Atrapar ópticamente grandes partículas metálicas en el aire usando una trampa tipo 'barco' con paredes laterales estiradas directamente

Resumen

Este artículo describe el método experimental para lograr un atrapamiento estable y de larga duración y una posición precisa de grandes partículas metálicas en el aire mediante una trampa fotoforética dinámica con forma de barco. Este sistema permite una manipulación controlada adecuada para estudios de interacción plasmónica.

Resumen

Presentamos un método para lograr un atrapamiento óptico estable de partículas metálicas grandes (partículas de oro macizo de diámetro medio de >1,16 μm y microesferas recubiertas de conductor de >100 μm) utilizando un haz enfocado, escaneado por moduladores acusto-ópticos para dibujar directamente una sección transversal de trampa parabólica en el aire.  El resultado de esta acción de estirado es la formación de una trampa de 'barco', abierta en la parte superior, capaz de atrapar, cargar y mantener de forma estable grandes partículas metálicas sin saltar.  Un láser de onda continua de alta potencia de 532 nm es escaneado en ambas direcciones x y y, formando una distribución de intensidad en forma de barco optimizada para atrapar microesferas. La duración de la trampa se maximiza mediante una selección cuidadosa de la frecuencia de extracción para que sea lo suficientemente rápida como para parecer continua en relación con la dinámica de partículas, pero lo suficientemente lenta para evitar la distorsión de la trampa. Este protocolo describe la configuración experimental, incluyendo la modulación láser, técnicas de introducción de partículas y validación. Las microesferas recubiertas de carbono se utilizan principalmente para visualizar y validar la formación y estabilidad de las trampas, mientras que las nanopartículas de oro macizo sirven como objetivo para estudios de interacción plasmónica. Este método permite dibujar cualquiera de varias secciones eficaces bajo orden, en tiempo real, para proporcionar un enfoque robusto y flexible para capturar, cargar y trasladar partículas en el aire a largo de largas escalas de tiempo, con aplicaciones potenciales en la mejora plasmónica de sistemas ópticos levitados.

Introducción

Este trabajo presenta un método para la captura, colocación y manipulación precisa de grandes partículas metálicas en el aire utilizando una trampa para barcos generada dinámicamente. Los enfoques previos —como los que emplean haces Gaussiano¹ de enfoque débil, trampas de^{aberración 2}, campos^{moteados 3,4,5} o haces de vórtice ^6,7— presentan limitaciones clave, incluyendo el movimiento^{rotacional 1}, múltiples loci estables de atrapamiento ^2,3,4,5 o la ausencia de un único sitio de trampa bien^{definido 6}.⁷, lo que, en algunas geometrías, puede llevar a saltos entre múltiples loci estables de^{trampa 3,7} (véase Figura 1A).  Una excepción notable es la trampa axicon dirigida hacia arriba, que proporciona un único locus de trampa, soporta la carga superior y—al menos teóricamente—permite la traducción^{lateral 8}. El método descrito aquí conserva esas ventajas mientras introduce tres mejoras críticas: (1) atrapamiento robusto de partículas metálicas, (2) una geometría horizontal del haz y (3) reconfigurabilidad en tiempo real del potencial de atrapamiento mediante paredes ópticas dibujadas directamente.

Hasta la fecha, los enfoques para atrapar partículas de oro se han realizado típicamente en agua ^9,10,11, pueden tener características de trampa que otorgan movimiento^{rotacional 12}, o emplear haces contrapropagantes que inhiben la traducción flexible de una partícula¹³ atrapada. Para superar estos desafíos con partículas de oro macizo con diámetros superiores a 1 μm, se emplea una trampa fotoforética dinámicamente modulada tipo 'barco'.

Este método es aplicable a una amplia variedad de tamaños y tipos de partículas, desde cúmulos de nanosferas de carbono de 20 nm hasta microesferas de vidrio recubierto de 100 μm. Es eficaz tanto en ambientes abiertos como cerrados de presión parcial. La técnica puede funcionar a potencias de hasta varias decenas de vatios.  Como las trampas se distribuyen como líneas en lugar de puntos, con la potencia óptica distribuida en grandes áreas, la implementación práctica es más eficaz a potencias superiores a 1 W.

