Optische Einfangung großer metallischer Partikel in der Luft mittels einer "Boot"-Falle mit direkt gezogenen Seitenwänden

Zusammenfassung

Dieses Papier beschreibt die experimentelle Methode zur Erreichung langfristiger, stabiler Einfangen und präziser Positionierung großer metallischer Partikel in der Luft mittels einer dynamischen, bootförmigen photophoretischen Falle. Dieses System ermöglicht eine kontrollierte Manipulation, die für plasmonische Interaktionsstudien geeignet ist.

Zusammenfassung

Wir stellen eine Methode vor, um eine stabile optische Einfangung großer metallischer Partikel (>1,16 μm mittlerer Durchmesser fester Goldpartikel und >100 μm leiterbeschichtete Mikrosphären) mittels eines fokussierten Strahls, der von akusto-optischen Modulatoren gescannt wird, um direkt einen parabolischen Trap-Querschnitt in der Luft zu zeichnen.  Das Ergebnis dieser Zugbewegung ist die Bildung einer "Boots"-Falle, die oben offen ist und große Metallpartikel ohne Sprung auffangen, laden und stabil halten kann.  Ein hochleistungskontinuierlicher 532-nm-Laser wird sowohl in x- als auch y-Richtung abgescannt und bildet eine bootförmige Intensitätsverteilung, die für das Einfangen von Mikrosphären optimiert ist. Die Fangdauer wird durch sorgfältige Auswahl der Ziehfrequenz maximiert, die schnell genug ist, um in Bezug auf die Teilchendynamik kontinuierlich zu erscheinen, aber langsam genug, um Fallenverzerrungen zu vermeiden. Dieses Protokoll beschreibt den experimentellen Aufbau, einschließlich Lasermodulation, Teilcheneinführungstechniken und Validierung. Kohlenstoffbeschichtete Mikrosphären werden hauptsächlich verwendet, um die Bildung und Stabilität von Fallen zu visualisieren und zu validieren, während feste Goldnanopartikel als Ziel für plasmonische Interaktionsstudien dienen. Diese Methode ermöglicht es, auf Befehl in Echtzeit eine Vielzahl von Querschnitten zu zeichnen, um einen robusten, flexiblen Ansatz zum Einfangen, Laden und Übersetzen von luftgetragenen Partikeln über lange Zeiträume zu bieten, mit potenziellen Anwendungen in der plasmonischen Verbesserung schwebender optischer Systeme.

Einleitung

Diese Arbeit präsentiert eine Methode zur präzisen Erfassung, Platzierung und Manipulation großer metallischer Partikel in der Luft mittels einer dynamisch erzeugten Bootsfalle. Frühere Ansätze – wie solche mit lose fokussierten Gaußschen^{Strahlen 1}, Aberrationsfallen², Specklefeldern ^3,4,5 oder Wirbelstrahlen ^6,7 – leiden unter wesentlichen Einschränkungen, darunter Rotationsbewegung¹, mehrere stabile Fanglokus ^2,3,4,5 oder das Fehlen einer einzigen, klar definierten Fangstelle⁶.⁷, was in manchen Geometrien dazu führen kann, dass zwischen mehreren stabilen Fangloci ^3,7 (siehe Abbildung 1A) springen kann (siehe Abbildung 1A).  Eine bemerkenswerte Ausnahme ist die nach oben gerichtete Axikonfalle, die einen einzigen Fangort bietet, Top-Loading unterstützt und – zumindest theoretisch – laterale Translation⁸ erlaubt. Die hier beschriebene Methode behält diese Vorteile bei, während sie drei entscheidende Verbesserungen einführt: (1) robustes Einfangen metallischer Partikel, (2) eine horizontale Strahlgeometrie und (3) die Echtzeit-Rekonfigurierbarkeit des Fangpotenzials über direkt gezogene optische Wände.

Methoden zum Einfangen von Goldpartikeln wurden bisher typischerweise in Wasser ^9,10,11 durchgeführt, können Fangeigenschaften aufweisen, die Rotationsbewegung¹² erzeugen, oder gegenläufige Strahlen verwenden, die die flexible Verschiebung eines eingeschlossenen Partikels¹³ hemmen. Um diese Herausforderungen bei massiven Goldpartikeln mit Durchmessern größer als 1 μm zu überwinden, wird eine dynamisch modulierte photophoretische 'Boot'-Falle eingesetzt.

Diese Methode ist auf eine breite Palette von Partikelgrößen und -typen anwendbar, von 20-nm-Kohlenstoff-Nanosphären-Clustern bis zu 100 μm beschichteten Glas-Mikrosphären. Es ist sowohl in offenen Umgebungen als auch in geschlossenen Teildruckumgebungen wirksam. Die Technik kann mit Leistungen von mehreren Dutzend Watt betrieben werden.  Da die Fallen als Linien statt als Punkte verteilt sind und die optische Leistung über große Flächen verteilt ist, ist die praktische Umsetzung am effektivsten bei Leistungsstufen über 1 W.

