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

Unsere Arbeit beschreibt den Bau und Betrieb einer umkonfigurierbaren, bootförmigen optischen Falle zum Einfangen und Manipulieren von Teilchen in der Luft. Bestehende Fangmethoden kompromissen zwischen Fanglokalisierung und Fangfläche. Dieses Protokoll führt eine Bootsfalle ein, wobei beides gleichzeitig erreicht wird.

Dieses Protokoll kann in Standardlaborumgebungen unter Umgebungsbedingungen unter Einhaltung der Klasse-4-Lasersicherheitsprotokolle angewendet werden. Nach der Vorbereitung der kohlenstoffbeschichteten Glasmikroskopen wurde das optische System mit einem kinematischen Strahlheber und einem Lineal eingerichtet, um die Strahlenhöhe auf 23 Zentimeter einzustellen. Reduziere die Laserleistung auf weniger als 50 Milliwatt.

Verwenden Sie einen Polarisationssensor, um festzustellen, ob die Polarisation vertikal ausgerichtet ist. Stellen Sie das Mikroskop so ein, dass die Strahlengröße in die negative Z-Richtung zeigt, in einer Entfernung von mehr als 100 Zentimetern vom Ausgang des Strahlelevators. Platziere eine Fourier-Transformationslinse 10 Zentimeter in negative Z-Richtung, wobei die konvexe Fläche in positive Z-Richtung zeigt.

Dann werden die verbleibenden drei Fourier-Transformationslinsen 20 Zentimeter auseinander mit abwechselnden Konvexitäten platziert. Positioniere die akusto-optischen Modulatoren 10 Zentimeter in der negativen Z-Richtung von den Linsen, die dem Laser am nächsten und dritt am nächsten sind. Stellen Sie sicher, dass der akusto-optische Modulator, der dem Laser am nächsten ist, vertikal ausgerichtet ist.

Positioniere den akusto-optischen Modulator zwei 10 Zentimeter von der Linse entfernt, die dem Laser am nächsten ist. Richten Sie sie horizontal aus und drehen Sie sie etwa zwei Grad von der optischen Achse weg. Für jeden Kanal des beliebigen Wellenformgenerators werden ein spannungsgesteuerter Oszillator, ein Verstärker und ein akusto-optischer Modulator angeschlossen.

Dann werden die Verstärker an die akusto-optischen Modulatoren angeschlossen. Mit dem beliebigen Wellenformgenerator wird die an beide spannungsgesteuerte Oszillatoren gelieferte Spannung auf fünf Volt eingestellt, was einer Frequenz von 100 Megahertz entspricht. Dann verringern Sie die Neigung des akusto-optischen Modulators um zwei auf null.

Erhöhen Sie den Winkel allmählich, bis der Strahl erster Ordnung seine maximale Helligkeit erreicht. Richten Sie beide Strahlen aus, die den ersten akusto-optischen Modulator verlassen, um in den zweiten Modulator einzutreten. Von den vier Strahlen, die den zweiten akusto-optischen Modulator verlassen, lassen nur der obere rechte Strahl durch die Apertur passieren.

Setzen Sie anschließend einen Strahlteiler, um einen Teil des Strahls auf eine Beobachtungsfläche zu lenken. Wenn die Amplituden des beliebigen Wellenformgenerators auf null gesetzt sind, beobachten Sie, wie der resultierende Strahl an der Beobachtungsfläche als Punkt erscheint. Stellen Sie den vertikalen Kanal auf fünf Volt, die Amplitude auf drei Volt und die Frequenz auf vier Kilohertz ein.

Beobachten Sie, wie der Strahl an der Beobachtungsfläche eine vertikale Linie bildet. Dann stellen Sie den horizontalen Kanalversatz auf fünf Volt, die Amplitude auf drei Volt und die Frequenz auf vier Kilohertz ein. Der Strahl sollte an der Beobachtungsfläche eine diagonale Linie bilden.

Stellen Sie den vertikalen Kanal auf acht Kilohertz und eine 90-Grad-Phasenverschiebung ein, was zu einem Lissajos-Muster auf der Beobachtungsfläche führt. Dann drückt man die Tasten 'Phase ausrichten', um das Lissajos-Muster in eine parabolische Form umzuwandeln. Stellen Sie den vertikalen Kanal-Phasenoffset an, um die parabolische Form zu verfeinern, und beobachten Sie das verfeinerte parabolische Muster an der Beobachtungsfläche.

Stellen Sie ein telezentrisches Objektiv mit 45 Millimeter Brennweite auf eine lineare Bühne und positionieren Sie es 55 Millimeter vor dem Objektiv in der positiven Z-Richtung. Dann platzieren Sie einen dichroitischen Filter, der 532 Nanometer Licht reflektiert, vor die Linse. Verbinden Sie die Kamera mit einem Personal Computer über ein Universal Serial Bus-Kabel und die zugehörige Bildgebungssoftware.

Dann kippen Sie den dichroischen Filter leicht zwischen fünf und zehn Grad, bis die Form der parabolischen Falle erscheint. Beleuchten Sie den Strahlteiler mit einer Glasfaserlichtquelle und stellen Sie das Glasfaserlicht so ein, dass es um die parabolische Falle zentriert. Mit einem Laborpfannenwender wird etwa ein Gramm Partikel in einen 25 Millimeter langen Glaszylinder mit 12 Millimeter Durchmesser gelegt, der eine Rotation entlang der Zylinderachse ermöglicht.