El mecanismo de atrapamiento se basa en la fotoforesis positiva, que surge del calentamiento asimétrico de la partícula por el haz láser. Cuando se ilumina una partícula metálica absorbente, el lado más caliente emite moléculas de gas con mayor momento que el lado más frío, lo que resulta en una fuerza neta que empuja la partícula lejos de la luz. Esta fuerza fotoforética puede expresarse como:

donde C es un coeficiente que depende de la geometría de la partícula, las propiedades del gas y el coeficiente de acomodación térmica, y ∇T es el gradiente de temperatura a lo largo de la superficie de la partícula. En este sistema, esta fuerza se dirige hacia arriba en la trampa y contrarresta la gravedad, permitiendo una levitación estable. Una derivación más detallada de la fuerza fotoforética—incluyendo tanto la presión radiométrica como los efectos de fluencia térmica—se proporciona en Mirzaei-Ghormish et ^al.14.

La trampa para barcos utiliza un generador de forma de onda arbitraria (AWG) para controlar moduladores acusto-ópticos (AOMs) y formar una pared óptica de alta intensidad creada mediante el escaneo de un haz láser de onda continua enfocada (CW) para generar un potencial de atrapamiento parabólico^{estable 14} (véase Figura 1B).  Este enfoque permite un control preciso de la forma de la trampa, permitiendo que las partículas queden atrapadas, se mantengan quietas y expongan en una sola superficie—requisitos clave para aplicaciones como acercar nanodiamantes a partículas plasmónicas de oro de dimensión superior a 1 μm para el aumento Purcell de fluorescencia^{de nanodiamantes 11}

Protocolo

Esta sección describe la preparación de las partículas y la construcción del montaje óptico. Ten en cuenta que esta configuración difiere de los enfoques de moldeado de vórtice, difractización y otros enfoques de modelado de frente de onda, que resultan en una morfología de trampa única (véase Gong et al. para una revisión de las trampas de moldeado de frente^{de onda 8}). En este montaje, al escanear una primitiva puntual enfocada, se pueden crear muchas secciones transversales de trampas. Por lo tanto, aunque este trabajo enfatiza la morfología de las trampas para barcos, ten en cuenta que la configuración descrita es lo suficientemente flexible como para crear muchas otras geometrías de trampas que se tratarán en trabajos futuros.

1. Preparación de partículas

1. Microesferas de vidrio recubiertas de carbono (usadas para visualización, Figura 2)
   1. Transfiere 3 mL de microesferas a una pequeña placa de cristalización limpia (Figura 2A, izquierda) usando una espátula limpia. Realiza este paso en una campana extractora para evitar la dispersión masiva de partículas finas de vidrio.
      NOTA: La campana extractora mantuvo presión negativa, aspirando aire hacia dentro con una velocidad media de cara de 101 ft·^min-1.
   2. Cubre el plato con una tapa o un cristal de reloj y transfiere a un sistema de evaporación con varilla de carbono (Figura 2B).
   3. Ajusta la rutina de evaporación a 3 pulsos a 73 A de corriente de pulso, 3 s de duración de pulso y 10 s de intervalo de pulsos (véase la Tabla 1).
   4. Quita la tapa. Inserta el plato de partículas. Ejecuta el programa de recubrimiento. Cambia la tapa. Quita el plato.
   5. Agita el plato agitando las partículas con suficiente fuerza para aleatorizar las posiciones de las partículas (Figura 2C). Quita la tapa y vuelve a colocar el plato en el recubridor. Repite 10 veces.
      NOTA: Tras el recubrimiento, las partículas se parecerán a las de la Figura 2A, en el lado derecho. Cabe señalar también que el tamaño resultante de la microesfera recubierta de carbono es prácticamente inalterado, ya que el recubrimiento de 20 nm es pequeño en comparación con el diámetro medio de una microesfera recubierta de carbono, que puede superar los 60 μm.
   6. Cubre las partículas resultantes con un reloj o película y mantenlas en un entorno con control de humedad.
      NOTA: Todo el trabajo de recubrimiento y experimento se realizó en un entorno mantenido en condiciones de laboratorio interior, con una temperatura de 21-25 °C (70-75 °F) y una humedad relativa del 20-45%.
2. Partículas de oro macizo (utilizadas en experimentos plasmónicos)
   1. Las partículas de oro macizo se venden secas con diámetros medios de 1 μm (véase la Figura 2D y la Tabla de Materiales). Cuando esté listo para usar, transfiere las partículas secas a la cámara giratoria de partículas de vidrio (Figura 2E).

