光悬浮是一种利用激光使微米级介电物体悬浮的方法。通过计算机和自动化系统，可以远程控制光悬浮实验。本文介绍了一套用于教学与科研的远程控制光悬浮系统。
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摘要
摘要
本研究展示了一项实验，可用于探究多种基本的物理过程，例如光子压力、光的衍射或带电粒子在电场中的运动。在该实验中，一束向上聚焦的激光束可使液滴悬浮。液滴受到聚焦激光束的光子压力作用，该压力与重力相平衡，从而实现悬浮。当液滴被激光照射时产生的衍射图样可用于测量被捕获液滴的尺寸。通过研究液滴在施加垂直方向电场时的运动情况，可确定其电荷量。该实验采用远程控制具有多个原因：其实验装置所需投入的资金超出了本科教学实验室通常可获得的经费水平；实验需使用4类激光器，此类激光器对皮肤和眼睛具有危害性；同时实验中还涉及有害电压。
引言
光具有动量这一事实最早由开普勒提出，他用此解释彗星尾巴始终背向太阳的现象。利用激光移动和捕获宏观物体的方法最早由 A. Ashkin 和 J. M. Dziedzic 于1971年报道，他们证明了可以悬浮微米尺度的介电物体1。被捕获的物体暴露于向上传播的激光束中。部分激光在物体表面发生反射，从而对其施加辐射压力，该压力足以抵消重力。然而，大部分光穿过介电物体时发生折射。光传播方向的改变会引起物体的反冲。 对于处于高斯光束剖面中的粒子而言，反冲的净效应是使液滴向光强最高的区域移动2。因此，在激光束中心、焦点稍上方的位置形成一个稳定的捕获点，此处辐射压力与重力达到平衡。
由于光悬浮方法能够无需接触任何物体而捕获并操控微小物体，因此可以利用悬浮液滴研究不同的物理现象。然而，该实验在中小学或大学中难以重复和应用，原因在于并非所有机构都能负担所需的设备，且激光的手动操作存在一定的安全风险。
远程实验室（RL）提供对真实实验设备的在线远程访问，以开展实验活动。远程实验室最早出现在20世纪90年代末，随着互联网的出现而诞生，其重要性和使用范围多年来持续增长，相关技术不断进步，许多主要问题也已逐步解决3。然而，远程实验室的核心功能始终未变：通过具备互联网连接的电子设备访问实验室，并对实验进行控制和监测。
由于远程实验室（RLs）具有远程操作的特性，因此可以在不使用户面临实际实验可能带来的风险的情况下，为其提供实验活动。这些工具使学生能够投入更多时间操作实验设备，从而更好地培养实验技能。远程实验室的其他优势还包括：1）便于残障人士开展实验工作；2）通过高校之间共享远程实验室资源，扩展向学生提供的实验项目目录；3）提高实验安排的灵活性，因为当实体实验室关闭时，学生仍可在家中完成实验。最后，远程实验室还提供了操作计算机控制系统方面的培训，而这类系统在当今的研究、开发和工业领域中具有重要地位。因此，远程实验室不仅能够为传统实验室所面临的经费和安全问题提供解决方案，还能创造更加丰富的实验学习机会。
利用本研究中采用的实验装置，可以测量被俘获液滴的尺寸和电荷，研究带电粒子在电场中的运动行为，并分析如何利用放射源改变液滴上的电荷4。
在本实验装置中，一束强激光被向上引导并聚焦到玻璃池的中心4。该激光器为2 W、532 nm的二极管泵浦固体连续激光器（CW），通常使用约1瓦特（W）的功率。捕获透镜的焦距为3.0 cm。液滴由压电液滴分配器生成，并下落穿过激光束，直至被捕获在激光焦点稍上方的位置。当向上的辐射压力与向下的重力相等时，即发生捕获。实验中未观察到捕获时间的上限，最长的液滴捕获时间达到9小时，之后关闭了光阱。液滴与激光场之间的相互作用产生衍射图样，该图样用于确定液滴的尺寸。
分配器释放的液滴由10%甘油和90%水组成。水相部分迅速蒸发，最终在捕获区域留下尺寸为20至30 µm的甘油液滴。可被捕获的最大液滴尺寸约为40 µm。大约10秒后不再观察到蒸发现象，此时水成分应已完全蒸发。长时间捕获过程中无可见蒸发表明液滴对环境的吸湿性极低，且液滴温度基本处于室温。液滴的表面张力使其呈球形。液滴分配器产生的液滴电荷取决于实验室环境条件，通常液滴带负电。捕获腔的顶部和底部由两个电极构成，间距为25 mm，可用于在液滴上施加垂直方向的直流（DC）或交流（AC）电场。即使在电极间施加1000伏特（V）电压，电场强度也不足以产生电弧。若使用直流电场，液滴将在激光束中上下移动，直至达到新的稳定平衡位置；若施加交流电场，液滴则会在其平衡位置附近发生振荡。振荡幅度取决于液滴的尺寸和电荷量、电场强度以及激光捕获的刚度。液滴的图像被投射到一个位置敏感探测器（PSD）上，使用户能够追踪液滴的垂直位置。