Der Fangmechanismus beruht auf positiver Photophorese, die durch asymmetrische Erwärmung des Teilchens durch den Laserstrahl entsteht. Wenn ein absorbierendes metallisches Teilchen beleuchtet wird, emittiert die heißere Seite Gasmoleküle mit größerem Impuls als die kühlere Seite, was zu einer Nettokraft führt, die das Teilchen vom Licht wegstößt. Diese photophoretische Kraft kann wie folgt ausgedrückt werden:

wobei C ein Koeffizient ist, der von der Teilchengeometrie, den Gaseigenschaften und dem thermischen Akkommodationskoeffizienten abhängt, und ∇T der Temperaturgradient entlang der Teilchenoberfläche. In diesem System wird diese Kraft in der Falle nach oben gelenkt und wirkt der Schwerkraft entgegen, was eine stabile Levitation ermöglicht. Eine detailliertere Herleitung der photophoretischen Kraft – einschließlich radiometrischer Druck- und thermischer Kriecheffekte – findet sich in Mirzaei-Ghormish et ^al.14.

Die Bootsfalle verwendet einen beliebigen Wellenformgenerator (AWG), um akusto-optische Modulatoren (AOMs) zu steuern und so eine hochintensive optische Wand zu bilden, die durch das Scannen eines fokussierten kontinuierlichen Wellenlaserstrahls (CW) erzeugt wird, um ein stabiles parabolisches Fangpotential¹⁴ zu erzeugen (siehe Abbildung 1B).  Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Kontrolle der Fallenform, sodass Partikel eingeschlossen, stillgehalten und auf einer Oberfläche freigelegt werden können – wichtige Anforderungen für Anwendungen wie das Anbringen von Nanodiamanten nahe an goldplasmonische Partikel mit einer Dimension größer als 1 μm zur Purcell-Verbesserung der Nanodiamant-Fluoreszenz¹¹

Protokoll

Dieser Abschnitt beschreibt die Vorbereitung von Teilchen und den Aufbau des optischen Aufbaus. Beachten Sie, dass sich dieses Setup von Vortex-, Diffraktions- und anderen Wellenfrontformungsmethoden unterscheidet, die zu einer Einzelfall-Morphologie führen (siehe Gong et al. für eine Übersicht der Wellenfrontformungsfallen⁸). In diesem Aufbau kann man durch das Scannen eines fokussierten Punktprimitivs viele Fallenquerschnitte erzeugen. Daher betont diese Arbeit zwar die Morphologie der Bootsfallen, sei dir bewusst, dass das beschriebene Setup flexibel genug ist, um viele weitere Fallengeometrien zu schaffen, die in zukünftigen Arbeiten behandelt werden sollen.

1. Präparation von Teilchen

1. Kohlenstoffbeschichtete Glasmikrosphären (zur Visualisierung verwendet, Abbildung 2)
   1. Übertragen Sie 3 ml Mikrokugeln mit einem sauberen Spatel in eine kleine, saubere Kristallisationsschale (Abbildung 2A, links). Führen Sie diesen Schritt in einer Abzughaube durch, um eine Massenverteilung feiner Glaspartikel zu verhindern.
      HINWEIS: Die Abzugshaube hielt einen Unterdruck aufrecht, zog mit einer durchschnittlichen Gesichtsgeschwindigkeit von 101 ft·^min-1 Luft nach innen.
   2. Decken Sie die Schüssel mit einem Deckel oder einem Uhrglas ab und leiten Sie sie in ein Verdampfungssystem mit Kohlenstoffstäben (Abbildung 2B).
   3. Stellen Sie die Verdampfungsroutine auf 3 Impulse bei 73 A Pulsstrom, 3 s Pulslänge und 10 s Pulsintervall ein (siehe Tabelle 1).
   4. Nimm den Deckel ab. Partikelschale einfügen. Führe das Beschichtungsprogramm aus. Den Deckel wieder aufsetzen. Nehmen Sie das Gericht ab.
   5. Rühre die Schüssel, indem die Teilchen mit ausreichender Kraft geschüttelt werden, um die Teilchenpositionen zufällig zu bestimmen (Abbildung 2C). Nehmen Sie den Deckel ab und legen Sie die Schüssel zurück in den Überzieher zum Überziehen. Wiederhole das zehnmal.
      HINWEIS: Nach der Beschichtung sehen die Partikel aus wie in Abbildung 2A auf der rechten Seite. Beachten Sie auch, dass die resultierende Größe der kohlenstoffbeschichteten Mikrosphäre praktisch unverändert bleibt, da die 20-nm-Beschichtung im Vergleich zum durchschnittlichen Durchmesser einer kohlenstoffbeschichteten Mikrosphäre, der 60 μm überschreiten kann, klein ist.
   6. Bedecken Sie die entstehenden Partikel mit einem Uhrglas oder Film und bewahren Sie sie in einer feuchtigkeitskontrollierten Umgebung auf.
      HINWEIS: Alle Beschichtungs- und experimentellen Arbeiten wurden in einer Umgebung unter Innenlaborbedingungen mit einer Temperatur von 21–25 °C und 20–45 % relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt.
2. Feste Goldpartikel (verwendet für plasmonische Experimente)
   1. Massive Goldpartikel werden trocken mit durchschnittlichen Durchmessern von 1 μm verkauft (siehe Abbildung 2D und Materialtabelle). Wenn sie einsatzbereit sind, überführen Sie die getrockneten Partikel in die rotierende Glaspartikelkammer (Abbildung 2E).

