Introduction
Ashkin 물리학 및 생물 물리학의 기초 연구를위한 기본 도구로 광학 트래핑 기술의 개발을 추진 1970 년 1 그의 소설 업적의 가속 및 방사선 압력에 의해 미세 입자의 포획을보고했다. 현재까지, 2, 3, 4, 5는 광학 포착의인가 액체 환경에 주로 초점을 맞추고 있으며, 단일 생체 분자의 기계적 특성에 콜로이드의 동작에서, 시스템은 매우 넓은 범위를 연구하기 위해 사용되었다. 6, 7, 가스 매체 광학 트래핑 8 응용 프로그램은, 그러나, 몇 가지 새로운 기술 문제를 해결해야합니다.
최근, 공기 / 진공 광학 트래핑은 점점 기초 연구에 적용되었습니다. 광학 레위 이후테이션은 잠재적으로 광학적으로 부상 입자가 작은 물체에 4 측정 고주파 중력파 9 양자 바닥 상태를 공부하고 분수 전하를 검색하기위한 이상적인 실험실이되고, 주변 환경에서 시스템의 거의 완성 절연을 제공합니다. (10)은 또한 공기 / 진공의 저점이 하나가 브라운 입자 (11)의 순간 속도를 측정하는 관성을 사용하고 선형 스프링 형상 정권 이후 넓은 동작 범위 탄도 운동을 생성 할 수있다. 12 따라서, 자세한 기술 정보 및 가스 매체에 광 트랩에 대한 사례는 광범위한 연구 커뮤니티에 더 가치가있다.
새로운 실험 기술은 가스 매체 광학 함정에 나노 / 마이크로 입자를로드해야합니다. 압전 트랜스 듀서 (PZT), ELECTR 변환하는 장치메카 탄성 에너지로 IC 에너지 광 부상의 제 데모 때문에 공기 / 진공 5 12 광 트랩으로 작은 입자를 제공하기 위해 사용되어왔다. 한 이후 여러 로딩 기술은 상업적 분무기 (13) 또는 파 발생기에 의해 발생 된 휘발성 에어로졸을 사용하여 더 작은 입자를로드하기 위해 제안되었다. (14) 고체 함유 물 (입자)와 부동 에어로졸은 무작위로 초점 근처에 전달하고 우연히 갇혀있다. 에어로졸가 트랩되면, 용매 밖으로 증발 입자 광 트랩에 남아있다. 그러나 이러한 방법은 물론, 샘플 내에서 원하는 입자를 식별 선택된 입자를로드하고 트랩 해제하는 경우 그 변경 사항을 추적하는 데 적합하지 않습니다. 이 프로토콜은 실험을 포함한 공기 선택적 광 트랩 로딩에 새로운 실무자에 대한 세부 정보를 제공하기위한 것입니다알 설정 두 주파수 및 시간 영역에서의 입자 운동의 분석과 관련된 PZT 홀더 샘플 격납 트랩 로딩 및 데이터 수집의 제조. 액체 매체에 포집 프로토콜도 발표되었다. 15 16
전체 실험 장치는 상업용 거꾸로 광학 현미경에 개발되고있다. 상기 집속 광을 선택한 입자 리프팅 휴지 미립자 해방의 움직임을 측정하고, 또, 기판 상으로 배치도 1은 선택적 광 트랩 로딩 단계를 입증하는 데 사용되는 셋업의 개략도를 도시한다. 먼저, 병진 스테이지 (가로 및 세로)의 대물 렌즈에 의해 집광 트래핑 레이저 (파장 1064 ㎚)의 초점을 기판상의 선택된 미립자를 가지고 사용된다 (근적외선 보정 긴 작동 거리 목표 : NA 0.4 배율 20 배, 작업 D투명 기판 내지 20mm)을 istance. 그리고, 압전 실행기 (기계적으로 사전로드 링형 PZT)의 미립자와 기판 사이의 접착 성을 파괴하는 초음파 진동을 발생시킨다. 따라서, 임의의 해방 입자는 상기 선택된 입자에 집중 단일 빔 구배 레이저 트랩에 의해 해제 될 수있다. 입자가 트랩되면, 정전 여기 두 개의 평행 한 도체 판을 포함하는 샘플 격납 중심으로 변환된다. 