本研究展示了一项利用信息与通信技术对教学和科研进行现代化改造的成功实践，通过一个关于带电液滴光悬浮的创新远程实验（RL），阐释了现代物理学中的前沿概念。图1展示了该远程实验的系统架构。表1列出了不同等级激光器可能造成的伤害；本实验装置采用的是第四类（Class IV）激光器，属于最危险的类别，其可见激光辐射功率最高可达2.0 W，因此远程操作所提供的安全性显然非常适合本实验。带电液滴光悬浮远程实验最早由D. Galan et al. 在2018年的工作中提出5。本研究进一步证明，教师可在线使用该实验，向学生介绍现代物理概念，而无需担心成本、设备物流或安全问题。学生通过一个名为“大学互动实验室网络”（UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es）的网络平台访问该远程实验，平台上提供了与实验理论相关的全部资料，以及通过网络应用程序操作实验装置的使用说明。借助远程实验室的概念，那些需要昂贵且危险设备的现代物理实验得以向更多学生群体开放；同时，它也增强了正规教学效果，为传统学生提供了更多的实验时间，并使他们能够接触到通常仅在科研实验室中才可进行的实验。
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方案
注意：本实验所使用的激光器为 IV 类激光器，可输出高达 1 W 的可见激光辐射。所有进入激光实验室的人员必须已完成相应的激光安全培训。
1. 动手实验方案
- 安全
- 确保实验室内的每个人都知晓激光器将被开启。
- 打开实验室的激光警示灯。
- 检查是否未佩戴手表或金属戒指，并戴上激光护目镜。
- 检查靠近实验区域的四块吸光板是否已安装到位。
- 检查激光器与吸收板之间是否存在障碍物，同时检查捕获细胞与光束阻挡装置之间区域是否无物体遮挡。
- 准备软件和实验。
- 打开实验室计算机，等待其启动至可操作状态。
- 打开 远程启动 从桌面打开文件夹并点击图标 Main1806.vi单击左上角的箭头运行程序。
注意：这将打开控制程序（例如，Labview）如图所示 图2 和 图3 并自动开启激光器的电源和电场。本节后续提到的所有按钮均指这些图中所示的按钮。 - 在“EJS 变量”，勾选名为“激光远程启用2”功率并设置“激光电流2将激光功率滑块向右滑动至25，使激光功率最终为25%。使用激光对准护目镜观察激光光束，确保光束进入光束吸收器。若未进入，调整光束吸收器的位置。
- 检查 Drops2 调节标记为 A 的平移台，移动液滴分配器的尖端，直至液滴落入激光束中。 图4为此，轻轻旋转平移台底部的驱动螺丝，直至达到所需位置。
- 若无液滴析出，可对注射器施加一定压力，直至分配器尖端出现液滴。用蘸有丙酮的纸巾小心擦拭尖端（尖端易碎）。此时液滴应开始滴落。一旦出现此情况，从步骤1.2.4重新开始操作。
- 将激光功率调至约66% 激光电流 2 输入字段并捕获液滴。取消勾选 Drops2 一旦液滴被捕获。
注意： 图5 显示了实验环境中捕获的液滴。下方的绿色光点对应真实的液滴，上方的光点则是该液滴所在样品池玻璃界面上的反射像。从此时起，被捕获的液滴将成像于位置敏感探测器（PSD）上。
- 确定液滴的大小。
- 调节激光功率，直至PSD位置尽可能接近零。
注意：由于液滴可能被捕获在先前捕获位置的上方或下方，具体取决于激光功率或液滴的大小/重量，因此执行此步骤以将液滴图像移动至PSD的中心。 - 观察屏幕上形成的衍射图样（参见 图1用位于屏幕下方的网络摄像头拍摄一张图片。
注意：该图样是由被捕获液滴衍射的激光产生的。 - 利用图片确定从标记为1的线到图像中两个任意极小值点的距离。若距离比标记为1的线远离液滴，则为正值；否则为负值。然后将两个距离均加上40 cm。记较短的 a1，以及最长的 a2. 使用公式 1 计算液滴的尺寸：
(1)
其中， x 是液滴到屏幕的垂直距离（x = 23.5 cm λ 是激光光的波长（λ = 532 nm）和 Δn 是用于计算的两个极小值之间干涉条纹的数量（整数）。
注意：当液滴在PSD中心成像时，液滴到屏幕的距离（x）为23.5 ± 0.1 cm。有关该过程的更详细说明可参见J. Swithenbank的研究。 等 6.
