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

本研究描述了一种可重构的船形光阱的构建与操作方法，用于在空气中捕获和操控微粒。现有的捕获技术在捕获区域与阱位定位精度之间存在权衡。本方案引入的船形光阱可同时实现大捕获面积和高定位精度。

本方案可在常温常压的标准实验室环境中实施，同时需遵循4类激光安全操作规范。制备好碳涂层玻璃微球后，使用运动学光束升降装置和直尺调节光束高度至23厘米。将激光功率降低至50毫瓦以下。

使用偏振片确定偏振方向是否为垂直取向。调节显微镜，使光束高度位于光束提升装置输出端负Z方向100厘米以上的位置。在负Z方向10厘米处放置一个傅里叶变换透镜，透镜的凸面朝向正Z方向。

然后将剩余的三个傅里叶变换透镜以20厘米的间距放置，并交替透镜的凸面方向。将声光调制器置于靠近激光器最近和第三近的透镜沿负Z方向10厘米处。确保靠近激光器的声光调制器为垂直取向。

将声光调制器置于距离靠近激光器的第三个透镜10厘米处。将其水平对准，并沿远离光轴方向旋转约2度。对于任意波形发生器的每个通道，连接一个压控振荡器、一个放大器和一个声光调制器。

然后将放大器连接到声光调制器。使用任意波形发生器，将供给两个压控振荡器的电压设置为五伏特，对应频率为100兆赫兹。然后将声光调制器二的倾斜角度减小至零。

逐渐增大角度，直至一级衍射光达到最大亮度。调整从第一个声光调制器出射的两束光，使其均进入第二个调制器。从第二个声光调制器出射的四束光中，仅允许右上侧的光束通过光阑。

接下来，放置一个分束器，将部分光束引导至观察面。将任意波形发生器的幅度设为零，观察观察面上呈现为一个光点的光束。将垂直通道偏置设为5伏，幅度设为3伏，频率设为4千赫兹。

观察光束在观察面上形成一条垂直线。然后将水平通道偏移调节至5伏，幅度调节至3伏，频率调节至4千赫兹。此时光束应在观察面上形成一条对角线。

将垂直通道调谐至八千赫兹并设置90度相位偏移，使观察面上呈现李萨如图形。然后按下“对齐相位”按钮，将李萨如图形转换为抛物线形状。调节垂直通道的相位偏移以优化抛物线形状，并在观察面上观察优化后的抛物线图形。

将焦距为45毫米的远心镜头安装在直线位移台上，使其位于物镜前方正Z方向55毫米处。然后将专用于反射532纳米光的二向色滤光片放置在镜头前方。使用通用串行总线（USB）线缆将相机连接至个人计算机，并运行配套的成像软件。

然后将二向色滤光片轻微倾斜五到十度，直至出现抛物面捕获光阱的形状。使用光纤光源照射分束器，并调节光纤光源，使其照明区域中心对准抛物面捕获光阱。用实验室刮勺取约一克微粒，放入一个长25毫米、直径12毫米的玻璃圆柱管内，该圆柱管安装方式可绕其轴线旋转。

将装有样品的玻璃圆筒置于物镜前方15毫米处，使其居中，该距离对应物镜的工作距离。旋转并轻敲圆筒后，观察相机显示画面，注意是否存在默认状态或无捕获颗粒、颗粒下落以及颗粒被捕获的情况。安装并配置软件后，启动 Visual Studio 2022 并打开项目文件。

按下绿色的运行按钮以启动程序。观察屏幕上出现的视频画面和终端界面。确保视频画面中可见绿色的捕获抛物线。

如果不可见，请调整功率、滤光或对准，直到捕获区域出现为止。同时按下 Windows 键、Shift 键和 S 键以截取屏幕。从视频画面的左上角点击并拖动鼠标指针至右下角。

单击弹出窗口以打开截图编辑器。在编辑器中单击“在 MS Paint 中编辑”按钮。然后将光标置于 MS Paint 窗口中抛物线的左上角。

记录 MS Paint 窗口中抛物线下方左下角显示的坐标，作为 X 最小值和 Y 最小值。然后将光标移至抛物线下方右下角，记录此时左下角显示的坐标，作为 X 最大值和 Y 最大值。

完成后，按 Esc 键关闭视频流。在项目中 main.cpp 文件的 is_trapped 函数第 280 行，输入 X 最小值、X 最大值、Y 最小值和 Y 最大值。

为实现测试频率的随机化，请启动 Visual Studio 2022，若项目文件尚未打开，则将其打开。随后打开 Windows PowerShell 或命令提示符，运行命令 pythonc import random，并从 0 到 101 的范围内打印一个随机样本。

然后复制生成的测试编号列表。在 Visual Studio 2022 中，通过将生成的列表粘贴到 test number 序列中来编辑 main.cpp 的第 443 行，并保存项目。

将激光功率增加至实验所需的水平。点击绿色运行按钮，并轻敲和旋转颗粒管，以开始实验。实验结束后，打开结果。

在文本编辑器中打开 txt 文件。观察每次程序运行都会在“新一轮结果开始”标题下生成新的结果，格式为：测试编号、结果，后跟以纳秒为单位的捕获时间。为了进行数据可视化，将逗号分隔值文件中的测试编号和捕获时间复制到 example.xlsx 文件中。

应用所需滤镜后，观察新增的列表以及随陷俘时间与陷俘抽取频率关系生成的散点图。在背光条件下，碳涂层微球会产生深色阴影。玻璃微球为尺寸约为100微米的颗粒，大致沉降至抛物线形陷阱的底部。

当成功捕获粒子时，自动粒子检测软件会显示红色的 T。当未检测到被捕获的粒子时，软件则显示绿色的 N。捕获率和捕获寿命可能随温度或湿度等环境变量的变化而增加或减少。沿光轴方向无法观察到尺寸约为一微米的实心金粒子，但可在垂直于光轴的方向观察到其光散射现象。视频记录证实，粒子可维持其位置达数分钟以上的较长时间。

本方案使研究人员能够设计并快速修改一种船形捕集器，用于捕获和移动空气中的多种颗粒物。未来的研究可整合现场可编程门阵列控制，以实现对捕集器形状、权重及其在二维平面内横截面位置的可编程操控。