마지막으로, 데이터 획득 (DAQ) 시스템은 동시에 사분면 셀 검출기 (QPD)에 의해 포획 된 입자 움직임 및인가 전계를 기록한다. 측정을 마친 후,이 입자에 제어 가능하게는 가역적 방식으로 다시 포획 할 수 있도록 기판 상에 배치된다. 이 전체 프로세스는 몇 포착주기 동안 발생하는 이러한 접촉 대전 등의 변화를 측정하는 입자 손실없이 수백 번 반복 될 수있다. 우리의 최근 기사 f를 참조하십시오또는 세부 사항. (12)
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Protocol
주의 : 실험 전에 모든 관련 안전 프로그램을 참조하십시오. 이 프로토콜에서 설명하는 모든 실험 절차는 NIST 레이저 안전 프로그램뿐만 아니라 다른 관련 규정에 따라 수행된다. 선택 및 특정 파장 및 전력 용으로 설계된 레이저 보호 안경으로 적절한 개인 보호 장비 (PPE)를 착용하시기 바랍니다. 건식 나노 / 마이크로 입자를 취급 추가 호흡 보호가 필요할 수 있습니다.
1. 디자인 및 PZT 홀더의 제작 및 샘플 인클로저
- PZT 계 홀더 및 샘플 케이스를 디자인
참고 : 특정 설계 값이 PZT의 선택에 따라 달라집니다.- 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어 패키지를 연다. 주어진 PZT 차원에 대한 홀더의 2 차원 스케치를 그린다. 밀어 내기 / 돌출 컷의 조합을 사용하여 체적 기능에 2D 스케치를 개발한다.
- 스케치를 클릭합니다사각형을 그릴과 직사각형 큐브를 그것을 돌출.
- 커버 링 타입 PZT를 보유하는 원형 오목 기능을 정의하는 큐브의 상면 디스크 스케치.
- 실시간 이미징 트래핑 모두 광 액세스하는 중앙 구멍을 정의한다.
- 그림 2에서와 같이 중앙 영역을 향해 초음파 전력을 집중 평평한 금속 (구리) 링을 삽입하는 중앙 구멍의 가장자리를 따라 원형 가이드를 정의합니다.
- 도 2C 및 2D에 도시 된 바와 같이, PZT 홀더 M6 나사 구멍을위한 두 개의 구멍 (중앙 구멍, 4mm 두께의 알루미늄 판 저면 구입)를 바닥 판에 조립 될 만든다.
- 유사한 방식으로, 샘플 인클로저의 사각형 틀을 설계한다. 스케치 (Sketch)를 클릭하고 사각형을 그립니다, 그것은 사각형 상자 만들기 위해 사각형을 돌출.
- rectangula의 상면에 작은 사각형을 그리R 상자와 사각 관으로 만들 수있는 사각형을 돌출는 컷.
- 샘플 격납 박스의 프레임으로 변환하기 위해 튜브 돌출 컷의 측벽에 작은 직사각형을 그린다.
- 3 차원 프린팅 프로세스의 조형 (STL) 파일 형식으로 이러한 3 차원 (3D) 모델을 변환 (도 2B).
- 디자인 된 개체의 3D 인쇄
- 3 차원 프린터 운영 소프트웨어의 설계 파일 ( "-.STL")을 엽니 다. 평면 0 / .and 센터에게상의 객체를 객체를 배치 (0, 0, 0)을 선택하기 위해 오브젝트를 클릭 정렬 기능을 이용하여 : "플랫폼", "이동", 및 "센터". 위로 섬세한 기능을 향하도록 PZT 홀더의 방향. 오목 표면은 위쪽으로 직면하게 될 것입니다.
- 메뉴에서 "설정"및 "품질"탭으로 이동합니다. 100 %, 포탄의 수 : 2 및 레이어 높이 : 다음으로 된 충전을 인쇄 값을 설정 0.2mm.