- 调节激光功率，直至PSD位置尽可能接近零。
- 确定液滴电荷的极性。
- 选择标签页 运行 在右侧 EJS 变量 并设置 电场直流控制2 +2 V（参见 图3）。请注意，此时电极上的电压为 200 V。
注意：液滴电荷极性通过观察液滴在施加的垂直电场中的响应行为来确定。电场施加方式的示意图如图所示。 图6
- 选择标签页 运行 在右侧 EJS 变量 并设置 电场直流控制2 +2 V（参见 图3）。请注意，此时电极上的电压为 200 V。
- 确定液滴的电荷
注意：要计算液滴的电荷量，首先需要测量液滴的尺寸。由于液体的密度已知，随后可确定液滴的重量。 图7 示意图式地描述了该操作流程。- 设置 电场直流控制2 归零。
- 估算并记录液滴位置的平均值 PSD 归一化位置 微量在 图表波形.
- 记录激光功率的数值。该数值将为 FRad1 在公式 2 中
- 设置 电场直流控制2 +1 至 +5 伏特或 -1 至 -5 伏特 使液滴向上移动。此时液滴处于新的位置。缓慢降低激光功率，直至液滴回到步骤1.5.2中记录的原始位置。记录此时的激光功率（FRad2).
如果液滴丢失，请检查 Drops2 并从步骤 1.2.4 重新开始。 - 使用以下步骤计算电荷。首先，根据电场计算作用力：
(2) - 使用表达式确定绝对电荷
(3)
此处 d 是电极之间的距离 U 是施加的电压。
2. 远程实验方案
- 进入远程实验室。
- 在网页浏览器中打开 UNILabs 网站：https://unilabs.dia.uned.es/
- 如有需要，选择所需语言。该选项位于页眉下方菜单中的第一项。
- 使用以下数据登录：
用户名：test
密码：test
注意：登录框位于网页的新闻和介绍信息下方。 - 在课程区域，登录区域旁边，左键点击哥德堡大学（GU）的标志。
- 点击 光镊悬浮，以访问本实验的相关材料。
- 点击 光镊悬浮远程实验室 以进入远程实验室。之后，请确保网页主框架显示远程实验室的用户界面，如 图8 所示。
- 连接至光镊悬浮实验室。
注意：本节所有说明均参考 图8。- 点击 连接 按钮。若连接成功，按钮文字将变为 已连接。
注意：当用户连接到远程实验室时，系统会发出一个声音信号，提醒周围人员将有人远程开启并操作激光器。 - 点击 追踪液滴，并确认已接收到 PSD 数据。
注意：由于此时尚未捕获液滴，所获得的数值无关紧要。 - 点击 整体视图，以识别装置中的所有组件：激光器、液滴分配器、捕获腔和 PSD。
- 点击 连接 按钮。若连接成功，按钮文字将变为 已连接。
- 捕获一个液滴。
注意：本节所有说明均参考 图8。- 连接远程实验室后，点击 捕获液滴 按钮，以查看移液管和液滴分配器喷嘴。
- 点击 开启激光器 按钮，以建立与激光器的连接。
注意：激光器需手动独立启动，因其若未正确对准，可能对环境造成损害。 - 将激光功率调节至 开启激光器 按钮下方控制条的第一个四分之一位置。等待绿色光点出现。
- 检查激光对准情况。
注意：若激光对准正确，将看到一条细的绿色光束；否则将看到一个散射的绿色光斑。若对准不正确，请关闭系统并联系实验室维护服务。联系维护服务的方法是：点击 UNILabs 网页左上角的对话气泡图标，然后点击 管理员用户 消息，在底部输入问题描述并点击 发送。通常不会发生此情况，因为所有光学元件均已固定。 - 将激光功率增加至控制条的 3/4 处。
注意：60% 的功率（550 mW）已足以捕获并维持液滴悬浮。 - 按下 开始产生液滴 按钮，以启动液滴分配器。
- 观察网络摄像头图像，等待出现闪光。此时，一个液滴已被捕获。再次检查摄像头图像，确认液滴在捕获腔中心悬浮。按下 停止产生液滴 按钮，以关闭液滴分配器。
注意：可选地，可通过捕获多个液滴并等待其与已捕获的液滴合并，以获得更大的液滴。需注意，若捕获多个液滴，液滴质量增加，激光功率可能不足以维持其悬浮。
- 测定液滴尺寸。
注意：本节所有说明均参考 图9。- 按下 测量液滴尺寸 按钮，以观察被俘获液滴形成的衍射图样。
- 按照动手实验方案（步骤 1.3）中的相同程序，通过衍射图样测定液滴尺寸。
- 确定液滴电荷极性。
注意：本节所有说明均参考 图10。- 点击 追踪液滴 按钮，以查看 PSD 图表和移液管的摄像头视图。
- 点击用户界面左下角的 电场 标签。
- 将直流电压设为 100 V。为此，点击 DC (V) 标签右侧的数值输入框，并输入数值 100。
- 查看显示液滴位置的 PSD 图表，观察施加电场后液滴是向上还是向下移动。
注意：极板的极性设置为：若施加正电压，带负电的液滴将向下移动，带正电的液滴将向上移动。 - 现在改变电场数值，检查液滴是否向相反方向移动；为此，在 DC (V) 数值输入框中输入 -100。
