0.03n هرتز
      Domain: n∈{0,1,...,100}
      النطاق: f(0) = 100Hz حتى f(100) = 100,000Hz (100 kHz)
      الخطوات متباعدة على اللوغاريتم. تم تضمين هذا النص كملف إضافي 2، numbershuffler.py لراحة القارئ.
   3. تعديل السطر 443 من main.cpp عن طريق نسخ قائمة الأرقام المولدة إلى تسلسل أرقام الاختبار: على سبيل المثال،
      متجه test_numbers = { 64، 24، 9، 81، 15، 38، 12، 5، 99، 49، 37، 16، 83، 17، 30، 82، 53، 65، 85، 94، 26، 67، 90، 97، 95، 22، 63، 32، 42، 77، 46، 87، 52، 33، 0، 10، 4، 88، 98، 13، 60، 3، 39، 41، 11، 59، 69، 80، 23، 89، 73, 36, 34, 18, 70, 25, 74, 21, 2, 58, 45, 56, 8, 7, 43, 14, 62, 31, 75, 20, 40, 78, 76, 28, 84, 29, 55, 19, 86, 93, 35, 48, 27, 54, 6, 68, 96, 57, 44, 1, 47, 72, 50, 61, 66, 100, 71, 92, 79, 51, 91 };
   4. احفظ المشروع.
5. إجراء تجربة
   1. جهز الليزر. اسمح للليزر بإكمال روتين الإحماء إذا لزم الأمر. افتح غالق الليزر وزد القوة إلى مستوى الهدف. كان هذا تقريبا 8 واط في هذه الحالة.
   2. YourProjectNameHere.sln مفتوحة في Visual Studio.
   3. تأكد من توصيل الكاميرا بالكمبيوتر عبر USB.
   4. تأكد من أن جهاز AWG متصل عبر USB بالكمبيوتر.
      ملاحظة: بالنسبة لجهاز AWG المدرج في جدول المواد، فإن منفذ USB الصحيح للتحكم في VISA هو منفذ USB-B الموجود في الجزء الخلفي من الجهاز (الشكل 11A).
   5. تأكد من أن المضخمات تنهي عند AOMs. شغل مزودات طاقة VCO.
   6. شغل المصباح الأبيض الضوئي وضبطه ليضيء القطع المكافئ بشكل متساو.
      ملاحظة: سيكتشف الكود ظلال الجسيمات المظلمة، ويحدد الفخاخ الناجحة، ويحدد مدة ذلك. يتم تصدير النتائج تلقائيا إلى ملف نصي.
   7. اضغط زر التشغيل/التشغيل في Visual Studio لتشغيل المشروع. سيظهر بث فيديو.
      ملاحظة: إذا تعطل البرنامج، جرب التبديل بين إعدادات التصحيح والإصدار (انظر إرشادات مايكروسوفت: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. اضبط ميل فلتر الشقوق حتى يصبح الليزر عند كامل الطاقة (≈8 واط) بالكاد مرئيا.
   9. اضغط على أنبوب زجاجي وراقب التغذية أثناء سقوط الجزيئات. في حالة جسيمات الميكروسفير الزجاجية المطلية بالكربون، ستظهر الجسيمات كدوائر سوداء تسقط بسرعة في مجال رؤية الكاميرا. استمر في النقر. سيبدأ البرنامج عند التردد الأول في تسلسل التردد المحدد. بمجرد تسجيل 10 أحداث فخ من أي مدة زمنية (بما في ذلك الجسيمات التي تمر فقط عبر منطقة الكشف)، سيتقدم إلى التردد التالي في التسلسل. إذا انخفض عدد الجسيمات التي تسقط أثناء النقر، قم بتدوير أنبوب الزجاج 180° واستأنف النقر. عندما يتم اختبار جميع الترددات، ينتهي البرنامج ويمكن للمستخدم التوقف عن النقر.
6. تصور البيانات
   1. افتح ملف results.txt (الملف الإضافي 3) في محرر نصوص. في هذه الدراسة، تم العثور على الملف في C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt. في كل مرة يتم فيها تشغيل البرنامج تظهر نتائج جديدة تحت عنوان "بداية دفعة جديدة من النتائج." بصيغة <رقم الاختبار> النتيجة: <وقت الفخ في ns>.
   2. استخدم Find and Replace لاستبدال جميع حالات "result:" بفاصلة (,). احذف كل البيانات غير المتعلقة بالجولة الحالية. استخدم حفظ الملف النظيف ك results.csv.
   3. افتح results.csv في جدول بيانات. انسخ أرقام الاختبار وأوقات الفخ من ملف .csv إلى جدول البيانات example.xlsx (الملف الإضافي 4). الصق أرقام الاختبار في العمود الأول. سيتم ملء العمود الثاني تلقائيا بتردد الكتابة المقابل بالهرتز، محسوبا من أرقام الاختبار. قم بلصق بيانات وقت الفخ في العمود الثالث. سيتم ملء الأعمدة الإضافية تلقائيا عن طريق تطبيق مرشحات مثل مرشحات الحد الأدنى للوقت. ثم يتم ملء رسم بياني مخطط، يعرض نقاط بيانات تمثل أوقات الفخ مقابل تكرار سحب الفخ (الشكل 11B).
      ملاحظة: ملف STL الخاص بحامل AOM القابل للطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدم لتركيب AOM₁ موضح في الملف التكميلي 5.