- 총 인쇄 시간을 확인하고 원하는대로 계층화 된 개체를 인쇄 할 수 있는지 확인하기 위해 개체를 미리 볼 수 있습니다. 는 ".x3g"형식으로 3D 인쇄 파일을 내보내고 3D 프린터에서 사용하도록 저장합니다.
- 3 차원 프린터의 전원을 켜고 압출 노즐의 온도가 작동 온도에 도달 할 때까지 따뜻하게, 230 ° C. 메모리 카드 또는 네트워크 드라이브에서 디자인 파일을로드합니다.
- 최대 따뜻한 동안 객체가 안전하게 준수하기 위해 파란색 화가의 테이프로 빌드 플랫폼을 배치합니다. 상기 인쇄 작업의 열가소성 재료로서, 두 객체의 폴리 락트산 (PLA) 필라멘트를 사용한다.
- 디자인 된 개체를 인쇄 할 수 있습니다. 인쇄 작업이 완료되면이 냉각 한 후, 프린터의 전원을 끄십시오.
- 끌을 사용하여 플랫폼에서 인쇄 된 개체를 분리합니다. 인쇄 된 개체를 정돈합니다. 방향이 적절히 선택되면, PZT 홀더 직접 상기 후 처리없이 사용할 수있다.
- FOR 샘플 인클로저는 프레임을 포함하는 산화 인듐 주석 (ITO) 코팅 된 커버 세 커버 글라스의 한 쌍을 제조. 인클로저에 coverslip에 맞게 다이아몬드 커터를 사용합니다.
- 와이어 빠른 건조 실버 페인트를 사용하여 상기 두 개의 병렬 도체 판 개의 플레이트를 가로 질러 전압을 공급한다. 인스턴트 접착제 접착제를 사용하여 샘플 케이스에이 다섯 가지 창을 접착제.
주 : ITO 코팅 된 커버하는 한 쌍의 병렬 샘플 인클로저에 설치되어 균일 한 전기장을 제공하고, 전기장을 따라 자연스럽게 대전 입자의 탄도 운동을 생성하는 (서로 마주 보는). 세 종래 커버 슬립 공기의 외부 흐름 포획 입자를 보호하는 샘플 격납면 (상부 및 다른 두 변)의 나머지 부분을 덮
선택된 미세 2. 광학 트랩로드
- 샘플 준비
- 의 미세 입자를 저장진공 건조기는 실험 전에 공기 중의 수분과의 접촉을 줄일 수 있습니다.
- 유리 슬라이드에 미세 입자의 작은 부분을 붓고 즉시 다시 데시 케이 터에서 제조의 병을 넣어.
- 유리 모세관 튜브 미립자의 일부를 선택합니다. 커버 슬립을 통해 모세관을 잡고 조심스럽게 모세관에 눌러 기판 위에 입자를 분산 형.
- 암시 야 현미경을 사용하여 기판의 양과 증착 입자의 분포를 확인한다.
주의 : 샘플 준비 단계에서, 입자는 단지 커버 슬립 상에 분산되고, PZT 및 PZT 홀더간에 삽입하기 전에 전체 구성을 확인하기 위해 광학 현미경 (분산 미립자와 커버 슬립) 이미지화. 표면 부착 기판 개별 미립자를 보유 할만큼 충분히 강하다 때문에 상당한 외력이인가되지 않으면, 접착 입자가 견고하게 고정된다. - 압전 실행 어셈블리
- 평평한 바닥 판, 영화의 PZT, 유리 커버 슬립, 구리 반지의 PZT 홀더, 두 개의 M6 나사 및 샘플 인클로저를 절연 : 압전 실행 프로그램의 모든 구성 요소를 가져옵니다.
- PZT를 절연하기 위해 바닥 판에 박막 (또는 테이프)를 적용합니다. 유리 커버 슬립이 스택의 상부를 분리.
- 커버 슬립, 구리 링 및 PZT 홀더 다음 지금 테이프로 절연 평판의 상단에있는 PZT를 중심으로하여 스택을 조립합니다. 함께 홀더로도 2C 및 2D에 나타낸 실시하는 경우 홀더에 PZT 단락 방지하기 위해 PZT의 중심을 유지하는 스택 나사. 구리 링은 플라스틱 PZT 소지자 스택에 균일하게 분포 된 기계 프리로드를 제공합니다.