2. Configuración del sistema óptico

NOTA: La configuración óptica se muestra en la Figura 3. La lista completa de componentes ópticos y eléctricos necesarios para completar la instalación se proporciona en la Tabla de Materiales. En este montaje, cuatro objetivos idénticos crean dos relés 4F en cascada que emiten AOM₁ en AOM₂. AOM₁ desvía el haz verticalmente, AOM₂ lo desvía horizontalmente y, dado que las distancias focales son iguales, el plano conjugado de AOM₁ coincide con AOM₂.

1. Fuente láser y alineación inicial del haz
   1. Sobre una mesa óptica, coloque una fuente láser capaz de potenciar desde <5 mW hasta >5 W de luz de 532 nm.
      NOTA: El láser fuente utilizado en estos experimentos era capaz de atrapar potencias superiores a 10 W. En la salida del láser y antes de entrar en AOM¹, el haz se colima con un diámetro de aproximadamente 1,3 mm (1/e² de ancho de intensidad), medido mediante un perfilador de haz. Se eligió una fuente de 532 nm porque está disponible en altas potencias, con buena calidad de haz y tiene buena absorción plasmónica para las partículas objetivo.
   2. Reduce la potencia del láser a <5 mW. Utiliza un polarizador para determinar si la polarización está orientada verticalmente. Si no lo es, gira el láser o inserta y gira una placa de media onda de alta potencia para asegurar la orientación de polarización vertical. Utiliza un elevador de haz cinemático (Figura 4A, lado derecho) y una regla para ajustar la altura del haz a 23 ± 0,5 cm (esta altura es arbitraria pero ha demostrado ser conveniente). Mide la altura del haz a 10 cm del elevador y a 40 cm. Asegúrate de que ambas medidas den una altura de 23 cm.
      NOTA: El OMA opera mediante una interacción acousto-óptica birrefringente en modo de cizalladura lenta en dióxido de telurio (TeO₂), lo que requiere que el haz de entrada esté polarizado horizontalmente. El haz difractado emerge con polarización vertical debido a la naturaleza birrefringente de la interacción. Dado que el primer AOM está rotado físicamente 90° respecto al sistema de coordenadas global, el haz de entrada debe estar polarizado verticalmente en coordenadas globales para alinearse con el eje horizontal interno de polarización del AOM.
2. Colocación del objetivo y de la lente de relé
   1. Ajusta el microscopio a la altura del haz, orientado en la dirección -z, a una distancia superior a 100 cm de la salida del elevador de haz (Figura 4A,B).
   2. Coloque una lente de transformada de Fourier a 10 cm en la dirección -z con una superficie convexa orientada en la dirección +z (Figura 4C,D).
   3. Coloca las tres lentes restantes de transformada de Fourier separadas por 20 cm con convexidades alternas como se muestra en la Figura 4E.
3. Configuración AOM
   1. Posiciona las AOMs a 10 cm en la dirección -z de las lentes más cercanas y alejadas del láser, como se muestra en la Figura 5,B.
   2. Asegúrate de que AOM₁ (el AOM más cercano al láser) esté orientado verticalmente.
      NOTA: En esta instancia, se creó un soporte personalizado impreso en 3D para este propósito. Gira AOM₁ aproximadamente 2° hacia el eje óptico como se muestra (Figura 5A).
   3. Coloca AOM₂ a 10 cm de la lente más alejada del láser. Este AOM estará orientado horizontalmente (Figura 5B). Gira AOM₂ aproximadamente 2° alejándose del eje óptico como se muestra (Figura 5B).
   4. Enciende el láser a baja potencia (por ejemplo, <5 mW).
   5. Para cada canal del AWG, conecta un oscilador controlado por voltaje (VCO), un amplificador y un AOM (Figura 5C). Primero, conecta los amplificadores a los AOM como se muestra en la Figura 5D, E.
      NOTA: Es importante asegurarse de que los amplificadores estén conectados a una carga antes de encenderlos. Tanto los amplificadores como los VCO reciben 12 V de corriente continua y pueden conectarse a una fuente común de 12 V con clips banana, como se muestra en la Figura 5F.
4. Optimización AOM
   1. Coloque una apertura en el sistema como se muestra en la Figura 6A.
   2. Usando el AWG, ajusta la señal de radiofrecuencia a ambos AOMs a un valor de 175 MHz (~5 V en el VCO).
      NOTA: Ahora habrá dos haces después de AOM¹ y cuatro haces después de AOM² (véase la Figura 6B).
   3. Reduce el ángulo de inclinación de_{AOM 1} a cero. Aumenta gradualmente el ángulo hasta que el haz de primer orden (el haz de paso superior derecho que aparece al mirar en la dirección -z como se muestra en la Figura 6C) esté en su punto más brillante. El AOM habrá vuelto aproximadamente al ángulo de inclinación original de 2°.
   4. Reduce la inclinación de_{AOM 2} a cero. Aumenta gradualmente el ángulo hasta que el haz de primer orden esté en su punto más brillante. El AOM habrá vuelto aproximadamente al ángulo de inclinación original de 2°.
      NOTA: La eficiencia media de difracción (cuando se acciona a 1 W de potencia eléctrica) era aproximadamente del 70% para cada AOM. La eficiencia óptica total del sistema era aproximadamente del 30%.
   5. Asegúrate de que ambos haces que salen del primer AOM entren en el segundo. Asegúrate de que, de los cuatro haces que entran en la segunda AOM, el haz superior derecho se elija para pasar por una abertura.
      NOTA: La apertura debe ser lo suficientemente pequeña para obstruir los 'haces de bloqueo' y permitir que el 'haz de paso' avance incluso cuando es desviado por la OM (Figura 6C,D).
   6. Coloque un divisor de haz como se muestra en la Figura 6E para dirigir una porción del haz hacia una superficie de observación (Figura 6E,F).
5. Control AWG
   1. Con las amplitudes AWG ajustadas a cero (o las salidas AWG a 'apagadas'), el haz resultante en la superficie de observación se verá como un punto (Figura 7A,B).
   2. Ajusta el desfasamiento vertical a 3 V, la amplitud a 5 V y la frecuencia a 4 kHz para ver una línea vertical (Figura 7C,D).
   3. Ajusta el desfasamiento del canal horizontal a 3 V, la amplitud a 5 V y la frecuencia a 4 kHz para ver una línea diagonal (Figura 7E,F).
   4. Ajusta la frecuencia vertical del canal a 8 kHz y desplaza la fase a 90° para ver un patrón de Lissajous (Figura 7G,H).
   5. Pulsa el botón de alinear fase para convertir el patrón de Lissajous en una forma parabólica (Figura 7I,J).
   6. Ajusta el desfase de fase vertical del canal para refinar la forma parabólica (Figura 7K,L).