2. Aufbau des optischen Systems

HINWEIS: Das optische Setup ist in Abbildung 3 dargestellt. Die vollständige Liste der erforderlichen optischen und elektrischen Komponenten für den Aufbau ist in der Materialtabelle bereitgestellt. In diesem Aufbau erzeugen vier identische Objektive zwei kaskadierte 4F-Relais, die AOM₁ auf AOM₂ abbilden. AOM₁ lenkt den Strahl vertikal ab, AOM₂ lenkt ihn horizontal ab, und da die Brennweiten gleich sind, fällt die konjugierte Ebene von AOM₁ mit AOM₂ zusammen.

1. Laserquelle und Anfangsstrahlausrichtung
   1. Auf einem optischen Tisch wird eine Laserquelle platziert, die eine Leistung von <5 mW bis >5 W mit 532 nm Lichtausgang ermöglicht.
      HINWEIS: Der in diesen Experimenten verwendete Quelllaser war in der Lage, Fangleistungen von über 10 W zu erreichen. Am Ausgang des Lasers und vor dem Eintritt in AOM¹ wird der Strahl mit einem Durchmesser von etwa 1,3 mm (1/e² Intensitätsbreite) kollimiert und mit einem Strahlprofiler gemessen. Eine 532-nm-Quelle wurde ausgewählt, da sie bei hohen Leistungen mit guter Strahlqualität verfügbar ist und eine gute plasmonische Absorption für die Zielpartikel aufweist.
   2. Reduziere die Laserleistung auf <5 mW. Verwenden Sie einen Polarisationssensor, um festzustellen, ob die Polarisation vertikal ausgerichtet ist. Wenn nicht, drehen Sie den Laser oder setzen Sie eine Hochleistungs-Halbwellenplatte ein und drehen Sie eine Hochleistungs-Halbwellenplatte, um die vertikale Polarisationsorientierung sicherzustellen. Verwenden Sie einen kinematischen Strahlheber (Abbildung 4A, rechte Seite) und ein Lineal, um die Strahlenhöhe auf 23 ± 0,5 cm einzustellen (diese Höhe ist beliebig, hat sich aber als praktisch erwiesen). Messen Sie die Strahlengröße 10 cm vom Aufzug entfernt und 40 cm. Stellen Sie sicher, dass beide Maße eine Höhe von 23 cm angeben.
      HINWEIS: Der AOM arbeitet mit einer langsamen Schermodus-Doppelbruch-akusto-optischen Wechselwirkung in Tellurdioxid (TeO₂), die eine horizontale Polarisierung des Eingangsstrahls erfordert. Der gebeugte Strahl tritt aufgrund der doppelbrechenden Wechselwirkung mit vertikaler Polarisation hervor. Da der erste AOM physisch um 90° relativ zum globalen Koordinatensystem gedreht ist, muss der Eingangsstrahl vertikal in globalen Koordinaten polarisiert werden, um mit der internen horizontalen Polarisationsachse des AOM auszurichten.
2. Objektiv- und Relaislinsenplatzierung
   1. Stellen Sie das Mikroskop auf die Strahlhöhe ein, in Richtung -z, in einer Entfernung von mehr als 100 cm vom Ausgang des Strahlelevators (Abbildung 4A,B).
   2. Platziere eine Fourier-Transformationslinse 10 cm in die -z-Richtung mit einer konvexen Fläche, die in +z-Richtung zeigt (Abbildung 4C,D).
   3. Platzieren Sie die verbleibenden drei Fourier-Transformationslinsen 20 cm auseinander, wobei sich Konvexitäten abwechseln, wie in Abbildung 4E dargestellt.
3. AOM-Konfiguration
   1. Positioniere AOMs 10 cm in Richtung -z von den Linsen, die dem Laser am nächsten und am weitesten liegen, wie in Abbildung 5,B dargestellt.
   2. Stellen Sie sicher, dass AOM₁ (das dem Laser am nächsten gelegene AOM) vertikal ausgerichtet ist.
      HINWEIS: In dieser Instanz wurde ein individuell 3D-gedruckter Halter für diesen Zweck erstellt. Drehen Sie AOM₁ etwa 2° zur optischen Achse hin, wie gezeigt (Abbildung 5A).
