使用具有直接拉制侧壁的“小船”型光阱在空气中捕获大尺寸金属颗粒

摘要

本文描述了一种实验方法，通过动态船形光泳捕获阱在空气中实现对大尺寸金属颗粒的长时间稳定捕获和精确定位。该系统能够实现可控操控，适用于等离激元相互作用研究。

摘要

我们提出一种实现大尺寸金属颗粒稳定光镊捕获的方法（>1.16 µm 平均直径的实心金颗粒，以及 >使用声光偏转器扫描聚焦光束，在空气中直接绘制出抛物线形的势阱截面，以操控直径为100 μm的导电涂层微球。  这种牵拉作用的结果是形成一个顶部开口的“船形”捕获阱，能够捕获、装载并稳定地固定较大的金属颗粒，且不会发生跳跃。  高功率连续波532 nm激光在x和y方向上进行扫描，形成优化的船形光强分布，用于捕获微球。通过仔细选择扫描频率，使频率足够快以在粒子动力学尺度上呈现连续性，同时又足够慢以避免光阱畸变，从而最大化捕获时间。本方案描述了实验装置，包括激光调制、粒子引入技术及验证方法。碳包覆微球主要用于可视化和验证光阱的形成与稳定性，而实心金纳米颗粒则作为等离激元相互作用研究的目标。该方法可实时按需绘制多种横截面，为长期捕获、装载和输运悬浮粒子提供了一种稳定且灵活的方法，在悬浮光学系统的等离激元增强方面具有潜在应用价值。 

引言

本研究提出了一种利用动态生成的船形势阱在空气中精确捕获、定位和操控大尺寸金属颗粒的方法。以往的方法——例如使用弱聚焦高斯光束¹、像差势阱²、散斑场^3,4,5或涡旋光束^6,7——存在若干关键局限性，包括颗粒的旋转运动¹、多个稳定的捕获位置^2,3,4,5，或缺乏单一明确的捕获点^6,7，某些几何构型下可能导致颗粒在多个稳定捕获位置之间跳跃^3,7（见图1A）。一个值得注意的例外是向上指向的轴锥势阱，它提供单一捕获点，支持顶部装载，并且——至少在理论上——允许横向移动⁸。本文所述方法保留了这些优势，同时引入了三项关键改进：（1）对金属颗粒的稳定捕获，（2）采用水平光束几何结构，以及（3）通过直接绘制光学壁垒实现捕获势能的实时重构。

迄今为止，用于捕获金颗粒的方法通常在水中进行^9,10,11，可能具有导致旋转运动的捕获特性¹²，或采用对向传播光束，从而限制被捕获颗粒的灵活平移¹³。为克服上述挑战，针对直径大于 1 μm 的实心金颗粒，采用了一种动态调制的光泳“小船”陷阱。

该方法适用于多种粒径和类型的颗粒，范围从20 nm的碳纳米球簇到100 µm的包覆玻璃微球。该技术在开放的常压环境和封闭的局部压力环境中均有效。该技术可在高达数十瓦的功率下运行。由于光阱以线状而非点状分布，且光功率分布在较大区域上，因此在超过1 W的功率下进行实际操作最为有效。

捕获机制依赖于正向光泳效应，该效应由激光束对粒子的非对称加热引起。当照射到吸光的金属粒子时，较热的一侧释放的气体分子比冷却侧具有更大的动量，从而产生一个将粒子推离光源的净作用力。这种光泳力可表示为：

其中 C 是一个取决于颗粒几何形状、气体性质和热适应系数的系数，∇T 是颗粒表面的温度梯度。在此系统中，该力方向向上，与重力相抗衡，从而实现稳定的悬浮。关于光致泳力（包括辐射压力和热滑移效应）的更详细推导，参见 Mirzaei-Ghormish 等人¹⁴。

该光阱利用任意波形发生器（AWG）控制声光调制器（AOM），通过扫描聚焦的连续波（CW）激光束形成高强度的光学势垒，从而产生稳定的抛物线形捕获势能¹⁴（见图1B）。这种方法能够精确控制捕获势阱的形状，使粒子被捕获、固定并暴露于单一表面——这对于将纳米金刚石靠近尺寸大于1 μm的金等离激元颗粒以实现纳米金刚石荧光的Purcell增强等应用而言，是关键前提条件¹¹