النتائج

نتائج للميكروكرات المطلية بالكربون

توفر الميكروكرات المطلية بالكربون أكثر الجسيمات ملاءمة بصريا لاحتجاز النوعين من الجسيمات المعالجة في هذه الورقة (أي الميكروكرات المطلية بالكربون وجسيمات الذهب الصلب). تنتج الكرات الدقيقة المغلفة بالكربون ظلالا داكنة عند الإضاءة الخلفية، كما هو موضح في الشكل 9E,F.  وهذا يجعلها مثالية للتحقق من إعداد معدات فخ القوارب. وتسمح رؤيتها العالية باستخدام برنامج كشف الجسيم...

المناقشة

يعتمد التنفيذ الناجح لهذه التقنية على التعديل الدقيق لترددات AOM والمحاذاة الصحيحة للمكونات البصرية. واحدة من أهم الخطوات هي التأكد من أن شعاع الليزر الماسح يولد جهدا بارابوليا مكونا بشكل جيد.  بينما تحسن الأطوال البؤرية الأقصر والفتحات العددية الأعلى عموما صلابة الفخ وحجمه، فإن سهولة وجود هدف لمسافات عمل طويلة لتحميل الجسيمات والملاحظة كانت تفوق هذه الفوائد في هذا التطبيق.

وجد أن عدم توفير الطاقة الكافية (<800 ميلي واط) كان مصدرا شائعا للمصائد غير المستقرة، خ...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	يُستخدم لتصوير الجسيمات المحبوسة؛ عدسة تلسينتريك؛ مرقّم بـ 'i' في الشكل 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	يُستخدم لتوازي الحزمة وتداخلها (تمت مناقشته في المحاذاة)؛ بصريات التبديل؛ مرقّم بـ 'b' في الشكل 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	تحويلات فورييه الناتجة عن AOMs؛ الهدف؛ مرقّم بـ 'g' في الشكل 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	يُستخدم لتحسين تباين التصوير؛ مصدر ضوء أبيض؛ مرقّم بـ 'f' في الشكل 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	المودولات الصوتية البصرية (AOM)، مسح الاتجاه Y؛ Y-AOM؛ مرقّم بـ 'a' في الشكل 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM المستخدم لمسح الحزمة في الاتجاه X؛ X-AOM؛ مرقّم بـ 'c' في الشكل 3
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	يُستخدم لكشف الجسيمات؛ الكاميرا؛ مرقّم بـ 'j' في الشكل 3
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	مجهز ببرامج استحواذ البيانات والتصوير
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	ليزر الإضاءة؛ مصدر الليزر
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	حجرة دوارة للجسيمات؛ حجرة الجسيمات؛ مرقّم بـ 'h' في الشكل 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm، يُستخدم لتثبيت تدفق الهواء
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	يُستخدم للاختبار المقارن
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	جزيئات ذهبية صلبة
model number TB-17	Minicircuits	15542	يُستخدم لتضخيم الإشارة إلى AOMs؛ مضخمات RF؛ مرقّم بـ 'm' في الشكل 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	يُستخدم للتصفية المكانية للأوامر المنحرفة؛ الفتحة؛ مرقّم بـ 'd' في الشكل 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	يُستخدم لإدخال الضوء الأبيض على طول المحور البصري لإضاءة الجسيمات من الخلف؛ مقسّم الحزمة؛ مرقّم بـ 'e' في الشكل 3
Rigol DG4202, 2 Channel waveform generator with 200 MHz sine wave and 60 MHz square wave capabilities, 500 MSa/sec sample rate, 16 kPt arbitrary memory length, 7 inch display, and USB and ethernet (LXI) interfaces.	TestEquity	DG4202	Rigol DG4202، يُستخدم للتحكم في AOM؛ مولد الموجة التعسفي؛ مرقّم بـ 'k' في الشكل 3
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	يُستخدم لضبط تردد AOM؛ المذبذبات المتحكم فيها بالجهد (VCOs)؛ مرقّم بـ 'l' في الشكل 3