   3. Platziere AOM₂ 10 cm vom Objektiv am weitesten vom Laser entfernt. Dieses AOM wird horizontal ausgerichtet (Abbildung 5B). Drehen Sie AOM₂ etwa 2° von der optischen Achse weg, wie gezeigt (Abbildung 5B).
   4. Schalten Sie den Laser auf eine niedrige Leistung ein (z. B. <5 mW).
   5. Für jeden Kanal des AWG werden ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), ein Verstärker und ein AOM (Abbildung 5C) angeschlossen. Schließen Sie zuerst die Verstärker an die AOMs an, wie in Abbildung 5D, E gezeigt.
      HINWEIS: Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die Verstärker vor dem Einschalten an eine Last angeschlossen sind. Verstärker und VCOs nutzen beide 12 V Gleichstrom und können mit Bananenklammern an eine gemeinsame 12-V-Quelle angeschlossen werden, wie in Abbildung 5F gezeigt.
4. AOM-Optimierung
   1. Platziere eine Blende im System, wie in Abbildung 6A gezeigt.
   2. Mit dem AWG wird das Hochfrequenzsignal auf beide AOMs auf einen Wert von 175 MHz (~5 V auf dem VCO) umgewandelt.
      HINWEIS: Es wird nun zwei Strahlen nach AOM¹ und nach AOM² vier Strahlen geben (siehe Abbildung 6B).
   3. Verringere den Neigungswinkel von AOM₁ auf null. Erhöhen Sie den Winkel allmählich, bis der Strahl erster Ordnung (der obere rechte 'Passstrahl', der bei Blick in -z-Richtung wie in Abbildung 6C gezeigt wird) am hellsten ist. Der AOM ist ungefähr auf den ursprünglichen Neigungswinkel von 2° zurückgekehrt.
   4. Verringere die Neigung von AOM₂ auf null. Erhöhen Sie den Winkel allmählich, bis der Strahl erster Ordnung am hellsten ist. Der AOM ist ungefähr auf den ursprünglichen Neigungswinkel von 2° zurückgekehrt.
      HINWEIS: Der durchschnittliche Beugungswirkungsgrad (bei 1 W elektrischer Leistung) lag bei etwa 70 % pro AOM. Die gesamte optische Effizienz des Systems betrug etwa 30 %.
   5. Stellen Sie sicher, dass beide Strahlen, die den ersten AOM verlassen, in den zweiten eintreten. Stellen Sie sicher, dass von den vier Strahlen, die in das zweite AOM eintreten, der obere rechte Strahl so gewählt wird, dass er durch eine Öffnung geht.
      HINWEIS: Die Apertur muss klein genug sein, um die 'Blockstrahlen' zu blockieren und den 'Passstrahl' auch dann vorzulassen, wenn er vom AOM abgelenkt wird (Abbildung 6C,D).
   6. Platzieren Sie einen Strahlteiler, wie in Abbildung 6E gezeigt, um einen Teil des Strahls auf eine Beobachtungsfläche zu lenken (Abbildung 6E, F).
5. AWG-Steuerung
   1. Mit auf null gesetzten AWG-Amplituden (oder AWG-Ausgängen auf 'aus') sieht der resultierende Strahl an der Beobachtungsfläche wie ein Punkt aus (Abbildung 7A,B).
   2. Stellen Sie den vertikalen Kanalversatz auf 3 V, die Amplitude auf 5 V und die Frequenz auf 4 kHz ein, um eine vertikale Linie zu sehen (Abbildung 7C,D).
   3. Stellen Sie den horizontalen Kanalversatz auf 3 V, die Amplitude auf 5 V und die Frequenz auf 4 kHz ein, um eine diagonale Linie zu sehen (Abbildung 7E,F).
   4. Stellen Sie die vertikale Kanalfrequenz auf 8 kHz und den Phasenoffset auf 90° ein, um ein Lissajos-Muster zu sehen (Abbildung 7G, H).
   5. Drücken Sie den Ausrichtungs-Phasenknopf, um das Lissajous-Muster in eine parabolische Form umzuwandeln (Abbildung 7I, J).
   6. Stellen Sie den vertikalen Kanal-Phasenversatz an, um die parabolische Form zu verfeinern (Abbildung 7K, L).

3. Einrichtung des Bildgebungssystems

HINWEIS: Das Bildgebungssystem ermöglicht eine axiale (d. h. 'frontal') rückleuchtende Betrachtung von Partikeln und das Fangprofil.