方案

本部分介绍了粒子的制备以及光学装置的构建。需要注意的是，该装置不同于涡旋、衍射及其他波前整形方法，后者通常产生单一的捕获势阱形态（有关波前整形捕获势阱的综述，参见 Gong 等人的研究⁸）。在本装置中，通过扫描一个聚焦的点状基本单元，可以生成多种捕获势阱的横截面形态。因此，尽管本研究重点强调船形捕获势阱，但需注意，所描述的装置具有足够的灵活性，可用于构建多种其他捕获势阱几何结构，相关内容将在后续研究中探讨。

1. 颗粒的制备

1. 碳包覆玻璃微球（用于可视化，图2）
   1. 使用洁净的刮勺将3 mL微球转移至一个洁净的小型结晶皿中（图2A，左侧）。此步骤应在通风橱中进行，以防止细小玻璃颗粒大量扩散。
      注：通风橱保持负压状态，平均面风速为101 ft·min^-1。
   2. 用盖子或表面皿盖住结晶皿，并将其转移至碳棒蒸发系统中（图2B）。
   3. 设置蒸发程序为3次脉冲，脉冲电流73 A，脉冲时长3 s，脉冲间隔10 s（见表1）。
   4. 打开盖子，插入样品皿，运行镀膜程序，重新盖上盖子，取出样品皿。
   5. 通过用力摇动样品皿使颗粒充分混合，以随机化颗粒位置（图2C）。打开盖子，将样品皿重新放回镀膜仪中进行镀膜。重复此过程10次。
      注：镀膜完成后，颗粒外观如图2A右侧所示。此外，由于碳层厚度仅为20 nm，远小于碳包覆微球的平均直径（可超过60 µm），因此镀膜后微球的整体尺寸基本不变。
   6. 用表面皿或薄膜覆盖所得颗粒，并将其保存在湿度可控的环境中。
      注：所有镀膜操作及实验均在室内实验室条件下进行，温度维持在21–25 °C（70–75 °F），相对湿度为20–45%。
2. 实心金颗粒（用于等离激元实验）
   1. 实心金颗粒以干燥粉末形式出售，平均直径为1 µm（见图2D和材料表）。使用前，将干燥颗粒转移至旋转玻璃颗粒室中（图2E）。

2. 光学系统的设置

注意：光学装置如图3所示。完成该装置所需的全部光学和电子元件列于材料表中。在此装置中，四个相同的透镜构成两级级联的4F中继系统，将AOM₁成像到AOM₂上。AOM₁使光束在垂直方向偏转，AOM₂使光束在水平方向偏转，由于透镜焦距相等，AOM₁的共轭平面与AOM₂重合。

