远程实验室对带电液滴光学悬浮的安全实验

Summary

光悬浮是利用激光悬浮微米大小的介电物体的一种方法。利用计算机和自动化系统, 可以远程控制光学悬浮实验。在这里, 我们提出了一个远程控制的光学悬浮系统, 用于教育和研究目的。

Abstract

这项工作提出了一个实验, 允许研究许多基本的物理过程, 如光子压力, 光的衍射或带电粒子在电场中的运动。在这个实验中, 一个聚焦的激光束指向向上悬浮液滴。液滴是由聚焦激光束的光子压力悬浮的, 该激光束平衡了引力。用激光照射时产生的衍射图案可以帮助测量被困液滴的大小。当施加垂直定向电场时, 通过研究被困液滴的运动, 可以确定其电荷。推动这一实验被远程控制的原因有几个。设置所需的投资超过了本科教学实验室通常提供的金额。实验需要4级激光, 这对皮肤和眼睛都有害, 实验使用的是有害的电压。

Introduction

当开普勒解释为什么彗星的尾部总是指向远离太阳的时候, 他首先提出了光携带动量的事实。1971年, a. ashkin 和 j. m. dziedzic 首次报告了使用激光移动和捕获宏观物体的情况, 当时他们证明有可能悬浮微米大小的介电物¹。被困物体暴露在向上定向的激光束下。部分激光束被反射到对其施加辐射压力的物体上, 足以抵消重力。然而, 大部分光线都是通过介电物体折射的。光线方向的变化会导致物体的反冲。 对于放置在高斯光束剖面中的粒子, 反冲的净效果是液滴将向最高光强2区域移动.因此, 在激光束的中心, 在辐射压力平衡重力的焦点上方的位置上, 会产生一个稳定的捕获位置。

由于光学悬浮法允许小物体在不与任何物体接触的情况下被捕获和控制, 因此可以使用悬浮液滴研究不同的物理现象。然而, 该实验有两个限制, 可在学校或大学复制和应用, 因为并非所有机构都能负担得起所需的设备, 而且激光的实际操作存在一定的风险。

远程实验室 (rl) 为实验活动提供了对真实实验室设备的在线远程访问。rl 最早出现在 90年代末, 随着互联网的出现, 随着技术的进步和他们的一些主要关注问题得到解决, 它们的重要性和用途多年来一直在增长.然而, 随着时间的推移, rl 的核心一直保持不变: 使用连接互联网的电子设备访问实验室, 控制和监测实验。

由于 rl 具有远程性, 因此可用于向用户提供实验活动, 而不会使用户面临可能与实现此类实验相关的风险。这些工具使学生能够花更多的时间使用实验室设备, 从而培养更好的实验室技能。rl 的其他优点是: 它 1) 便利残疾人从事实验工作, 2) 通过在大学之间共享 rl 来扩展为学生提供的实验目录, 3) 增加了安排实验室工作的灵活性,因为当物理实验室关闭时, 可以在家进行。最后, rl 还提供计算机控制系统操作方面的培训, 这些系统现在是研究、开发和工业的重要组成部分。因此, rl 不仅能解决传统实验室带来的财务和安全问题, 还能提供更有趣的实验机会。

通过本工作中使用的实验装置, 可以测量被困液滴的大小和电荷, 研究带电粒子在电场中的运动, 并分析如何利用放射源改变液滴⁴上的电荷.

在所提出的实验装置中, 一个强大的激光向上定向, 并聚焦到玻璃细胞⁴的中心。该激光器是一种 2 w 532 nm 二极管泵浦固体激光器 (cw), 通常使用约1瓦 (w)。陷阱透镜的焦距为3.0 厘米. 液滴是用压电液滴分配器产生的, 通过激光束下降, 直到它们被困在激光焦距上方。当向上定向辐射压力的力等于向下定向的重力时, 就会发生诱捕。没有遵守陷阱的上限。液滴被困的最长时间是 9小时, 此后, 陷阱被关闭。液滴与激光场之间的相互作用产生了一种衍射图, 用于确定液滴的大小。

从分配器发出的液滴由10% 的甘油和90% 的水组成。水部分迅速蒸发, 在疏水阀中留下一个20到30μm 大小的甘油液滴。可捕获的液滴的最大尺寸约为40μm。大约10秒后没有观察到蒸发。此时, 预计所有的水都将蒸发。长时间的捕获时间没有任何可观察到的蒸发表明, 有最小的吸收, 液滴基本上是在室温下。液滴的表面张力使它们呈球形。液滴分配器产生的液滴的电荷取决于实验室的环境条件, 在实验室中, 液滴液滴最常见的是带负电荷。捕获单元的顶部和底部由两个相距25毫米的电极组成。它们可用于在液滴上施加垂直直流电 (dc) 或交流电 (ac) 场。即使在电极上施加1000伏 (v), 电场也不够强, 无法产生任何弧线。如果使用直流场, 液滴在激光束中向上或向下移动到新的稳定平衡位置。如果相反地施加交流场, 液滴将围绕其平衡位置振荡。振荡的大小取决于液滴的大小和电荷、电场的强度以及激光陷阱的刚度。液滴的图像投影到位置敏感探测器 (psd) 上, 使用户能够跟踪液滴的垂直位置。

