使用远程实验室进行带电液滴光悬浮的安全实验

我们的实验方案可用于直观展示多种基础物理概念，例如光子压力或带电粒子在电场中的运动方式。更重要的是，所有这些操作均可远程完成。其主要优势在于，我们仅需借助裸眼作为唯一探测器，即可直接通过激光护目镜，或通过网络摄像头在计算机屏幕上观察到物理现象。

该实验系统可通过拉曼光谱技术研究液滴之间的相关性或液滴的化学组成，从而为大气科学提供深入见解。远程访问协议适用于多种类型的实验。主要的实验挑战在于我们使用高功率激光器。

因此，必须严格执行激光安全规范。本实验的核心理念是直观呈现通常以黑箱实验或理论推导方式展示的物理概念。本实验将由 Oscar Isaksson 和 Andreas Johansson 演示。

他们两人均在本地一所高中从事教学工作，同时进行旨在获得博士学位的研究。只要涉及高功率激光器，安全必须始终放在首位。这些激光器可输出两瓦的可见激光辐射。

因此，所有人员都必须参加激光安全培训课程。首先通知实验区域内的所有人，激光器将被开启，然后打开实验室内的激光警示灯。

接下来，放置四块吸光板，并检查激光器与吸光板之间的空间是否无障碍物。同时检查捕获池与光束挡板之间是否无任何物体。在启动激光器之前，还需取下手表和金属戒指，并佩戴适当的护目装置。

现在，打开实验室计算机并等待其进入可操作状态。从桌面打开“Remote Start-up”文件夹，点击图标 Main1806. VI，然后通过按下左上角的箭头运行程序。

在 EJS 变量下，勾选名为 Laser Remote Enable 2 Power 的复选框，并将 Laser Current 2 设置为 25，使激光功率滑块向右滑动至 25%。使用校准激光护目镜观察激光光束，确保光束最终进入光束收集罩（beam dom）。如果未对准，请调整光束收集罩的位置。接下来，在程序 VI 中勾选 Drops2。然后，通过旋转平移台底部的驱动螺钉，调节平移台的位置，移动液滴分配器的尖端，直至液滴落入激光光束中。

回到软件中，使用“Laser Current 2”输入框将激光功率提高至约66%，以捕获液滴。一旦液滴被捕获，取消勾选Drops2。根据文本协议确定液滴的大小和极性后，通过将其已知尺寸乘以其密度来确定液滴的电荷量。

接下来，将电场直流控制2（E-Field DC Control 2）设为零，并通过波形图中的PSD归一化位置轨迹估算并记录液滴位置的平均值。根据公式2中F-Read 1的值计算激光功率。然后，将电场直流控制2设置在1至5伏特之间，使液滴向上移动。

液滴现在处于新位置。缓慢降低激光功率，直至液滴回到其原始位置。将此时的激光功率记录为 F-Read 2。

要访问远程实验室，请在网页浏览器中打开Unilab的网站。连接后，在页眉下方菜单的第一项中选择所需的语言，然后使用以下信息登录。

在课程区域，登录区域旁，左键点击哥德堡大学的标志。然后，点击“光镊悬浮”以进入本实验的材料。通过点击“光镊悬浮远程实验室”来访问远程实验室。

此后，确保网页主框架显示为如下外观，并呈现远程实验室的用户界面。然后，点击“连接”按钮。如果连接成功，按钮上的文字将变为“已连接”。

接下来，点击“追踪液滴”，并确认已接收到PSD数据。然后点击“整体视图”，以识别装置中的所有组件：激光器、液滴分配器、捕获腔室和PSD。要捕获液滴，首先点击“捕获液滴”按钮，以显示移液管和液滴分配器喷嘴。

然后，单击“打开激光”按钮以建立与激光器的连接。接着，将激光功率设置在“打开激光”按钮下方控制条的大约前四分之一位置。等待直至绿色指示灯可见。

如果激光正确对准，将可见一条细的绿色光束。若对准不正确，请按照方案中所述联系维修服务。激光对准后，将其功率增加至条形图的四分之三。

然后，单击“开始滴液”按钮以启动液滴分配器。观察网络摄像头图像，并等待闪光出现。此时，液滴已被捕获。

再次检查网络摄像头图像，确认液滴在捕获室中心悬浮。然后，按下“停止液滴”按钮以关闭液滴分配器。要确定液滴的大小，请按下“液滴定尺寸”按钮，并按照随附文本方案第8节中的步骤进行操作。

为了确定所捕获液滴的电荷量，首先点击“追踪液滴”视图。然后，选择电场菜单，并通过直流电压数值输入框将直流电场设为零。利用图表估算并记录液滴位置的平均值，同时记录激光功率。

现在，将直流电场设置为 500 伏特之间的某个值，使液滴位置发生改变。一旦位置发生变化，通过滑块调节激光功率，直至液滴回到原始位置，并记录此时的激光功率新值。最后，利用随附文本方案中的公式 2 计算液滴的电荷量。

图中显示了一个被捕获并悬浮的液滴。可以看到其中一个液滴在装置的样品池内悬浮。绿色是由于激光所致，而观察到的两个光点（而非一个）是由于液滴在样品池玻璃上的反射形成的。

在这种情况下，上方的点是反射光点，下方的点是液滴。尝试捕获时最重要的是要有耐心。一个微米级的液滴需要落入一束仅比液滴本身略宽的光束中。

为了获得更精确的电荷值，可以使用控制回路。在施加电场的同时，控制回路将调节激光功率，直至液滴回到其原始位置。在此实验装置基础上的进一步研究包括利用高速相机观察液滴碰撞现象，以及探究液滴在高真空腔中的行为特性。

本实验使用4类激光器。必须采取所有安全措施，以保护实验室人员和环境。