- 마지막으로, 스택에 샘플 케이스를 접착제와 현미경에 XYZ의 번역 단계에서 어셈블리를 장착.
- PZT 런처의 구성
참고 : 고전압 신호와 PZT를 운전 잠재적 전기 위험이 있습니다. 실험 전에 안전 담당자와 상담하시기 바랍니다. 모든 전기 연결은 실험 전에 확보되어야한다. 앰프의 전원을 끄고 분리 PZT 가능하면 연결됩니다.- PZT는 전압 증폭기를 접속하고, 전압 증폭기의 입력 포트에 함수 발생기를 연결한다.
- 함수 발생기 켜고 모든 연결이 확인되고 고정 될 때까지 상기 전압 신호를 발생하지 않도록 한 V.의 출력 전압에 연속 사각 파를 생성하도록 구성.
- 전압 앰프를 켜고 출력을 가능하게함으로써 출력 전압 1 V의 구형파를 생성합니다.
- 오실로스코프로 증폭기의 모니터 출력 단자 (출력 전압 200 V)을 연결한다. 을 돌려 200 V / V의 이득을 위해 앰프를 구성전면 패널에 손잡이를 얻을 수 있습니다. 오실로스코프에 의해 측정 모니터링 출력 전압이 1 V의 진폭이 있는지 확인합니다.
- 함수 발생기 및 증폭기가 구성되면, 실시간 비디오 현미경 이미지 입자를 부착하는 동안 구동 신호의 변조 주파수를 스캔하여 PZT 발사기의 공진 주파수를 찾고 있습니다. 미립자의 움직임이 최대가 될 때까지 검사를 반복합니다. 입자를 방출이 주파수 (여기에 64 kHz에서)를 사용합니다.
주 : 변조 주파수 수동 공진 주파수를 찾기 위해 150 kHz로 0에서 (스캔) 변경된다. - 버스트 모드에서 지정된 사이클 수와 구형파를 생성하는 함수 발생기를 구성. 전면 패널의 "버스트"버튼을 누르고 "N 사이클 버스트"를 선택합니다.
- "# 사이클"소프트 키를 눌러 버스트 카운트를 선택하고 10 또는 20 수를 설정합니다.
- 가진 전압 신호를 생성하는 방형 파를 구성600 V의 진폭 이전 단계에서 발견 64 kHz에서의 공진 주파수 (세 번 연속 여기에 사용되는 전압). 펄싱 신호가 입자가 각 펄스 후 이동 보장함으로써 반복적 인 방식으로 대상 입자를 방출하는지 확인합니다.
- 선택적 광 트랩로드
참고 : PZT 런처 어셈블리가 수동 선형 변환 XY 스테이지에 설치됩니다. 입자는 병진 스테이지를 이동하여 상기 고정 빔의 초점에 대해 변환 될 수있다.- 현미경 터릿 (도 3a)를 회전시킴으로써 포착 빔의 포커스를 식별 레이저 라인 필터를 제거한다. 초점을 최적화하기 위해 눈에 보이는 이미지의 최적의 초점 주위에 수직으로 앞뒤로 전동 초점을 맞추고 블록을 이동합니다.
- 포커스 위치가 확인되면, 트래핑 빔 간섭없이 선명한 실시간 비디오를 제공하는 백 필터를 넣어.
- 페이지에 샘플을 번역트래핑 레이저의 초점 위치에서, 선택된 입자 레이스. 이미지 입자의 입자 위의 부상 위치를 남겨 두면서 약 절반 반경 입자 중심 아래 공칭 트래핑 위치에 배치 선택된 입자의 중심을 초점.
- 광 트 랩핑 능력을 설정할 수있는 전기 - 광학 변조기 (EOM) 드라이버에 연결된 전원 공급을 조절한다. 최적 전력은 입자 사이즈 및 재질에 의존한다. 광 파워 빔으로부터 토출 않고 입자를 공중에 뜨게하기에 충분한 파워를 결정하기 위해 반복 된 실험을 통해 밝혀졌다. 여기서, 직경 20 ㎛의 폴리스티렌 (PS) 입자 트랩 대물의 후면 초점면에서 140 mW의 전력의 광을 사용한다.