Platzieren Sie den geladenen Glaszylinder zentriert 15 Millimeter vom Objektiv entfernt, entsprechend dem Arbeitsabstand des Objektivs. Nach dem Drehen und Anklopfen des Zylinders beobachten Sie die Kameraanzeige, die standardmäßig oder keine gefangenen Partikel, fallende Partikel und eingeschlossene Partikel zeigt. Nachdem Sie die Software installiert und konfiguriert haben, starten Sie Visual Studio 2022 und öffnen Sie die Projektdatei.

Drücken Sie die grüne Lauf-Taste, um das Programm zu starten. Beobachten Sie, wie der Videofeed und das Terminal auf dem Bildschirm erscheinen. Stellen Sie sicher, dass die grüne Fangparabel im Videofeed sichtbar ist.

Wenn sie nicht sichtbar ist, passen Sie Strom, Filterung oder Ausrichtung an, bis der Fangbereich erscheint. Drücken Sie gleichzeitig die Windows-, Shift- und S-Taste, um den Bildschirm zu erfassen. Klicken und ziehen Sie den Mauszeiger von oben links in die untere rechte Ecke des Videofeeds.

Klicken Sie auf das Pop-up, um den Screenshot-Editor zu öffnen. Klicken Sie im Editor auf die Schaltfläche "In MS Paint bearbeiten". Dann platziere den Cursor in die obere linke Ecke der Parabel im MS Paint-Fenster.

Notieren Sie die unten links angezeigten Koordinaten als Minimum X und Minimum Y. Dann platziere den Cursor in die untere rechte Ecke der Parabel im MS Paint-Fenster. Notieren Sie die unten links angezeigten Koordinaten als Maximum X und Maximum Y.

Sobald du fertig bist, schließe du den Videofeed, indem du die Escape-Taste drückst. Geben Sie X Minimum, X Maximum, Y Minimum und Y Maximum auf Zeile 280 in der is_trapped Funktion von Main ein. CPP innerhalb des Projekts.

Für die Testfrequenz-Randomisierung starte Visual Studio 2022 und öffne die Projektdatei, falls sie noch nicht geöffnet ist. Öffne Windows PowerShell oder die Eingabeaufforderung. Führe den Befehl pythonc import random aus und drucke eine Zufallsstichprobe vom Bereich null bis 101.

Dann kopiere die generierte Liste der Testnummern. Bearbeitung: Zeile 443 der Hauptleitung. CPP, indem Sie die generierte Liste in die Testnummernfolge einfügen und das Projekt in Visual Studio 2022 speichern.

Erhöhe die Laserleistung auf das für das Experiment benötigte Niveau. Führe das Experiment durch, indem du auf die grüne Lauftaste klickst und das Röhrchen mit den Partikeln antippst und rotierst. Nachdem das Experiment abgeschlossen ist, öffnen Sie die Ergebnisse.

txt-Datei in einem Texteditor. Beachten Sie, dass jedes ausgeführte Programm neue Ergebnisse unter der Überschrift Start einer neuen Batch von Ergebnissen generiert, im Format, Testnummer, Ergebnis, gefolgt von Trap-Zeit in Nanosekunden. Für die Datenvisualisierung kopieren Sie die Testzahlen und Trap-Zeiten aus der Comma-Separated Values-Datei in example.xlsx.

Nach Anwendung der erforderlichen Filter beobachten Sie die zusätzlichen Spalten und ein Streudiagramm, das mit Trap-Zeit versus Trap-Draw-Frequenz gefüllt ist. Kohlenstoffbeschichtete Mikrosphären erzeugen dunkle Schatten im Gegenlicht. Glasmikroskopen, Teilchen mit Abmessungen im Bereich von 100 Mikrometern, setzten sich ungefähr am Boden der parabolischen Falle ab.

Wenn ein Teilchen erfolgreich eingeschlossen wurde, zeigte die automatische Partikelerkennungssoftware ein rotes T an. Wenn kein eingeschlossenes Teilchen gefunden wurde, zeigte die Software ein grünes N an. Die Einfangraten und Lebensdauern können sich abhängig von Umweltvariablen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit erhöhen oder verringern. Feste Goldpartikel im Bereich eines Mikrometers waren entlang der optischen Achse nicht beobachtbar, aber ihre Lichtstreuung wurde orthogonal zur Achse beobachtet. Videoaufnahmen bestätigten, dass Teilchen ihre Position über längere Zeiträume von mehr als mehreren Minuten beibehalten haben.

Dieses Protokoll ermöglicht es einem Forscher, eine Bootsfalle zu zeichnen und schnell zu modifizieren, um eine Vielzahl von Partikeln in der Luft einzufangen und zu bewegen. Zukünftige Studien können die Field Programmable Gate Array-Steuerung integrieren, um programmierbare Manipulationen von Fallfallform, Gewichtung und Querschnittsposition innerhalb einer 2D-Ebene zu ermöglichen.