3. Configuración del sistema de imagen

NOTA: El sistema de imagen permite la visualización axial (es decir, 'frontal'), con iluminación trasera de partículas y el perfil de la trampa.

1. Cámara, filtro e interfaz
   NOTA: La cámara tiene una velocidad máxima nominal de 751 fps; Sin embargo, la tasa real varía drásticamente según la resolución y la latencia del sistema elegidas. En estos experimentos, la tasa real era de aproximadamente 500 fps. La reproducción era más útil a 1/100 de velocidad o 5 fps (suponiendo que no se perdiera fotogramas en la captura).
   1. Colocar una lente telecéntrica sobre un escenario lineal (móvil a lo largo del eje z) con una distancia focal de 45 mm, 55 mm delante del objetivo (+dirección z, Figura 8A). Coloque un filtro dicroico diseñado para reflejar luz de 532 nm (véase Tabla de Materiales) delante de la lente, como se muestra en la Figura 8A,B.
   2. Conecta la cámara por USB a un PC con el software de imagen asociado (véase la Tabla de Materiales para tipo y marca). Consulta la Tabla 2 para los ajustes iniciales de la cámara).
   3. Inclina ligeramente el filtro dicróico (5-10 °) hasta que aparezca la forma de trampa parabólica (Figura 8C,D).
   4. Coloca la cámara en un escenario lineal (Figura 8E) y mueve el objetivo hacia atrás para refinar el enfoque de la imagen (Figura 8F).
   5. Ilumina el divisor de haz con una fuente de luz de fibra (Figura 8G).
   6. Ajusta la luz de fibra para centrar su iluminación alrededor de la trampa parabólica (un ejemplo de iluminación descentrada en la Figura 8H, y centrada en la Figura 8I).