这项工作提出了一个成功的倡议, 使教学和研究现代化使用信息和通信技术通过创新的 rl 光悬浮带电液滴, 说明了现代概念的物理。图 1显示了 rl 的体系结构。表 1显示了激光根据其类别可能造成的伤害;在此设置中, 使用了 iv 类激光, 这是最危险的激光。它可以在高达 2.0 w 的可见光激光辐射下运行, 因此远程操作提供的安全性显然适用于该实验。在 d. galan等人的作品中介绍了带电液滴 rl 的光学悬浮情况.在这项工作中, 它被证明如何可以使用在线教师谁想要向他们的学生介绍现代物理概念, 而不必担心成本, 物流或安全问题。学生通过一个名为 "大学互动实验室网络" (https://unilabs.dia.uned.es) 的门户网站访问 rl, 在该门户网站中, 他们可以找到与实验和实验使用相关的理论的所有文档通过 web 应用程序进行设置。通过使用远程实验室的概念, 需要昂贵和危险设备的现代物理学实验工作可以提供给新的学生群体。此外, 它还通过为传统学生提供更多的实验室时间和通常在研究实验室外无法进入的实验, 加强了正规学习。

Protocol

注: 本实验中使用的激光是提供高达 1 w 可见光激光辐射的 iv 类激光。激光实验室的所有人员必须进行足够的激光安全培训。

1. 动手实验协议

1. 安全
   1. 确保实验室里的每个人都知道激光会被打开。
   2. 打开实验室里的激光警示灯。
   3. 检查是否没有佩戴手表或金属戒指, 并戴上激光护目镜。
   4. 检查离实验最近的四个吸光板是否就位。
   5. 检查激光和吸收板之间的空间是否有障碍物。还要检查捕获单元和光束块之间的空间是否与对象之间的空间不存在。
2. 准备软件和实验。
   1. 打开实验室计算机。等待, 直到它准备好操作。
   2. 从桌面上打开 "远程启动"文件夹, 然后单击图标main1806 vi。按左上角的箭头运行程序。
      注: 这将打开图 2和图 3所示的控制程序 (例如labview), 并自动打开激光和电场的电源。本节中从现在开始引用的所有按钮都是指出现在这些数字中的按钮。
   3. 在 "ejs 变量" 下, 标记名为 "激光远程 enable2" 电源的复选框, 并将 "激光电流2" 设置为 25, 以便向右滑动的激光功率最终达到25%。使用对齐激光护目镜观察激光束, 以确保光束最终进入光束转储。如果没有, 请调整光束转储的位置。
   4. 检查drops2并移动液滴分配器的尖端, 直到液滴落入激光束。为此, 请调整图 4中标记为字母 a 的翻译阶段。为此, 轻轻转动翻译阶段底部的驱动螺钉, 直到达到所需的位置。
      1. 如果没有水滴来, 在注射器中施加一些压力, 直到在分配器的尖端显示液滴。用丙酮纸仔细擦拭 (易碎的尖端)。水滴现在应该开始了。发生这种情况时, 请从点1.2.4 重新开始。
   5. 使用激光电流 2输入场将激光功率提高到约 66%, 并捕获液滴。一旦液滴被困, 立即取消检查 drops2 。
      注:图 5显示了在实验环境中捕获的液滴。较低的绿点对应于真正的液滴, 而上一点则是它在液滴所在的细胞的玻璃上的反射。从这一刻起, 就会被困的液滴被成像到 psd 上。
3. 确定液滴的大小。
   1. 调整激光功率, 直到 psd 位置尽可能接近零。
      注: 由于液滴可以被困在以前的捕获位置以下或以上, 具体取决于激光功率或大小重量。执行此步骤是为了将液滴图像移动到 psd 的中心。
   2. 观察在屏幕上创建的衍射图案 (参见图 1)。用网络摄像机拍摄一张照片, 该摄像头的位置是从下面观察屏幕。
      注: 图案是由被困的液滴衍射的激光引起的。
   3. 使用图片确定图像中标记为1到2个任意极小值的线之间的距离。如果距离液滴的距离比标记为1的线更远, 则距离为正。然后, 在两个距离上添加40厘米。呼叫最短的₁, 最长的 2.使用公式1计算液滴的大小:
      (2)
      其中, x是从液滴到屏幕的垂直距离 (x = 23.5 厘米), 是激光的波长 ( = 532 nm), n 是两个最小值之间的条纹数 (整数)在计算中使用。
      注: 当液滴在 psd 中间成像时, 从液滴到屏幕的距离 (x) 为23.5±0.1 厘米。在 j. s需 bank 等人的工作中可以找到对这一过程的更详细的解释.⁶。
4. 确定液滴电荷的极性。
   1. 选择ejs 变量右侧的选项卡, 并将e-field dc 控制 2设置为 + 2 v (参见图 3)。请小心, 因为电极上的电压现在是 200 v。
      注: 液滴电荷的极性是通过观察液滴对应用的垂直电场的响应来确定的。图 6中概述了电场的应用情况
5. 确定液滴的电荷
   注: 要计算液滴的电荷, 必须首先测量液滴的大小。然后可以确定液滴的重量, 因为液体的密度是已知的。图 7描述了示意图的过程。
   1. 将电场直流控制器 2设置为零。
   2. 通过psd 归一化位置轨迹在图表波形中估计并记下液滴位置的平均值。
   3. 请注意激光功率的值。此值将是公式2中_{的 f rad1} 。
   4. 设置 + 1 和 + 5 伏特或-1 和-5 伏特之间的电场直流控制 2 , 使下降向上移动。液滴现在处于一个新的位置。慢慢降低激光功率, 直到液滴恢复到 "步进1.5.2 中所述的原始位置。记下新的激光功率 (f_rad2)。
      如果液滴丢失, 请检查drops2 , 然后从步骤1.2.4 重新开始。
   5. 使用以下过程计算费用。首先, 计算电场的力:
      (3)
   6. 使用表达式确定绝对电荷
      (2)
      这里 d 是电极之间的距离, u是施加的电压。