1. 激光源与初始光束准直
   1. 在光学平台上放置一个激光源，能够输出532 nm波长的光，功率范围从<5 mW到>5 W。
      注：本实验所用的激光源可提供超过10 W的光阱功率。在激光输出端、进入AOM¹之前，使用光束轮廓仪测量光束为直径约1.3 mm（1/e²强度宽度）的准直光束。选择532 nm激光源是因为其高功率输出稳定、光束质量良好，并且目标粒子对其具有良好的等离子体吸收特性。
   2. 将激光功率降低至<5 mW。使用偏振片判断偏振方向是否为垂直方向。若非垂直，则旋转激光器或插入并旋转一个高功率半波片，以确保偏振方向垂直。使用运动学光束升降器（图4A右侧）和直尺将光束高度设置为23 ± 0.5 cm（该高度为任意设定，但已被证明较为方便）。在距离升降器10 cm和40 cm处测量光束高度，确保两处测量值均为23 cm。
      注：AOM采用在二氧化碲（TeO₂）中基于慢剪切模式双折射的声光相互作用，要求入射光束为水平偏振。由于衍射光束因该相互作用的双折射特性而呈现垂直偏振，而第一个AOM相对于全局坐标系物理旋转了90°，因此在全局坐标系中，入射光束必须为垂直偏振，以与AOM内部的水平偏振轴对齐。
2. 物镜与中继透镜的放置
   1. 调整显微镜至光束高度，朝向-z方向，距离光束升降器输出端大于100 cm（图4A，B）。
   2. 在-z方向距前一元件10 cm处放置一个傅里叶变换透镜，凸面朝向+z方向（图4C，D）。
   3. 将剩余三个傅里叶变换透镜以20 cm间距依次放置，透镜凸面交替朝向，如图4E所示。
3. AOM配置
   1. 将AOM放置在距离激光最近和最远的透镜后方10 cm处的-z方向上，如图5，B所示。
   2. 确保AOM₁（靠近激光的AOM）为垂直方向。
      注：在此实现中，为此专门设计了一个3D打印的支架。将AOM₁沿光轴方向旋转约2°，如图所示（图5A）。
   3. 将AOM₂放置在距离激光最远的透镜后方10 cm处。该AOM将水平放置（图5B）。将AOM₂沿远离光轴方向旋转约2°，如图所示（图5B）。
   4. 开启激光，设置为低功率（例如<5 mW）。
   5. 对于AWG的每个通道，连接一个压控振荡器（VCO）、一个放大器和一个AOM（图5C）。首先，按图示方式将放大器连接至AOM（图5D，E）。
      注：必须确保在开启电源前，放大器已连接负载。放大器和VCO均使用12 V直流电源，可通过香蕉插头连接至同一12 V电源，如图5F所示。
4. AOM优化
   1. 在系统中放置一个光阑，如图6A所示。
   2. 使用AWG，将射频信号设置为两个AOM均输入175 MHz（VCO上约为5 V）。
      注：此时AOM¹后将出现两束光，AOM²后将出现四束光（见图6B）。
   3. 将AOM₁的倾斜角减小至零，然后逐渐增大角度，直到一级衍射光束（从-z方向观察时位于右上方的“通过光束”，如图6C所示）亮度达到最大。此时AOM的倾斜角将恢复至约2°的初始值。
   4. 将AOM₂的倾斜角减小至零，然后逐渐增大角度，直到一级衍射光束亮度最大。此时AOM的倾斜角也将恢复至约2°的初始值。
      注：每个AOM在1 W电功率驱动下的平均衍射效率约为70%。整个系统的光学效率约为30%。
   5. 确保从第一个AOM出射的两束光均进入第二个AOM。确保进入第二个AOM的四束光中，选择右上方的光束通过光阑。
      注：光阑必须足够小，以阻挡“阻挡光束”，同时允许“通过光束”通过，即使该光束被AOM偏转时也能顺利通过（图6C，D）。
   6. 按图6E所示放置一个分束器，将部分光束引导至观察面（图6E，F）。
5. AWG控制
   1. 将AWG的幅度设为零（或关闭AWG输出），在观察面上得到的光束将呈现为一个点（图7A，B）。
   2. 将垂直通道偏移设为3 V，幅度设为5 V，频率设为4 kHz，可观察到一条垂直线（图7C，D）。
   3. 将水平通道偏移设为3 V，幅度设为5 V，频率设为4 kHz，可观察到一条对角线（图7E，F）。
   4. 将垂直通道频率设为8 kHz，相位偏移设为90°，可观察到李萨如图形（图7G，H）。
   5. 按下相位对齐按钮，将李萨如图形转换为抛物线形状（图7I，J）。
   6. 调节垂直通道的相位偏移，以进一步优化抛物线形状（图7K，L）。

3. 成像系统设置

注意：成像系统可对颗粒和光阱轮廓进行轴向（即“正对”）透射照明观察。

1. 相机、滤光片和接口
   注意：该相机标称最大速度为 751 fps；然而，实际帧率会因所选分辨率和系统延迟而显著变化。在本实验中，实际帧率约为 500 fps。回放时以 1/100 倍速（即 5 fps）最为实用（假设采集过程中无丢帧）。
   1. 将焦距为 45 mm 的远心镜头安装在可沿 z 轴移动的线性位移台上，置于物镜前方 55 mm 处（+z 方向，图 8A）。在镜头前方放置一个专用于反射 532 nm 光的二向色滤光片（参见材料表），如 图 8A、B 所示。
   2. 通过 USB 将相机连接至配备相应成像软件的计算机（相机型号与品牌参见材料表，初始相机设置参见表 2）。
   3. 轻微倾斜二向色滤光片（5–10 °），直至出现抛物线形光阱图像  （图 8C、D）。
   4. 将相机置于线性位移台上（图 8E），并向后移动镜头以优化图像焦距（图 8F）。
   5. 使用光纤光源照射分束器（图 8G）。
   6. 调节光纤光源，使其照明中心对准抛物线形光阱（偏心照明示例见 图 8H，居中照明示例见 图 8I）。