4. Carga y atrapamiento de partículas

1. Utilizando una espátula de laboratorio, coloque una pequeña cantidad (~1 g) de partículas dentro de un cilindro de vidrio de 25 mm de largo y 12 mm de diámetro montado para permitir la rotación a lo largo del eje del cilindro (Figura 9A).
2. Coloque el cilindro de vidrio cargado centrado a 15 mm (es decir, distancia de trabajo del objetivo) del objetivo (Figura 9B).
3. Gira el cilindro (Figura 9C), toca el cilindro y observa la pantalla de la cámara. Al tocar, el usuario puede observar los siguientes estados: por defecto/sin partículas atrapadas (Figura 9D), partículas cayendo (Figura 9E) y partícula(s) atrapadas (Figura 9F).

5. Seguimiento computacional con OpenCV

NOTA: El seguimiento de partículas y la cuantificación del tiempo de retención se realizaron utilizando un programa personalizado basado en OpenCV (OpenCV versión 4.6.0) desarrollado en C++ y ejecutado en Microsoft Visual Studio 2022.

1. Software de instalación
   1. Instala Visual Studio 2022 Community Edition (si el caso de uso del usuario lo permite) en https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. Instala la carga de trabajo de desarrollo de escritorio con C++ .
   2. Descarga e instala OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. Mientras instalas, fíjate en el directorio de instalación.
   3. Descarga e instala NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html Hay que crear una cuenta para instalarlo. Mientras instalas, fíjate en el directorio de instalación.
   4. Descargar e instalar la versión 7.5.0.15658 de Pylon. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. Mientras instalas, fíjate en el directorio de instalación.
2. Configuración de software
   1. Abre Visual Studio CE y crea un nuevo proyecto vacío.
   2. Añade un archivo fuente main.cpp y pega el código del Archivo Suplementario 1 ( main.cpp) en el nuevo archivo fuente.
      NOTA: Copie código en archivos creados por Visual Studio en lugar de importar archivos externos para evitar conflictos con la estructura de archivos de proyecto de Visual Studio.
   3. Ve a Proyecto > PropiedadesNombreAquíProyecto.
   4. Cambia la configuración a todas las configuraciones y cambia la plataforma a x64.
   5. Cambiar las propiedades de configuración > General > C++ LanguageStandard a ISO C++14 Standard.
   6. Cambiar las propiedades de configuración > C/C++ > General > Incluir Directorios Adicionales para incluir los encabezados de OpenCV. En este estudio, estas se instalaron en C:\Program Files\opencv\build\include.
   7. En el mismo cuadro de texto de Directorios de Inclusión Adicional , añade los caminos a los encabezados normales de pilones y a los encabezados de ejemplo de pilón. En este estudio, estas se instalaron en C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include y C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include respectivamente.
   8. En el mismo cuadro de texto de Directorios Adicionales de Incluyo, añadir los encabezados normales de pilones y los encabezados de ejemplo de pilones. En este estudio, estas se instalaron en C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include y C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include respectivamente.
   9. En el mismo cuadro de texto de Directorios de Inclusión Adicional , añade los encabezados VISA. En este estudio, estas se instalaron en C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. Cambiar las propiedades de configuración > Linker > directorios generales > adicionales de bibliotecas para que incluya la carpeta de la biblioteca OpenCV. En este estudio, estas se instalaron en C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. En el mismo cuadro de texto de Directorios de Bibliotecas Adicionales , añade la carpeta de lib de pilones. En este estudio, estas se instalaron en C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. En el mismo cuadro de texto de Directorios de Bibliotecas Adicionales , añade la carpeta lib de VISA. En este estudio, estas se instalaron en C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
   13. Cambia la configuración a Depurar, luego configura Cambiar Propiedades de Configuración > Enlazador > Entrada > Dependencias Adicionales para incluir tanto opencv_world460d.lib como visa64.lib.
   14. Cambiar la configuración a Release, luego configurar Cambiar Propiedades de Configuración > Enlazador > Entrada > Dependencias Adicionales para incluir tanto opencv_world460.lib como visa64.lib.
3. Calibración por software
   1. Lanza Visual Studio 2022 y abre el proyecto del usuario, YourProjectNameHere.sln.
   2. Pulsa el botón verde Correr/Reproducir . Aparecerá una señal de vídeo y un terminal (Figura 10A).
   3. Asegúrate de que la parábola verde que atrapa sea visible. Si no, ajusta la potencia, el filtrado y/o la alineación según sea necesario hasta que la zona de atrapamiento sea visible.
   4. Captura la pantalla pulsando primero la tecla Windows + Shift + S y luego haciendo clic y luego arrastrando el puntero del ratón desde la esquina superior izquierda hasta la esquina inferior derecha de la señal de vídeo (Figura 10B). La utilidad de captura de pantalla generará una ventana emergente. Haz clic en esta ventana emergente para abrir el editor de capturas de pantalla. Dentro de este editor hay un botón para Editar en MS Paint. Haz clic en el botón Editar en MS Paint .