1. Kamera, Filter und Schnittstelle
   HINWEIS: Die Kamera hat eine nominelle maximale Geschwindigkeit von 751 fps; Die tatsächliche Geschwindigkeit variiert jedoch stark je nach gewählter Auflösung und Systemlatenz. In diesen Experimenten lag die tatsächliche Rate bei etwa 500 fps. Die Wiedergabe war am nützlichsten bei 1/100 Geschwindigkeit oder 5 fps (vorausgesetzt, beim Aufnehmen wurden keine Bilder abgebrochen).
   1. Stellen Sie ein telezentrisches Objektiv auf eine lineare Bühne (beweglich entlang der z-Achse) mit einer Brennweite von 45 mm, 55 mm vor dem Objektiv (+z-Richtung, Abbildung 8A). Platzieren Sie einen dichroitischen Filter, der 532 nm Licht reflektiert (siehe Materialtabelle), vor die Linse, wie in Abbildung 8A,B gezeigt.
   2. Verbinden Sie die Kamera per USB mit einem PC mit zugehöriger Bildgebungssoftware (siehe Materialtabelle für Typ und Marke). Siehe Tabelle 2 für die anfänglichen Kameraeinstellungen).
   3. Kippen Sie den dichroischen Filter leicht (5–10 °), bis die Form der parabolischen Falle erscheint (Abbildung 8C,D).
   4. Stellen Sie die Kamera auf eine lineare Bühne (Abbildung 8E) und bewegen Sie das Objektiv zurück, um den Bildfokus zu verfeinern (Abbildung 8F).
   5. Beleuchten Sie den Strahlteiler mit einer Glasfaserlichtquelle (Abbildung 8G).
   6. Stellen Sie das Faserlicht so an, dass es seine Beleuchtung um die parabolische Falle zentriert (ein Beispiel für nicht zentrierte Beleuchtung in Abbildung 8H und in Abbildung 8I mittig).

4. Teilchenladung und -einfangen

1. Mit einem Laborpfannenwender wird eine kleine Menge (~1 g) Partikel in einen 25 mm langen, 12 mm großen Glaszylinder gelegt, der eine Drehung entlang der Zylinderachse ermöglicht (Abbildung 9A).
2. Platzieren Sie den geladenen Glaszylinder zentriert auf 15 mm (d. h. Arbeitsabstand des Objektivs) vom Objektiv entfernt (Abbildung 9B).
3. Drehen Sie den Zylinder (Abbildung 9C), tippen Sie auf den Zylinder und beobachten Sie das Kameradisplay. Während der Benutzer tippt, kann er folgende Zustände beobachten: Standard/keine gefangenen Teilchen (Abbildung 9D), fallende Teilchen (Abbildung 9E) und eingeschlossene Teilchen (Abbildung 9F).

5. Rechengestütztes Tracking mit OpenCV

HINWEIS: Partikelverfolgung und Quantifizierung der Aufbewahrungszeit wurden mit einem benutzerdefinierten, auf OpenCV basierenden Programm (OpenCV Version 4.6.0) durchgeführt, das in C++ entwickelt und in Microsoft Visual Studio 2022 ausgeführt wurde.