4. 颗粒加载与捕获

1. 使用实验室刮勺，将少量颗粒（约 1 g）放入一个长 25 mm、直径 12 mm 的玻璃圆筒中，该圆筒安装方式可绕其轴线旋转（图 9A）。
2. 将装有颗粒的玻璃圆筒置于物镜前方 15 mm 处（即物镜工作距离），并保持居中（图 9B）。
3. 旋转圆筒  （图 9C），轻敲圆筒，并观察相机显示。在轻敲过程中，用户可能观察到以下状态：默认/无颗粒被捕获（图 9D）、颗粒下落（图 9E）以及颗粒被捕获（图 9F）。

5. 使用 OpenCV 进行计算追踪

注意：粒子追踪和滞留时间定量使用基于 OpenCV（OpenCV 版本 4.6.0）的自定义 C++ 程序完成，该程序在 Microsoft Visual Studio 2022 中运行。

1. 安装软件
   1. 安装 Visual Studio 2022 社区版（如果用户的使用场景允许），网址为 https://visualstudio.microsoft.com/downloads/。安装 使用 C++ 进行桌面端开发 工作量
   2. 下载并安装 OpenCV。https://github.com/opencv/opencv/releases 安装时，请注意安装目录。
   3. 下载并安装 NI VISA。 https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html 需注册账户后方可安装。安装过程中，请选择 安装目录的说明。
   4. 下载并安装 Pylon 7.5.0.15658 版本。https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/。安装时请注意安装目录。
2. 软件配置
   1. 打开 Visual Studio CE 并创建一个新的空项目。
   2. 添加一个 main.cpp 源文件并粘贴代码从 补充文件 1 ( main.cpp 到新的源文件中。
      注意：请将代码复制到 Visual Studio 创建的文件中，而非导入外部文件，以避免与 Visual Studio 的项目文件结构发生冲突。
   3. 前往 项目 > 您的项目名称此处 属性.
   4. 改变 配置 到 所有配置，并将平台更改为 x64。
   5. 改变 配置属性 > 通用 > C++ 语言标准到 ISO C++14 标准.
   6. 改变 配置属性 > C/C++ > 通用 > 附加包含目录 以便包含 OpenCV 头文件。在本研究中，这些文件被安装在 C:\Program Files\opencv\build\include.
   7. 在同一 附加包含目录 文本框中，添加正常 pylon 头文件和 pylon 示例头文件的路径。在本研究中，这些文件安装在 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include 和 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include 分别。
   8. 在同一 附加包含目录文本框，添加标准的Pylon头文件以及Pylon示例头文件。在本研究中，这些文件被安装在 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include 和 C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include 分别。
   9. 在同一 附加包含目录 文本框中添加 VISA 头文件。在本研究中，这些文件已安装在 C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. 改变 配置属性 > 连接子 > 通用 > 附加库目录 以便包含 OpenCV 的 lib 文件夹。在本研究中，这些文件被安装在 C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. 在同一 附加库目录 文本框中，添加 pylon lib 文件夹。在本研究中，这些文件夹已安装在 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. 在同一 附加库目录 文本框中，添加 VISA lib 文件夹。本研究中，这些已安装在 C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
   13. 改变 调试配置，然后设置更改 配置属性 > 连接子 > 输入 > 附加依赖项 包括两者 opencv_world460d.lib 和 visa64.lib.
   14. 变化 释放配置，然后设定 更改配置属性 > 连接子 > 输入 > 附加依赖项 包括两者 opencv_world460.lib 和 visa64.lib.
3. 软件校准
   1. 启动 Visual Studio 2022 并打开用户的项目， YourProjectNameHere.sln
   2. 按下绿色按钮 运行/播放 按钮。视频流和终端将出现（图10A).
   3. 确保绿色捕获抛物线可见。如果不可见，则根据需要调整功率、滤光片和/或光路对准，直至捕获区域可见。