- 선택된 입자의 중심이 정렬 된 후, 여러 펄스 압전 실행기를 작동. 이동 흐린 이미지 정적 집중 화상으로부터 입자 화상의 변화가 레프 성공적인 로딩을 나타낸다itation 위치입니다.
- 가능한 표면 상호 작용을 방지하기 위해 최대 대물 렌즈를 이동하여 기판 위의 mm에 대해 수직으로 부상 입자를 번역합니다. 그리고 더 안정되는 공칭 트래핑 위치 (도 3c)로 부상 입자 (그림 3b)를 전환 할 수있는 광 전력을 줄일 수 있습니다.
주 : 트래핑 레이저의 광 파워는 전기 광학 변조기 (EOM)으로 변조 할 수있다. EOM 디지털 전원 공급 장치를 통해 공급되는 바이어스 전압과 출력 전력을 조절한다. 하나 천천히 광 전력을 절감하면서 CCD를 통해 위치를 포착하여 부상의 전환을 관찰 할 수있다. - 위치 측정 (샘플 케이스의 중간에 상기 9mm를 입자 번역 차원에도 3c에 도시 된 바와 같이,주의 깊게 광축에 PZT 홀더의 중심으로 이동하고 (수직), 대물 렌즈의 최대 이동 SUBSTR프린지 전계가 최소화된다) 먹었다.
- 후술하는 바와 같이 측정을 수행 한 결과, 입자가 기판에 접촉 될 때까지 대물을 이동하여 기판상의 입자를 배치했다. 입자의 가장 코너 근처에 적용되기 때문에, 포획 된 입자를 용이하게 인식 할 수 있고 재 포획는 중앙 영역에 배치 될 때. 이는 입자와 기판의 접촉 상호 작용과 같은 단일 트래핑 이벤트를 넘어 발생하는 변화를 측정하는 가역적 트랩 로딩을 할 수 있습니다.
3. 데이터 수집
- 콘덴서와 트랩의 입자로 QPD "SUM"신호를 최대화하기 위해 초점 렌즈를 맞 춥니 다.
- 도 4c에 도시 된 바와 같이, QPD의 X 및 Y 채널 명목상 0으로 포커싱 렌즈를 맞추.
- 콘덴서의 조정, 푸리에 변환 된 신호의 위치까지 포커스 렌즈 (또는 전력 스펙트럼 밀도를 반복 는 X의 (PSD) 플롯) 및 Y 채널 밸런스 감도를 표시하는 중첩. 도 4b에 도시 된 바와 같이 적절하게 정렬 QPD 신호 (X 및 Y)은 거의 동일한 거동을 나타낸다.
- QPD 정렬이 확인되면, 두 ITO 플레이트에 전압 증폭기를 연결한다. 스텝 여기 신호와 동 기적으로 유도 된 입자 궤도를 기록 DAQ 시스템 증폭기의 전압 모니터링 출력 신호를 연결한다.
- 약 500 나노 미터 (도 4E)에 의해 광축을 횡단하여 입자를 이동시키는 전기장 (도 4D)를 생성하기 위해 400 V의 지속적인 구형파를 공급한다. QPD를 사용하여 포획 입자의 스텝 응답을 측정한다.
- 필요에 따라 복수의 평균 기간은 브라운 운동의 효과를 감소시킨다. 유도 운동 열적 변동보다 동작의 더 넓은 범위에서 광학 힘을 측정 할 수있다. 12 일EF "> 17도 4D 및 4E 쇼인가 전압 단계 여기의 50 반복을 통해 유도 된 입자 궤도의 신호를 평균.
