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

يصف عملنا بناء وتشغيل مصيدة بصرية على شكل قارب قابلة لإعادة التكوين لالتقاط ومعالجة الجسيمات في الهواء. طرق الصيد الحالية تحل بين تحديد موقع الفخ ومنطقة الاصطياد. يقدم هذا البروتوكول فخا للقارب، حيث يحقق الاثنين معا.

يمكن تطبيق هذا البروتوكول في بيئات مختبرية قياسية تحت ظروف الهواء المحيطة مع اتباع بروتوكولات سلامة الليزر من الفئة 4. بعد تحضير الكرات الزجاجية المجهرية المطلية بالكربون، قم بإعداد النظام البصري باستخدام مصعد شعاع حركي ومسطرة لضبط ارتفاع الشعاع إلى 23 سنتيمترا. قلل من قوة الليزر إلى أقل من 50 ميلي واط.

استخدم مستقطبا لتحديد ما إذا كان الاستقطاب موجه عموديا. ضبط المجهر ليتناسب مع ارتفاع الشعاع في اتجاه Z السالب على مسافة تزيد عن 100 سنتيمتر من خرج مصعد الحزمة. ضع عدسة تحويل فورييه على بعد 10 سنتيمترات في اتجاه Z السالب، بحيث يكون السطح المحدب مواجها في اتجاه Z الموجب.

ثم ضع العدسات الثلاث المتبقية لتحويل فورييه على بعد 20 سنتيمترا مع تقعبات متناوبة. ضع المعدلات الصوتية-البصرية على بعد 10 سنتيمترات في اتجاه Z السالب من العدسات الأقرب إلى الليزر والثالث الأقرب إليها. تأكد من أن معدل الصوت والبصري الأقرب إلى الليزر موجه عموديا.

ضع معدل الصوت والبصري على بعد 20 سنتيمترات من العدسة في الثالث الأقرب لليزر. قم بمحاذاته أفقيا وقم بتدويرها حوالي درجتين بعيدا عن المحور البصري. لكل قناة من مولد الموجة العشوائي، قم بتوصيل مذبذب متحكم فيه بالجهد، ومضخم، ومعدل صوتي بصري واحد.

ثم توصل المضخمات إلى المعدلات الصوتية-البصرية. باستخدام مولد الموجة العشوائي، اضبط الجهد المزود لكلا المذبذبين المسيطرين على الجهد إلى خمسة فولت، وهو ما يعادل تردد 100 ميغاهرتز. ثم قلل ميل معدل الصوت والبصري إلى اثنين إلى الصفر.

زد الزاوية تدريجيا حتى يصل شعاع الدرجة الأولى إلى أقصى سطوع له. قم بمحاذاة كلا الشعاعين المخرجين من أول معدل صوتي-بصري للدخول إلى المعدل الثاني. من بين الحزم الأربعة الخارجة من المعدل الصوت-بصري الثاني، يسمح فقط للشعاع العلوي الأيمن بالمرور عبر الفتحة.

بعد ذلك، ضع مقسم شعاع لتوجيه جزء من الحزمة إلى سطح المراقبة. مع تعيين سعات مولد الموجات العشوائية على الصفر، نلاحظ الشعاع الناتج عند سطح المراقبة وهو يظهر كنقطة. اضبط إزاحة القناة الرأسية إلى خمسة فولت، والسعة إلى ثلاثة فولت، والتردد إلى أربعة كيلوهرتز.

راقب الشعاع وهو يشكل خطا عموديا عند سطح المراقبة. ثم قم بضبط إزاحة القناة الأفقية إلى خمسة فولت، والسعة إلى ثلاثة فولت، والتردد إلى أربعة كيلوهرتز. يجب أن يشكل الشعاع خطا قطريا عند سطح المراقبة.

ضبط القناة الرأسية إلى ثمانية كيلوهرتز وإزاحة طور بزاوية 90 درجة، مما ينتج عنه نمط ليساجوس على سطح المراقبة. ثم اضغط على زر محاذاة الطور لتحويل نمط ليساجوس إلى شكل قطع مكافئ. قم بضبط إزاحة طور القناة الرأسية لتحسين الشكل القطع المكافئ وملاحظة النمط القطعي المحسن عند سطح الملاحظة.

ضع عدسة تليسنتريك بطول بؤري 45 ملم على مرحلة خطية، مع وضعها على بعد 55 مليمترا أمام الهدف في اتجاه Z الموجب. ثم ضع فلتر ثنائي اللون مصمم لعكس ضوء 532 نانومتر أمام العدسة. قم بتوصيل الكاميرا بجهاز كمبيوتر شخصي باستخدام كابل ناقل تسلسلي شامل مع برنامج التصوير المرتبط به.

ثم قم بإمالة الفلتر ثنائي اللون قليلا بين خمس وعشر درجات حتى يظهر شكل المصيدة القطعية. أضاء مقسم الشعاع بمصدر ضوء من الألياف الليفي واضبط ضوء الألياف ليمركز إضاءته حول المصيدة القطعية. باستخدام ملعقة مختبرية، ضع حوالي غرام واحد من الجسيمات داخل أسطوانة زجاجية بطول 25 ملم وقطرها 12 مليمتر، مركبة للسماح بالدوران على محور الأسطوانة.