2. 远程实验协议

1. 访问远程实验室。
   1. 在 web 浏览器上打开 unilabs 网页: https://unilabs.dia.uned.es/
   2. 如果需要, 请选择所需的语言。该选项位于标题下菜单的第一项。
   3. 使用以下数据登录:
      用户名: 测试
      密码: 测试
      注: 登录框架在网页的新闻和介绍信息下。
   4. 在课程区域, 在登录区域旁边, 左键单击哥德堡大学 (gu) 的徽标。
   5. 点击光学悬浮访问本实验的材料。
   6. 点击光学悬浮远程实验室进入远程实验室。之后, 请确保网页的主框架显示远程实验室的用户界面, 如图 8所示。
2. 连接到光学悬浮实验室。
   注: 此处的所有说明都参见图 8。
   1. 单击 "连接"按钮。如果连接成功, 按钮文本将更改为"已连接"。
      注: 当用户连接到远程实验室时, 它会发出一个声音信号, 警告周围地区的其他人, 有人会远程打开和操作激光。
   2. 单击跟踪液滴,并检查是否正在接收 psd 数据。
      注: 由于此时没有捕获任何液滴, 因此获取的值不相关。
   3. 点击"常规" 视图, 确定设置的所有元素: 激光、液滴分配器、捕获单元和 psd。
3. 追踪一个水滴。
   注: 此处的所有说明都参见图 8。
   1. 连接远程实验室后, 点击"研磨液滴" 按钮, 可视化移液器和液滴分配器喷嘴。
   2. 单击 "打开激光" 按钮以建立与激光的连接。
      注: 激光是手动启动的, 独立于其他仪器, 因为如果不对齐, 它可能会损坏环境。
   3. 将激光功率设置在控制条的第一季度, 该控制条位于 "打开激光" 按钮下。等待, 直到绿色的光是可见的。
   4. 检查激光对齐。
      注: 如果激光正确对齐, 将看到一束薄薄的绿色光束。否则, 一个分散的绿点将被感知。如果对齐不正确, 请关闭系统, 并与实验室维护服务部门联系。要联系维护服务, 请单击位于 unilabs 网页左上角的表示语音气泡的图标。然后单击"管理员"用户消息, 记下底部描述问题的消息, 然后按"发送"。这通常不会发生, 因为所有的光学都是固定的。
   5. 将激光功率增加到酒吧的内。
      注: 60% (550 mw) 的功率足以捕获并保持液滴悬浮。
   6. 按"开始掉落" 按钮打开液滴分配器。
   7. 观看网络摄像头图像, 并等待, 直到产生闪光灯。就在这时, 一个水滴被捕捉到。再次检查网络摄像头图像, 并验证液滴是否在捕获单元的中心悬浮。按下 "停止掉落" 按钮关闭液滴分配器。
      注: (可选) 可以通过捕获其中几个并等待它们与已捕获的液滴合并来获得更大的液滴。有必要记住, 如果有几个被抓住, 液滴质量就会增加, 因此激光的力量可能不足以保持它的悬浮。
4. 确定液滴的大小。
   注: 此处的所有说明请参阅图 9。
   1. 按下尺寸液滴按钮, 观察被困液滴形成的衍射图案。
   2. 按照与实践实验协议 (步骤 1.3) 相同的步骤, 通过衍射图确定液滴的大小。
5. 确定液滴电荷极性。
   注: 此处的所有说明请参阅图 10。
   1. 单击 "跟踪液滴" 按钮可查看移液器的 psd 图形和网络摄像头视图。
   2. 单击用户界面左下角的"电场" 选项卡。
   3. 将直流电压设置为 100 v。为此, 请单击dc (v)标签右侧的数字字段, 然后输入值100。
   4. 检查显示液滴位置的 psd 图, 观察在施加电场时液滴是向上还是向下移动。
      注: 板的极性被安排, 以便如果施加正电压, 带负电的液滴将向下移动, 正电荷的液滴将向上移动。
   5. 现在改变电场的值, 检查液滴是否向相反的方向移动;为此, 在dc (v)数字字段中输入-100。
6. 确定液滴的电荷。
   注: 此处的所有说明请参阅图 10。
   1. 有一个液滴被困, 点击跟踪液滴视图。
   2. 选择 "电场" 菜单。
   3. 使用dc (v)数字字段将直流电场设置为零。
   4. 估计并注意到图表给出的液滴位置的平均值, 并注意激光功率。
   5. 将直流电场设置为 + 500 v 和-500 v 之间的值, 使液滴改变其位置。
   6. 使用滑块减少或增加激光功率, 直到液滴恢复到原来的位置, 并记下激光功率的新值。
   7. 按照步骤1.5.5 中描述的步骤计算液滴费用。