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Representative Results
PZT 실행기는 CAD 소프트웨어 패키지를 이용하여 설계된다. 도 2 PZT 홀더 샘플 격납 재료와 다양한 방법으로 제조 할 수에 도시 된 바와 같이, 여기에서는, 프리 로딩 (a PZT 두 플레이트 고정)하기위한 간단한 샌드위치 구조를 사용한다. 그림 2D에 도시 된 바와 같이 빠른 시연을 위해, 우리는 열가소성와 3D 인쇄를 선택합니다. 제조 된 구성 요소에 기초하여, 광 트랩로드는도 3에 도시되어있다. 교정 된 CCD 카메라는 정량적 용이도 1에 도시 된 바와 같이 선택적으로 로딩하기위한, 반사 포착 레이저는 가시광 반사 이미징을위한 필터를 통과하면서 CCD 카메라를 보호하기 위해 현미경 터릿에 설치된 필터에 의해 실험 동안 차단 입경 추가 위치 검출 측정이 가능하여 측정. 타겟의 직경입자는 후술하는 바와 같이, 고유 주파수에서 트랩 강성을 산출 질량을 계산하는 데 사용될 수있다. CCD 카메라를 사용하여 측정 된 궤적은 변위를 측정하기위한 QPD 전압 신호를 보정하는 데 사용된다. (12)
입자가 트랩되면, 밝은 적색 레이저의 산란도 1 (삽입 사진)에 도시 된 바와 같이, 포획 된 입자는 육안으로 인식 할 수있다. 그것은 기판 (도 3)에 부착 된 다른 미립자는 상이한 높이 (포커스)에 있기 때문에 입자가 트랩 된 경우에도, 기판의 실시간 이미지를 결정할 수있다. 트래핑 위치 및 부양 위치 : 미립자는 두 위치에 트랩 될 수있다. 트래핑 위치에서, 광학 군은 모든 방향으로 입자를 안정화. 대조적으로, 부상 위치에 입자 transvers 안정화 전용광학 힘에 의해 엘리. 수직에서 방사선 압력의 상승 힘은 중력에 의해 균형됩니다. 우리 장전 법에 의해, 선택된 입자는 일반적으로 부상 위치로 전달된다. 부양 위치에서, 현탁 입자의 수직 위치는 더욱 민감한 포커스에 가까운 트래핑 위치에서보다 광 전력의 변동이다. 18 하나는 수직 광 파워를 변화시킴으로써 이들 두 안정 위치 사이에서 반복적으로 입자를 이동할 수 있습니다. 부양 위치는 공칭 트래핑 위치 빛이 멀리 초점에서 전파로 트랩 강성 부드럽게되기 때문에보다 외부의 힘에 더 높은 감도를 가지고있다. 변위 노이즈가 브라운 운동을 지배하지 않을 때 따라서, 부상 위치 민감한 측정을 사용할 수도있다. 그것은 어떤 이득 F 존재하지 않도록 강성이 증가 감도 및 소음을 줄이면, 여기로 위치 노이즈 열적 제한되면또는 정밀 측정.
포획 된 입자의 움직임은 QPD에 의해 모니터링 및 DAQ 보드에 의해 기록된다. QPD 신호는 시간 도메인 (도 4c) 및 푸리에 변환 (도 4a 및도 4b)에 기록된다. 전체적인 정렬 편리 개의 방사상 채널들 (X 및 Y)의 파워 스펙트럼을 비교함으로써 확인할 수있다. 들은 (도 4a)에 중첩하지 않는 경우, 광 배향 중첩이 발생할 때까지 (도 4b에 도시 된 바와 같이) 정정되어야한다.
도 4에 도시 된 바와 같이, 입자 궤도 브라운 탄도 운동 모두를 나타낸다. 시간 및 주파수 도메인 분석은 이러한 측정을 해석하기 위해 사용될 수있다. 우리는 브라운 운동을 비교함으로써, 광 트랩의보다 완전한 이해를 허용 계측을 강제하는 두 가지 방법을 소개했다정전기력에 의해 유도 된 탄도 운동한다. 아니오 전계 하에서 브라운 운동의 입자 궤도는 전체의 Langevin 방정식에 비선형 최소 자승법 용액에 의해 분석 될 수있는 전력 스펙트럼 밀도로 변환된다. PSD (19)의이 분석은 공진 주파수를 산출하고, 트랩 중심 부근 댐핑. 공진 주파수는 공식에 공지 된 물질을 사용하여 트랩 강도로 변환되고 
. 측정 된 변위는 스프링 F = -kx의 수식을 이용하여 상기 광학 힘을 준다.