1. Installationssoftware
   1. Installieren Sie Visual Studio 2022 Community Edition (sofern der Anwendungsfall des Nutzers es zulässt) https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. Installiere die Desktop-Entwicklung mit C++ Workload.
   2. Laden Sie OpenCV herunter und installieren Sie. https://github.com/opencv/opencv/releases. Beachten Sie beim Installieren das Installationsverzeichnis.
   3. Lade NI VISA herunter und installiere sie. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html Man muss ein Konto erstellen, um es zu installieren. Beachten Sie beim Installieren das Installationsverzeichnis.
   4. Lade Pylon Version 7.5.0.15658 herunter und installiere sie. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. Beachten Sie beim Installieren das Installationsverzeichnis.
2. Softwarekonfiguration
   1. Öffne Visual Studio CE und erstelle ein neues, leeres Projekt.
   2. Füge eine main.cpp Quelldatei hinzu und füge den Code aus Supplementary File 1 ( main.cpp) in die neue Quelldatei ein.
      HINWEIS: Kopieren Sie Code in von Visual Studio erstellte Dateien, anstatt externe Dateien zu importieren, um Konflikte mit der Projektdateistruktur von Visual Studio zu vermeiden.
   3. Gehen Sie zu Projekt > YourProjectNameHere-Eigenschaften.
   4. Ändere die Konfiguration auf Alle Konfigurationen und ändere die Plattform auf x64.
   5. Ändern Sie die Konfigurationseigenschaften > General > C++ LanguageStandard auf ISO C++14 Standard.
   6. Ändern Sie die Konfigurationseigenschaften > C/C++ > General > Additional Include-Verzeichnisse , sodass die OpenCV-Header enthalten sind. In dieser Studie wurden diese in C:\Program Files\opencv\build\include installiert.
   7. Im selben Textfeld "Additional Include Directories " fügen Sie die Pfade zu den normalen Pylon-Headern und den Pylon-Sample-Headern hinzu. In dieser Studie wurden diese jeweils in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include und C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include installiert.
   8. Im selben Textfeld "Additional Include Directories" fügen Sie die normalen Pylon-Header und die Pylon-Sample-Header hinzu. In dieser Studie wurden diese in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include bzw. C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include installiert.
   9. Im selben Textfeld "Zusätzliche Verzeichnisse einschließen " fügen Sie die VISA-Header hinzu. In dieser Studie wurden diese in C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include installiert.
   10. Ändern Sie die Konfigurationseigenschaften > Linker > General > Additional Library Directories , sodass der OpenCV-Lib-Ordner enthalten ist. In dieser Studie wurden diese in C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib installiert.
   11. Im gleichen Textfeld Additional Library Directories fügen Sie den Pylon-Lib-Ordner hinzu. In dieser Studie wurden diese in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64 installiert.
   12. Im gleichen Textfeld Additional Library Directories fügen Sie den VISA-Bibliotheksordner hinzu. In dieser Studie wurden diese in C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\mssc installiert.
   13. Ändern Sie die Konfiguration zum Debuggen und setzen Sie dann Change Configuration Properties > Linker > Input > Additional Dependencies so, dass sie sowohl opencv_world460d.lib als auch visa64.lib enthalten.
   14. Ändern Sie die Konfiguration auf Release, dann setzen Sie Change Configuration Properties > Linker > Input > Additional Dependencies so, dass sie sowohl opencv_world460.lib als auch visa64.lib enthalten.
3. Softwarekalibrierung
   1. Starten Sie Visual Studio 2022 und öffnen Sie das Projekt des Nutzers YourProjectNameHere.sln.
   2. Drück den grünen Lauf-/Spiel-Knopf . Ein Videofeed und ein Terminal erscheinen (Abbildung 10A).
   3. Stellen Sie sicher, dass die grüne Fangparabel sichtbar ist. Falls nicht, passen Sie Strom, Filterung und/oder Ausrichtung nach Bedarf an, bis der Fangbereich sichtbar ist.
   4. Erfassen Sie den Bildschirm, indem Sie zuerst die Windows-Taste + Shift + S drücken und dann den Mauszeiger von oben links in die untere rechte Ecke des Videofeeds ziehen (Abbildung 10B). Das Screencapture-Tool generiert ein Pop-up. Klicken Sie auf dieses Pop-up, um den Screenshot-Editor zu öffnen. In diesem Editor gibt es einen Button zum Bearbeiten in MS Paint. Klicken Sie auf den Button "Bearbeiten in MS Paint ".
   5. Platziere den Cursor in die obere linke Ecke der im MS Paint-Fenster gezeigten Parabel. Notieren Sie die unten links im MS Paint-Fenster angezeigten Koordinaten (Abbildung 10C). Koordinaten werden als (xmin, ymin) bezeichnet.
   6. Platziere den Cursor in die untere rechte Ecke der Parabel. Notieren Sie die unten links im MS Paint-Fenster angezeigten Koordinaten. Koordinaten werden als (xmax, ymax) bezeichnet.
   7. Schließen Sie den Videofeed, indem Sie die Escape-Taste drücken.