Results

当激光束对齐良好, 底板清洁时, 掉落几乎立即被捕获。当液滴被困时, 它可以在陷阱中停留几个小时, 给调查足够的时间。液滴半径r在25≤r≤35μm 的范围内, 电荷在 1.1^{x10-17±1x10-18} c 和 5.5 x10-5x10-17 c之间进行了测量.根据我们的测量, 液滴的大小会随着时间的推移而保持不变, 但电荷会慢慢扩散出去, 在施加电场时, 液滴的位置会产生越来越小的反应。这使用户有机会在同一液滴上测量不同的费用, 如果他或她有足够的耐心。

远程实验室是使用 easy javascript 模拟^{7 开发的}, 可通过 unilabs 网站⁸访问。对于实验室的局部控制软件, 利用控制软件程序进行了开发。远程软件和本地软件的连接是在 d. c...

Discussion

这项工作提出了一个设置, 进行现代物理实验, 其中液滴是光学悬浮。该实验可以用传统的动手方式进行, 也可以远程进行。通过远程系统的建立, 世界各地的学生和研究人员都可以获得实验设置。这也保证了用户的安全, 因为他们不需要存在实验所需的大功率激光和电场。此外, 由于设置的自动化, 用户可以通过计算机发送高级命令, 以非常简单的方式与仪器进行交互。与动手过程相比, 远程实验提供了非常相似的体验。实验的关键点之一是获得液滴的大小, 因为它对绝对电荷的计算有很大的影响。用了三种不同的方法来确定尺寸, 它们都非常吻合: (1) 上面描述的方法 (使用衍射图) (2) 用垂直电场振荡液滴, 用电的相位差字段和位置和 (3) 以可视化屏幕上的液滴的阴影, 并与相机确定大小。该装置也在为研究真空中的被困液滴而准备。首先, 液滴被困在空气中, 然后细胞被封闭, 空气被移除。这样, 就有可能研究真空中被困液滴的特性。

利用所介绍的远程实验室, 可以确定微米级介电粒子的电荷和大小。该装置的进一步发展为利用高速摄像机研究微米大小的液滴碰撞提供了一种方法^.以实...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
GEM 532	激光 量子		绿激光器，功率在 50 mW 和 2 W 之间可调
横向效应位置传感器	THOR Lab	PDP90A	PSD 用于传感器移液器中液滴的位置
高级教育光谱仪套件、公制	THOR Lab	EDU-SPEB1/M	镜子和其他元件来控制激光束
移液器	自制		滴被捕获的腔室是专门为此设置制造的
AC/DC 电源	Keithley Instruments， Inc.	2380-500-30	A 电源，用于产生电场 （0V - 500V DC）
配电单元		AP7900	A PDU 用于远程连接实验室仪器