- 测定液滴电荷量。
注意：本节所有说明均参考 图10。- 在液滴被捕获的状态下，点击 追踪液滴 视图。
- 选择 电场 菜单。
- 使用 DC (V) 数值输入框将直流电场设为零。
- 估算并记录图表给出的液滴位置平均值，并记录激光功率。
- 将直流电场设为 +500 V 至 -500 V 之间的某一数值，使液滴改变位置。
- 通过滑块调节激光功率，使液滴回到原始位置，并记录新的激光功率值。
- 按照步骤 1.5.5 中描述的程序计算液滴电荷量。
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结果
当激光束良好对准且底板洁净时，液滴几乎会立即被捕获。一旦液滴被捕获，便可在此捕获位置停留数小时，为实验观测提供了充足的时间。液滴的半径 r 在 25 ≤ r ≤ 35 µm 范围内，测得的电荷量介于 1.1×10-17 ±1.1×10-18 C 与 5.5×10-16 ±5.5×10-17 C 之间。根据我们的测量结果，液滴尺寸随时间保持不变，但其电荷会缓慢扩散，导致在施加电场时液滴位置的响应逐渐减弱。若操作者足够耐心，便可对同一液滴上不同的电荷量进行多次测量。
远程实验室使用 Easy Java/JavaScript Simulations7 开发，并可通过 UNILabs 网站8 访问。实验室的本地控制软件则使用控制软件程序开发而成。远程与本地软件之...
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讨论
本研究展示了一种用于开展现代物理实验的装置，该实验通过光学悬浮液滴进行。该实验既可通过传统的动手操作方式完成，也可远程进行。通过建立远程系统，全球的学生和研究人员均可访问该实验装置。此外，由于用户无需接触实验所需的高功率激光和电场，因此可确保其安全性。同时，由于实验装置已实现自动化，用户可通过计算机发送高级指令，以非常简便的方式与仪器进行交互。与动手操作相比，远程实验提供了极为相似的体验。本实验的关键环节之一是确定液滴的尺寸，因为液滴尺寸对绝对电荷的计算具有重要影响。本文采用了三种不同的方法来测定液滴尺寸，结果高度一致：（1）上述方法（利用衍射图样）；（2）利用垂直电场使液滴振荡，并通过电场与液滴位置之间的相位差进行测定；（3）在屏幕上观察液滴的投影阴影，并通过相机确定其尺寸。目前，该装置正在被进一步完善，以用于研究真空环境中的捕获液滴。首先在空气中捕获液滴，随后将实验腔体封闭并抽除空气。通过这种方式，将能够研究液滴在真空条件下的捕获特性。
利用所展示的远程实验装置，可以测定微米级介电颗粒的电荷量和尺寸。该装置的进一步发展为利用高速相机研究微米级液滴碰撞提供了途径
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到了瑞典研究理事会、卡尔·特吕格科学研究所基金会以及西班牙经济与竞争力部（项目编号：CICYT DPI2014-55932-C2-2-R）的支持。感谢Sannarpsgymnasiet允许我们尝试在学生中开展强化学习教学。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| GEM 532 | Laser Quantum | 功率可在 50 mW 至 2 W 之间调节的绿色激光器 | |
| 横向效应位置传感器 | THOR Lab | PDP90A | 用于检测移液管中液滴位置的PSD传感器 |
| 高级教学光谱仪套件（公制） | THOR Lab | EDU-SPEB1/M | 用于控制激光束的反射镜及其他光学元件 |
| 移液管 | 自制 | 用于捕获液滴的腔室为此实验装置专门制作 | |
| 交直流电源 | Keithley Instruments, Inc. | 2380-500-30 | 用于产生电场（0 V - 500 V 直流）的电源 |
| 电源分配单元 | APC | AP7900 | 用于远程连接实验室仪器的PDU |
参考文献
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- Roosen, G., Imbert, C. Optical levitation by means of two horizontal laser beams: A theoretical and experimental study. Physics Letters. 59 (1), 6-8 (1976).
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