   4. 首先按下以捕获屏幕 Windows 键 + Shift + S 然后点击并从视频画面的左上角拖动鼠标指针至右下角（图10B）。屏幕截图工具将生成一个弹出窗口。点击此弹出窗口以打开截图编辑器。在该编辑器中有一个按钮用于 在 MS Paint 中编辑. 点击 在 MS Paint 中编辑 按钮
   5. 将光标置于 MS Paint 窗口中显示的抛物线左上角。记录 MS Paint 窗口左下角显示的坐标（图10C）。坐标表示为（xmin, ymin）。
   6. 将光标置于抛物线的右下角。记录 MS Paint 窗口左下角显示的坐标值。该坐标记为 (xmax, ymax)。
   7. 关闭视频流，方法是按下 逃逸 关键
   8. 在第 280 行输入 xmin、xmax、ymin 和 ymax is_trapped() 功能 main.cpp 在用户项目中例如：Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      注意：第一个 Range 函数以 xmin 和 xmax 作为参数，而第二个 范围 用作 ymin 和 ymax，以确定粒子检测的检测窗口图10D).
4. 频率选择
   1. 启动 Visual Studio 2022 并打开用户的项目， YourProjectNameHere.sln 如果尚未打开。
   2. 开放 PowerShell (Win+X → Windows PowerShell）或 命令提示符
      运行：python -c "导入 random 模块；打印 random.sample(range(0,101),101) 的结果"
      复制生成的测试编号列表。
      注意：每个生成的数字代表一个频率。数字到频率的数学映射关系为：
      f(n) = 100 • 10^0.03n Hz
      定义域：n∈{0,1,...,100}
      范围：f(0) = 100 Hz 至 f(100) = 100,000 Hz（100 kHz）
      步骤按对数间距设置。此脚本作为附带内容包含在内。 补充文件 2, numbershuffler.py 为方便读者。
   3. 编辑 main.cpp 的第 443 行，将生成的数字列表复制到测试数字序列中：例如，
      载体<int> 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. 保存项目。
5. 运行一个实验
   1. 准备激光器。如有必要，让激光器完成预热程序。打开激光快门，并将功率提升至目标水平，本实验中约为 8 W。
   2. 打开 YourProjectNameHere.sln 在 Visual Studio 中。
   3. 确保相机通过 USB 与电脑连接。
   4. 确保函数发生器通过 USB 与电脑连接。
      注意：对于所列的 AWG 材料表，用于VISA控制的正确USB端口是位于仪器背面的USB-B端口（图11A).
   5. 确保放大器在声光调制器（AOM）处终止。打开压控振荡器（VCO）电源。
   6. 打开白光灯，并调节至使抛物面均匀受光。
      注意：该程序将检测深色颗粒阴影，标记成功捕获的颗粒，并记录其捕获时长。结果将自动导出至文本文件。
   7. 击中 运行/播放 在 Visual Studio 中点击运行项目按钮。视频流将出现。
      注意：如果程序崩溃，请尝试在两者之间切换 调试 和 释放 配置（参见 Microsoft 指导： https://learn.microsoft.com/zh-cn/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022)
   8. 调节陷波滤光片的倾斜角度，直至激光在全功率（≈8 W）下 barely visible。
   9. 轻敲玻璃管，观察饲料颗粒下落的情况。对于碳涂层玻璃微球颗粒，这些颗粒在相机视野中呈现为快速下落的黑色圆点。持续轻敲。程序将从指定频率序列中的第一个频率开始运行。一旦记录到10次任何持续时间的捕获事件（包括仅穿过检测区域的颗粒），程序将自动进入序列中的下一个频率。如果在敲击过程中下落的颗粒数量减少，可将玻璃管旋转180°后继续轻敲。当所有频率测试完成后，程序将自动终止，此时用户可停止敲击。
6. 数据可视化
   1. 打开 results.txt 文件（补充文件 3) 在文本编辑器中。本研究中，该文件位于 C:\Users\<用户名>\source\nepos\<您的项目名称此处>\<您的项目名称此处>\ 结果.txt每次运行程序时，新的结果都会出现在标题下方 "新一批结果的开始。" 格式 <测试编号> 结果 <捕获时间（纳秒）>.
   2. 使用 查找与替换 替换所有实例 "结果：" ，删除与当前运行无关的所有数据。使用 另存为 将清洗后的文件另存为 results.csv.
   3. 打开 results.csv 在电子表格中。将测试编号和捕获时间从 .csv 文件复制到电子表格中 example.xlsx (补充文件 4）。将测试编号粘贴到第一列中。第二列将自动填充相应的书写频率（Hz），该频率由测试编号计算得出。将陷阱时间数据粘贴到第三列中。通过应用诸如最小时间过滤器等过滤条件，后续各列将自动填充。随后将生成散点图，显示陷阱时间与陷阱触发频率之间的数据点关系。图11B).
      注意：用于安装声光调制器（AOM）的可3D打印AOM支架的STL文件₁ 如补充文件5所示。