정전 필드 스텝 변화에 의해 유도 된 탄도 운동은 트랩의 공진 주파수를 산출하고 매체의 감쇠 할 수있다. 우리가 포획 된 입자에서 정전기 장을 분리 할 때 (12), 입자 연구에 발표 될 예정이다그림 4D 및 4E에 표시된 필드가없는 태핑 position.as에 eturn. 시간의 함수로 변위는 공진 주파수를 제공 댐핑 및 정상 상태 변위하는 감쇠 조화 진동자의 일반적인 솔루션에 적합 할 수있다. 이들 접근법 모두 트랩 입자는 선형 스프링의 역할을한다고 가정한다. 이러한 측정은 강제 파라 방법을 사용하여 일반적으로 (비 - 선형) 력으로 확장 될 수있다. PSD에 분석 및 파라 메트릭 힘 분석 12 세부 사항은이 프로토콜의 초점은 아니지만 그들은 문헌에서 찾을 수 있습니다. 12, 19
그림 1 : 에어 선택적 광학 트랩로드에 사용되는 실험 장치의 회로도. 단일 빔 그라데이션 힘 광학 t랩은 거꾸로 광학 현미경에 개발되고있다. 회로도에 사용되는 약어는 다음과 같습니다 : EOM, 전기 - 광학 변조기; HAL, 할로겐 조명; MFS 무대를 전동식의 초점; NIR-LWD 목표, 수정 적외선 긴 작동 거리 대물 렌즈; TS, 변환 스테이지 (X-Y); PZT 압전 변환기; ESM, 정전기 장 변조기; ND, 감광 필터; QPD 사분면 - 셀 검출기; DM, 유전체 거울; ITO, 인듐 틴 옥사이드 코팅 된 커버; CCD, 결합 소자 카메라 수수료 헬륨 네온, 헬륨 네온 레이저 (633 ㎚); 차 : YVO 4, 트래핑을위한 1064 nm의 레이저. 12 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 압전 실행기 ASSEM의 제작BLY. (a) 3 차원 인쇄를위한 "-.SLDPRT"형식 및 (b) "-.STL"형식 CAD 소프트웨어 패키지를 이용하여 PZT 홀더의 렌더링 된 이미지. 압전 실행의 최종 조립 (c) 상기 렌더링 된 이미지 : (ITO 코팅 된 커버 포함) 샘플 인클로저, PZT 홀더, 링 스페이서 링 타입 PZT, 알루미늄 판, 커버 슬립. 최종 조립의 (d)에 그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 20 μm의의 PS 입자의 선택적 광 트랩로드의 단계 시범에 의해 단계. (a) 포커스 상기 입자를 부양 트래핑 빔의 초점 (B)의 위치 (부분부양 위치가 데이터 수집을위한 중앙 영역에 포획 된 입자를 이동) D (다음 공칭 초점 (트래핑 위치로 전이 (c)))뿐만 공칭 현미경 포커스 초과하고 있기 때문에 icle 이미지는 희미 흐림이다. 샘플 단계는도 차원에서 노란색 화살표 (스케일 바 = 100 μm의)로 표시로 이동 반면 입자 빔의 초점이 고정 된 위치에 갇혀있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : QPD는 주파수 및 시간 영역 모두 입자 궤적을 캡처. (a)이 잘못 정렬 실험 셋업 (b 반면, 특정 주파수의 저주파 노이즈 및 노이즈 피크를 나타낸다x 및 y 축)의 PSD 잘 일치는 정확한 광학 정렬을 나타낸다. (c)는 QPD는 시간 영역에서 포획 된 입자의 브라운 운동을 기록한다. (e) 상기 포획 된 입자 사이에인가 전계의 스텝 변화가 동기 데이터 획득 (DAQ) 시스템을 통해 유도 (d) 탄도 운동으로 기록된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