ضع الأسطوانة الزجاجية المحملة في مركزها على بعد 15 مليمتر من الهدف، بما يتوافق مع مسافة العمل الهدفية. بعد تدوير الأسطوانة والنقر عليها، راقب شاشة الكاميرا وهي تعرض الجزيئات المحاصرة الافتراضية أو لا تعرضها، أو الجزيئات التي تسقط، والجزيئات المحاصرة. بعد تثبيت وتكوين البرنامج، شغل Visual Studio 2022 وافتح ملف المشروع.

اضغط على زر التشغيل الأخضر لبدء البرنامج. راقب بث الفيديو والمحطة الطرفية وهما يظهران على الشاشة. تأكد من أن القطع المكافئ الأخضر للفخاخ مرئي في بث الفيديو.

إذا لم يكن مرئيا، قم بضبط الطاقة أو التصفية أو المحاذاة حتى تظهر منطقة الاصطياد. اضغط على مفاتيح ويندوز وشيفت وS في نفس الوقت لالتقاط الشاشة. انقر واسحب مؤشر الفأرة من أعلى اليسار إلى الزاوية السفلية اليمنى في بث الفيديو.

انقر على النافذة المنبثقة لفتح محرر لقطات الشاشة. انقر على زر التعديل في MS Paint داخل المحرر. ثم ضع المؤشر في الزاوية العلوية اليسرى من القطع المكافئ في نافذة MS Paint.

سجل الإحداثيات المعروضة في الزاوية السفلية اليسرى كحد أدنى X وY كحد أدنى. ثم ضع المؤشر في الزاوية اليمنى السفلية من القطع المكافئ في نافذة MS Paint. سجل الإحداثيات المعروضة في الزاوية السفلية اليسرى ك X كأقصى وأقصى Y كحد أقصى.

بعد الانتهاء، أغلق بث الفيديو بالضغط على زر الهروب. أدخل X الحد الأدنى، X الحد الأقصى، Y الأدنى، وY الحد الأقصى على السطر 280 في دالة is_trapped من الرئيسي. CPP ضمن المشروع.

لعشوائية تكرار الاختبار، قم بتشغيل Visual Studio 2022 وافتح ملف المشروع إذا لم يكن مفتوحا بالفعل. افتح Windows PowerShell أو موجه الأوامر. شغل أمر pythonc استيراد عشوائي وطبع عينة عشوائية من النطاق صفر إلى 101.

ثم انسخ قائمة أرقام الاختبار التي تم إنشاؤها. تعديل السطر 443 من الرسالة الرئيسية. قم بلصق القائمة المولدة في تسلسل أرقام الاختبار وحفظ المشروع في Visual Studio 2022.

زد قوة الليزر إلى المستوى المطلوب للتجربة. قم بتشغيل التجربة بالنقر على زر التشغيل الأخضر والنقر وتدوير أنبوب الجزيئات. بعد الانتهاء من التجربة، افتح النتائج.

ملف TXT في محرر نصوص. لاحظ أن كل تشغيل برنامج يولد نتائج جديدة تحت عنوان بدء دفعة جديدة من النتائج، بالتنسيق، رقم الاختبار، النتيجة، يليه وقت الفخ بالنانوثواني. لعرض البيانات، انسخ أرقام الاختبار وأوقات الفخ من ملف القيم المفصولة بفاصل إلى example.xlsx.

بعد تطبيق المرشحات المطلوبة، لاحظ الأعمدة الإضافية ومخطط التشتت الذي يملأ بتكرار وقت الفخ مقابل تكرار سحب الفخ. تنتج الكرات المجهرية المغطاة بالكربون ظلالا داكنة عند الإضاءة الخلفية. استقرت الكرات الزجاجية، وهي جسيمات بأبعاد حوالي 100 ميكرومتر، تقريبا في قاع المصيدة القطعية.

عندما تم حبس جسيم بنجاح، كان برنامج كشف الجسيمات الآلي يعرض حرف T أحمر. عندما لم يعثر على جسيم محاصر، يعرض البرنامج N أخضر. قد تزداد أو تنخفض معدلات وعمر الصيد حسب المتغيرات البيئية مثل درجة الحرارة أو الرطوبة. لم تكن جزيئات الذهب الصلب التي تصل إلى ميكرومتر واحد قابلة للرصد على طول المحور البصري، لكن تم ملاحظة تشتت ضوءها بشكل عمودي على المحور. أكدت تسجيلات الفيديو أن الجسيمات حافظت على موقعها لفترات طويلة تتجاوز عدة دقائق.

يسمح هذا البروتوكول للباحث برسم وتعديل فخ القارب بسرعة لاحتجاز وتحريك مجموعة واسعة من الجسيمات في الهواء. يمكن للدراسات المستقبلية دمج التحكم في مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة الميدانية لتمكين التلاعب القابل للبرمجة في شكل الفخ، ووزنه، وموقعه المقطعي داخل مستوى ثنائي الأبعاد.