结果

碳包覆微球的结果

在本文所涉及的两种颗粒类型（即碳包覆微球和实心金颗粒）中，碳包覆微球是用于捕获的视觉上最方便的颗粒。当背光照射时，碳包覆微球会产生明显的暗影，如图9E、F所示。这使得它们成为验证小船形捕获装置硬件设置的理想选择。其高可见性使得可以使用上述自动颗粒检测软件。

尺寸约为100 μm的玻璃微球颗粒的阴影将非常明显，并会大致沉降到抛物线形捕获区的底部，略微偏向扫描方向（图9F）。

成功捕获与失败捕获

当成功捕获粒子时，自动粒子检测软件将显示一个红色的“T”，如图12A所示。当未检测到被捕获的粒子时，软件将显示一个绿色的“N”，如<...

讨论

成功实施该捕获技术依赖于声光调制器（AOM）频率的精确调控以及光学元件的正确对准。其中最关键的步骤之一是确保扫描激光束形成一个形状良好的抛物线势阱。  尽管较短的焦距和较高的数值孔径通常可提高捕获刚度和束缚能力，但在本应用中，长工作距离物镜在颗粒装载和观察方面的便利性超过了这些优势。 

发现功率输出不足（<800 mW）是导致光镊不稳定的一个常见原因，尤其对于质量较大的粒子更为显著。因此，确保足够的激光功率至关重要^1,3,7。为了提高稳定性并优化粒子的束缚效果，可对波形发生器的参数进行调整。通过调节声光调制器（AOM）的扫描频率比，可精细调控光镊的形状，而高速成像提供的实时反馈则有助于快速校正系统（见图7K，L）。若捕获效果不稳定，应检查光束是否通过各光学元件的中心，并调整中继...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1倍，40 mm工作距离CompactTL远心镜头	Edmund Optics	63-745	用于成像被捕获的粒子；远心镜头；在图3中标记为“i”
50.8 mm（2英寸）N-BK7 A镀膜平凸透镜	Thorlabs	LA1050-A	用于光束准直与叠加（对准方法已讨论）；中继光学元件；在图3中标记为“b”
5倍长工作距离LM平场消色差金相显微镜物镜，工作距离15.5 mm，型号MT05073231	BoliOptics	MT05073231	用于AOM输出的傅里叶变换；物镜；在图3中标记为“g”
AmScope 6瓦大功率LED双蛇形颈照明器	Amscope	LED-6W	用于提高成像对比度；白光光源；在图3中标记为“f”
AO偏转器，部件号97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	声光调制器（AOM），用于Y方向扫描；Y-AOM；在图3中标记为“a”
AO偏转器，部件号97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	用于X方向光束扫描的AOM；X-AOM；在图3中标记为“c”
Basler ace acA640-750uc USB3彩色相机	Edmund Optics	33975	用于检测粒子；相机；在图3中标记为“j”
运行Windows 11操作系统的计算机	Dell	n/a	配备数据采集与成像软件
连续波激光器（532 nm，最高10 W）	Coherent	Verdi V10	照明激光器；激光光源
一次性培养管	Fisher	14-961-26	粒子旋转腔室；粒子腔；在图3中标记为“h”
玻璃腔室，长20 mm，直径12 mm，由硼硅酸盐玻璃培养管切割而成	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm，用于气流稳定
玻璃微球，平均直径40–60 µm，3M K1“气泡”	Kremer	#59910	用于对比测试
金颗粒（平均直径1.16 µm）	ASI	162-0010	实心金颗粒
型号TB-17	Minicircuits	15542	用于放大AOM信号；射频放大器；在图3中标记为“m”
安装式标准光阑，最大孔径Ø25.0 mm，TR3支架	Thorlabs	ID25	用于空间滤波衍射级次；光阑；在图3中标记为“d”
Ø1" 50:50 UVFS平板分束器，镀膜范围：350–1100 nm，厚度t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	用于沿光轴引入白光以背照粒子；分束器；在图3中标记为“e”
Rigol DG4202双通道波形发生器，正弦波频率最高200 MHz，方波频率最高60 MHz，采样率500 MSa/s，任意波形内存长度16 kPt，配备7英寸显示屏，支持USB和以太网（LXI）接口	TestEquity	DG4202	Rigol DG4202，用于AOM控制；任意波形发生器；在图3中标记为“k”
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	用于AOM频率调谐；压控振荡器（VCOs）；在图3中标记为“l”