압전 실행기는 선택된 PZT의 동적 성능을 최적화하도록 설계된다. PZT 재료 및 초음파 진동의 관리의 적절한 선택은 성공적인 실험을 생성하는 주요 단계입니다. PZTs는 다른 특성 변환기의 종류에 따라 (벌크 또는 적층) 및 성분 재료 (하드 또는 소프트)를 갖는다. 하드 압전 재료로 이루어지는 벌크 타입 PZT 이유는 다음과 선택된다. 첫째, 하드 압전 물질은 낮은 유전 손실과 부드러운 소재보다 더 높은 기계적 품질 계수가 있습니다. 둘째, 일괄 형 PZT 낮은 전기 부하를 나타내며, 적층 타입의 변환기보다 높은 주파수에서 구동하기 쉽다. 동적 동작에서 높은 진폭 진동 기계 고장의 원인이 언로드 PZT 세라믹에 인장 힘을 일으킬 수 있습니다. 기계적 예압 구조는 백래시를 감소 및 PZT의 동적 성능을 향상시키기 위해 일정 하중을 제공하기 위해 사용된다. 충족allic 링 스페이서는 PZT 홀더 링 타입 PZT 사이에 삽입된다. 이 금속 링 스페이서는 초음파 전력을 집중하고 링 주위를 균등하게 분배합니다 (쉽게 커버 슬립을 깰 수있는 모든 로컬 (요철) 스트레스.). 잘 디자인 된 PZT 발사기로, 두 축 방향 및 반경 방향으로 트래핑 빔 입자의 적절한 정렬 트랩로드의 효율성을 결정한다. 입자가 성공적으로 펄싱 후 부상하지 않으면, 기판 정렬 반복 광 적재 위치를 찾기 위해 입자보다 초점을 약간 이동한다. 더 - 근적외선 보정 대물 렌즈의 경우, 포착 된 빔의 초점은 CCD에 집중 샘플 평면 아래 몇 마이크로 미터로 설정된다. 미립자 트랩에 필요한 최적의 랩핑 전력 목표 미립자 변화의 크기가 변화한다. 13 최적 트래핑 능력은 시행 착오를 통해 실험적으로 찾을 수있다. 여기서 필요한 전력은 (140 Mw)은 인사용 된 낮은 NA 및 긴 작동 거리로 인해 상대적으로 높은.
여기서 우리는 20 μm의의 PS 입자의 가역적 트랩 로딩을 보여 주었다. 그러나, 우리의 방법은 작은 입자로 확장 될 수있다. 작은 미립자를 들어, 현재 PZT 런처는 할 수없는 입자를 분리 할 수있는 충분한 초음파 전력을 제공 할 수 있습니다. 빠른 PZT 구동 회로의 사용은보다 작은 입자를 방출하는 것으로 나타났다. 도 20은 또한, 저 밀착성면은 다른 방법 일 수있다. 미립자와 상기 기판과의 밀착성 (21)의 감소는 따라서 현재 PZT 실행기는 작은 입자를 분리하기 위해 사용될 수있는 입자를 분리하는 데 필요한 최소 초음파 전력을 최소화한다.
대부분의 종래의 로딩 기술 중 하나가 트랩 CEN 근처 우연히 포획 될 때까지 고체 흠 다수 에어로졸 액 적을 연속적으로 발생되는 랜덤 프로세스이다터. 따라서 이러한 종래 기술은 한정 수량으로 샘플을 포획 또는 균일 샘플링을 유지하기 위하여는 적절하지 않을 수 있습니다. 프로토콜에서, 우리는 트랩 로딩 및 방문의 반복되는 사이클을 포함 가역적 광 트랩 로딩을 보여줍니다. 이것은 예를 들어, 입자의 전하 축적의 고유 연구 실험을 가능하게한다. 포획 된 입자 (22)에 전하가 비선형 최소 제곱 방식 하모닉 오실레이터의 이상적인 솔루션의 과도 응답 (도 4D)을 끼워 맞춤으로써 측정 할 수있다. 트랩 강성 곱하여 유도 변위 (상기 두 개의 병렬 ITO 코팅 된 플레이트 사이의 거리로 나눈 값,인가 전압에 의해 주어진) 공지 된 전계 강도에서 전하 연산을 허용하는 정전기력을 제공한다. 가역 트랩 로딩 TECHNI과 결합 (12)이 간단한 충전 측정은 입자 표면의 상호 작용을 연구하기 위해 확장 될 수있다가야는 여기에 설명했다. (22)
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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
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