   8. Geben Sie xmin, xmax und ymin, ymax in Zeile 280 in der is_trapped() -Funktion von main.cpp innerhalb des Projekts des Benutzers ein: z. B. Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      HINWEIS: Die erste Range-Funktion nimmt xmin und xmax als Parameter, während die zweite Range-Funktion ymin und ymax ist. Dies bestimmt das Detektionsfenster für die Partikeldetektion (Abbildung 10D).
4. Frequenzauswahl
   1. Starte Visual Studio 2022 und öffne das Projekt des Nutzers, YourProjectNameHere.sln falls nicht schon geöffnet.
   2. Öffnen Sie PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) oder die Eingabeaufforderung.
      Ausführen: python -c "import random; druck(random.sample(range(0,101),101))"
      Kopiere die generierte Liste der Testnummern.
      HINWEIS: Jede erzeugte Zahl repräsentiert eine Frequenz. Die mathematische Abbildung von Zahl zu Frequenz ist:
      f(n) = 100 • 10^0,03n Hz
      Domäne: n∈{0,1,...,100}
      Umfang: f(0) = 100 Hz bis f(100) = 100.000 Hz (100 kHz)
      Die Stufen sind im Protokollabstand verteilt. Dieses Skript ist als Ergänzungsdatei 2 beigefügt, numbershuffler.py zur Bequemlichkeit des Lesers.
   3. Bearbeite Zeile 443 von main.cpp, indem du die generierte Liste der Zahlen in die Testzahlenfolge kopierst: z. B.
      vector 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, 97, 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. Rettet das Projekt.
5. Durchführung eines Experiments
   1. Bereite den Laser vor. Lassen Sie den Laser bei Bedarf seine Aufwärmroutine abschließen. Öffne den Laserverschluss und erhöhe die Leistung auf Zielniveau. Dies waren in diesem Fall etwa 8 W.
   2. Öffne YourProjectNameHere.sln in Visual Studio.
   3. Stelle sicher, dass die Kamera per USB mit dem PC verbunden ist.
   4. Stelle sicher, dass das AWG per USB mit dem PC verbunden ist.
      HINWEIS: Für das AWG, das in der Materialtabelle aufgeführt ist, ist der korrekte USB-Anschluss für die VISA-Steuerung der USB-B-Anschluss am hinteren Rand des Instruments (Abbildung 11A).
   5. Stellen Sie sicher, dass Verstärker an AOMs terminiert werden. Schalte die VCO-Stromversorgung ein.
   6. Schalte die Weißlichtlampe ein und stelle sie so ein, dass die Parabel gleichmäßig beleuchtet wird.
      HINWEIS: Der Code erkennt dunkle Partikelschatten, markiert erfolgreiche Fallen und zeitschätzt deren Dauer. Die Ergebnisse werden automatisch in eine Textdatei exportiert.
   7. Drücke in Visual Studio den Run/Play-Button , um das Projekt zu starten. Ein Video-Feed wird angezeigt.
      HINWEIS: Wenn das Programm abstürzt, versuchen Sie, zwischen Debug- und Release-Konfigurationen zu wechseln (siehe Microsoft-Leitlinien: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. Stellen Sie die Neigung des Notch-Filters ein, bis der Laser bei voller Leistung (≈8 W) kaum noch sichtbar ist.
   9. Klopfen Sie auf das Glasrohr und beobachten Sie die Zufuhr, während die Partikel fallen. Im Fall von kohlenstoffbeschichteten Glas-Mikrosphärenpartikeln erscheinen die Partikel als schwarze Kreise, die schnell im Sichtfeld der Kamera fallen. Weiter tippen. Das Programm beginnt an der ersten Frequenz der angegebenen Frequenzfolge. Sobald er 10 Fallenereignisse beliebiger Zeitlänge erfasst hat (einschließlich Teilchen, die lediglich durch die Detektionszone gehen), wird er zur nächsten Frequenz der Sequenz übergehen. Wenn die Anzahl der beim Tappen fallenden Teilchen abnimmt, drehen Sie das Glasrohr um 180° und setzen Sie das Tappen fort. Wenn alle Frequenzen getestet wurden, beendet das Programm und der Benutzer kann das Tappen aufhören.
6. Datenvisualisierung
   1. Öffnen Sie die results.txt-Datei (Supplementary File 3) in einem Texteditor. In dieser Studie befand sich die Datei unter C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt. Jedes Mal, wenn das Programm ausgeführt wird, erscheinen neue Ergebnisse unter der Überschrift "Start eines neuen Batches von Ergebnissen." im Format Ergebnis: .
   2. Verwenden Sie Find und Ersetzen , um alle Instanzen von "result:" durch ein Komma (,) zu ersetzen. Lösche alle Daten, die nicht mit dem aktuellen Run zusammenhängen. Nutze Save As, um die bereinigte Datei als results.csv zu speichern.
   3. Öffne results.csv in einer Tabelle. Kopieren Sie die Testnummern und Trap-Zeiten aus der .csv-Datei in die Tabelle example.xlsx (Supplementary File 4). Füge die Testzahlen in die erste Spalte ein. Die zweite Spalte wird automatisch mit der entsprechenden Schreibfrequenz in Hz gefüllt, berechnet aus den Testzahlen. Fügen Sie die Trap-Zeitdaten in die dritte Spalte ein. Zusätzliche Spalten werden automatisch durch Anwendung von Filtern wie Minimal-Zeit-Filtern ausgefüllt. Ein Streudiagramm-Diagramm wird dann angezeigt und zeigt Datenpunkte, die Fallenzeiten versus Fallenziehfrequenz darstellen (Abbildung 11B).
      HINWEIS: Die STL-Datei für den 3D-druckbaren AOM-Halter, der zur Montage von AOM₁ verwendet wird, ist in Ergänzungsmappe 5 dargestellt.