   5. Coloca el cursor en la esquina superior izquierda de la parábola que aparece en la ventana de MS Paint. Registra las coordenadas que se muestran en la esquina inferior izquierda de la ventana de MS Paint (Figura 10C). Las coordenadas se denominan (xmin, ymin).
   6. Coloca el cursor en la esquina inferior derecha de la parábola. Registra las coordenadas que se muestran en la esquina inferior izquierda de la ventana de MS Paint. Las coordenadas se denominan (xmax, ymax).
   7. Cierra la señal de vídeo pulsando la tecla escape .
   8. Introduce xmin, xmax e ymin, ymax en la línea 280 en la función is_trapped() de main.cpp dentro del proyecto del usuario: por ejemplo, Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      NOTA: La primera función de rango toma xmin y xmax como parámetros, mientras que la segunda función de rango es ymin y ymax. Esto determinará la ventana de detección para la detección de partículas (Figura 10D).
4. Selección de frecuencias
   1. Lanza Visual Studio 2022 y abre el proyecto del usuario, YourProjectNameHere.sln si no está ya abierto.
   2. Abre PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) o el Símbolo del Prompt.
      Run: python -c "importar aleatorio; imprimir(random.sample(range(0,101),101))"
      Copia la lista generada de números de prueba.
      NOTA: Cada número generado representa una frecuencia. La correspondencia matemática del número a la frecuencia es:
      f(n) = 100 • 10^0,03n Hz
      Domain: n∈{0,1,...,100}
      Alcance: f(0) = 100Hz hasta f(100) = 100.000Hz (100 kHz)
      Los pasos están espaciados en log. Este guion está incluido como Archivo Suplementario 2, numbershuffler.py para la comodidad del lector.
   3. Edita la línea 443 de main.cpp copiando la lista generada de números en la secuencia de números de prueba: por ejemplo,
      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, 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. Salva el proyecto.
5. Realizando un experimento
   1. Prepara el láser. Deja que el láser complete su rutina de calentamiento si es necesario. Abre el obturador láser y aumenta la potencia al nivel objetivo. Esto fue aproximadamente 8 W en este caso.
   2. Abre YourProjectNameHere.sln en Visual Studio.
   3. Asegúrate de que la cámara esté conectada al PC por USB.
   4. Asegúrate de que el AWG esté conectado vía USB al PC.
      NOTA: Para el AWG listado en la Tabla de Materiales, el puerto USB correcto para el control de VISA es el puerto USB-B situado en la parte trasera del instrumento (Figura 11A).
   5. Asegúrate de que los amplificadores estén terminados en AOMs. Enciende las fuentes de alimentación del VCO.
   6. Enciende la lámpara de luz blanca y ajusta para que la parábola ilumine de forma uniforme.
      NOTA: El código detectará sombras oscuras de partículas, marcará trampas exitosas y cronometrará su duración. Los resultados se exportan automáticamente a un archivo de texto.
   7. Pulsa el botón Ejecutar/Reproducir en Visual Studio para ejecutar el proyecto. Aparecerá una señal de vídeo.
      NOTA: Si el programa se bloquea, prueba a cambiar entre configuraciones de Depuración y Release (consulta la guía de Microsoft: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. Ajusta la inclinación del filtro de muesca hasta que el láser a plena potencia (≈8 W) apenas sea visible.
   9. Golpea el tubo de cristal y observa la alimentación mientras caen las partículas. En el caso de partículas de microesfera de vidrio recubiertas de carbono, las partículas aparecerán como círculos negros que caen rápidamente en el campo de visión de la cámara. Sigue golpeando. El programa comenzará en la primera frecuencia de la secuencia de frecuencias especificada. Una vez que ha registrado 10 eventos de trampa de cualquier duración (incluyendo partículas que simplemente atraviesan la zona de detección), avanzará a la siguiente frecuencia en la secuencia. Si el número de partículas que caen durante el golpeteo disminuye, gira el tubo de vidrio 180° y reanuda el golpeteo. Cuando se hayan probado todas las frecuencias, el programa terminará y el usuario podrá dejar de hacer el toque.
6. Visualización de datos
   1. Abre el archivo results.txt (Archivo Suplementario 3) en un editor de texto. En este estudio, el archivo se localizó en C\:Usuarios\\fuente\nepos\\\ results.txt. Cada vez que se ejecuta el programa, aparecen nuevos resultados bajo el encabezado "Inicio de un nuevo lote de resultados." en el formato resultado: .
   2. Utiliza Buscar y Reemplazar para reemplazar todas las instancias de "result:" por una coma (,). Elimina todos los datos que no estén relacionados con la ejecución actual. Usa Guardar como para guardar el archivo limpio como results.csv.
   3. Abre results.csv en una hoja de cálculo. Copia los números de prueba y los tiempos de captura del archivo .csv al example.xlsx de la hoja de cálculo (Archivo Suplementario 4). Pega los números de prueba en la primera columna. La segunda columna se llenará automáticamente con la frecuencia de escritura correspondiente en Hz, calculada a partir de los números de prueba. Pega los datos de tiempo de trampa en la tercera columna. Columnas adicionales se llenarán automáticamente aplicando filtros como filtros de tiempo mínimo. A continuación, se llenará un gráfico de diagrama de dispersión, mostrando puntos de datos que representan los tiempos de las trampas frente a la frecuencia de extracción de las trampas (Figura 11B).
      NOTA: El archivo STL del soporte AOM imprimible en 3D utilizado para montar AOM₁ se muestra en el Archivo Suplementario 5.

Resultados

Resultados para microesferas recubiertas de carbono

Las microesferas recubiertas de carbono proporcionan las partículas visualmente más convenientes para atrapar de los dos tipos de partículas tratados en este artículo (es decir, microesferas recubiertas de carbono y partículas de oro macizo). Las microesferas recubiertas de carbono producen sombras oscuras cuando se iluminan a contraluz, como se muestra en la Figu...

Discusión

La implementación exitosa de esta técnica de trampeo depende de la modulación precisa de las frecuencias AOM y la correcta alineación de los componentes ópticos. Uno de los pasos más críticos es asegurar que el haz láser de barrido genere un potencial parabólico bien formado.  Aunque distancias focales más cortas y aperturas numéricas más altas generalmente mejoran la rigidez y el confinamiento de los trapos, la comodidad de un objetivo de larga distancia de trabajo para la carga y obser...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	Utilizado para obtener imágenes de partículas atrapadas; lente telecéntrica; etiquetado como 'i' en la Figura 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	Usado para la colimación de haces y superposición (alineación discutida); Óptica de Relé; etiquetado como 'b' en la Figura 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	Transformadas de Fourier de la salida de AOMs; objetivo; etiquetado como 'g' en la Figura 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	Utilizado para mejorar el contraste de la imagen; Fuente de luz blanca; etiquetado como 'f' en la Figura 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Moduladores acústico-ópticos (AOM), escaneo en dirección y; Y-AOM; etiquetado como 'a' en la Figura 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM usado para escaneo de haces en la dirección x; X-AOM; etiquetado como 'c' en la Figura 3
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	Utilizado para detectar partículas; cámara; etiquetado como 'j' en la Figura 3
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	Equipado con software de adquisición de datos e imagen
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	Láser de iluminación; Fuente de láser
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	cámara giratoria para partículas; cámara de partículas; etiquetado como 'h' en la Figura 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, usado para la estabilización del flujo de aire
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	Usado para pruebas comparativas
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	Partículas de oro sólido
model number TB-17	Minicircuits	15542	Usado para amplificar la señal a los AOM; Amplificadores de RF; etiquetado como 'm' en la Figura 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	Usado para filtrar espacialmente los órdenes difractados; Apertura; etiquetado como 'd' en la Figura 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	Usado para introducir luz blanca a lo largo del eje óptico para iluminar por detrás las partículas; divisor de haz; etiquetado como 'e' en la Figura 3
Rigol DG4202, 2 Channel waveform generator with 200 MHz sine wave and 60 MHz square wave capabilities, 500 MSa/sec sample rate, 16 kPt arbitrary memory length, 7 inch display, and USB and ethernet (LXI) interfaces.	TestEquity	DG4202	Rigol DG4202, usado para el control de AOM; Generador de formas de onda arbitrario; etiquetado como 'k' en la Figura 3
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	Usado para el ajuste de frecuencia AOM; Osciladores controlados por voltaje (VCO); etiquetado como 'l' en la Figura 3