Ergebnisse

Ergebnisse für kohlenstoffbeschichtete Mikrosphären

Kohlenstoffbeschichtete Mikrosphären bieten die visuell praktischsten Partikel zum Einfangen der beiden in diesem Artikel behandelten Partikeltypen (d. h. kohlenstoffbeschichtete Mikrosphären und massive Goldpartikel). Kohlenstoffbeschichtete Mikrosphären erzeugen dunkle Schatten im Gegenlicht, wie in Abbildung 9E,F gezeigt.  Das macht sie ideal,...

Diskussion

Die erfolgreiche Umsetzung dieser Fangtechnik basiert auf einer präzisen Modulation der AOM-Frequenzen und der korrekten Ausrichtung der optischen Komponenten. Einer der wichtigsten Schritte ist die Sicherstellung, dass der abtastende Laserstrahl ein gut geformtes parabolisches Potential erzeugt.  Während kürzere Brennweiten und größere numerische Öffnungen im Allgemeinen die Fangsteifigkeit und -einschlussfähigkeit verbessern, überwog die Bequemlichkeit eines langen Arbeitsdistanzobjekt...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	Zum Abbilden eingeschlossener Partikel; telezentrisches Objektiv; in Abbildung 3 als 'i' gekennzeichnet
50,8 mm (2 Zoll) N-BK7 A beschichtetes Plano-Konvex-Linse	Thorlabs	LA1050-A	Zur Strahlenkollimierung und Überlagerung (Besprechung der Ausrichtung); Relaisoptik; in Abbildung 3 als 'b' gekennzeichnet
5x Langstrecken-LM-Plan-Achromatisches Metallurgisches Mikroskopobjektiv mit Arbeitsabstand 15,5 mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	Fourier-Transformationen des AOM-Ausgangs; Objektiv; in Abbildung 3 als 'g' gekennzeichnet
AmScope Leistungsstarker 6-Watt-LED-Doppel-Ganshals-Illuminator	Amscope	LED-6W	Zur Verbesserung des Bildkontrasts verwendet; Weißlichtquelle; in Abbildung 3 als 'f' gekennzeichnet
AO-Deflektor, Teilenummer 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Akusto-optische Modulatoren (AOM), y-Richtungsscan; Y-AOM; in Abbildung 3 als 'a' gekennzeichnet
AO-Deflektor, Teilenummer 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM zum Strahlenscannen in x-Richtung; X-AOM; in Abbildung 3 als 'c' gekennzeichnet
Basler ace acA640-750uc USB3, Farbe	Edmund Optics	33975	Zum Erkennen von Partikeln verwendet; Kamera; in Abbildung 3 als 'j' gekennzeichnet
Computer mit Windows 11	Dell	n/a	Ausgestattet mit Datenerfassungs- und Bildgebungssoftware
CW-Laser (532 nm, bis zu 10 W)	Coherent	Verdi V10	Beleuchtungslaser; Laserquelle
Einweg-Kulturröhrchen	Fisher	14-961-26	rotierende Kammer für Partikel; Partikelkammer; in Abbildung 3 als 'h' gekennzeichnet
Glaskammer 20 mm Länge 12 mm Durchmesser Borosilikatglas-Kulturröhrchen geschnitten	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, zur Luftstromstabilisierung verwendet
Glasmikrosphären 40-60 µm mittlerer Durchmesser, 3M K1 'Blasen'	Kremer	#59910	Zum vergleichenden Testen verwendet
Goldpartikel (1,16 µm mittlerer Durchmesser)	ASI	162-0010	Vollgoldpartikel
Modellnummer TB-17	Minicircuits	15542	Zum Verstärken des Signals an AOMs verwendet; HF-Verstärker; in Abbildung 3 als 'm' gekennzeichnet
Montierte Standardblende, Ø25,0 mm Max. Öffnung, TR3-Post	Thorlabs	ID25	Zum räumlichen Filtern der beugten Ordnungen verwendet; Blende; in Abbildung 3 als 'd' gekennzeichnet
Ø1" 50:50 UVFS Platten-Beamsplitter, Beschichtung: 350 - 1100 nm, t = 5,0 mm	Thorlabs	BSW26	Zum Einführen von weißem Licht entlang der optischen Achse zum Hintergrundlichten von Partikeln verwendet; Beamsplitter; in Abbildung 3 als 'e' gekennzeichnet
Rigol DG4202, 2-Kanal-Wellenformgenerator mit 200 MHz Sinuswelle und 60 MHz Quadratwellenkappen, 500 MSa/sec Abtastrate, 16 kPt beliebige Speicherlänge, 7 Zoll Anzeige und USB- und Ethernet-(LXI)-Schnittstellen.	TestEquity	DG4202	Rigol DG4202, zur Steuerung von AOM verwendet; Willkürlicher Wellenformgenerator; in Abbildung 3 als 'k' gekennzeichnet
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	Zur Frequenzeinstellung von AOM verwendet; Spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs); in Abbildung 3 als 'l' gekennzeichnet