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

Nuestro trabajo describe la construcción y operación de una trampa óptica reconfigurable en forma de barco para capturar y manipular partículas en el aire. Los métodos de captura existentes se sitúan entre la localización de la trampa y el área de captura. Este protocolo introduce una trampa para barcos, logrando ambas simultáneamente.

Este protocolo puede aplicarse en entornos de laboratorio estándar bajo condiciones de aire ambiente, siguiendo protocolos de seguridad láser de Clase 4. Tras preparar las microesferas de vidrio recubiertas de carbono, montar el sistema óptico usando un elevador cinemático y una regla para fijar la altura del haz a 23 centímetros. Reduce la potencia del láser a menos de 50 milivatios.

Utiliza un polarizador para determinar si la polarización está orientada verticalmente. Ajusta el microscopio a la altura del haz orientado en la dirección Z negativa a una distancia superior a 100 centímetros de la salida del elevador de haz. Colocar una lente de transformada de Fourier a 10 centímetros en la dirección Z negativa, con la superficie convexa orientada en la dirección Z positiva.

Luego coloca las tres lentes restantes de transformada de Fourier separadas por 20 centímetros con convexidades alternas. Colocar los moduladores acusto-ópticos a 10 centímetros en la dirección negativa Z desde las lentes más cercanas y terceras más cercanas al láser. Asegúrese de que el modulador acusto-óptico más cercano al láser esté orientado verticalmente.

Coloca el modulador acusto-óptico a dos 10 centímetros de la lente en tercer lugar más cercano al láser. Alinearlo horizontalmente y gíralo aproximadamente dos grados alejándose del eje óptico. Para cada canal del generador de forma de onda arbitraria, se conecta un oscilador controlado por voltaje, un amplificador y un modulador acusto-óptico.

Luego conecta los amplificadores a los moduladores acusto-ópticos. Utilizando el generador de forma de onda arbitrario, ajusta el voltaje suministrado a ambos osciladores controlados por tensión a cinco voltios, correspondiente a una frecuencia de 100 megahercios. Luego disminuye la inclinación del modulador acusto-óptico dos a cero.

Aumenta gradualmente el ángulo hasta que el haz de primer orden alcance su brillo máximo. Alinear ambos haces que salen del primer modulador acusto-óptico para entrar en el segundo modulador. De los cuatro haces que salen del segundo modulador acusto-óptico, solo permite que el haz superior derecho pase por la apertura.

A continuación, coloca un divisor de haz para dirigir una parte del haz hacia una superficie de observación. Con las amplitudes arbitrarias del generador de formas de onda ajustadas a cero, observa el haz resultante en la superficie de observación apareciendo como un punto. Ajusta el desfasamiento vertical a cinco voltios, la amplitud a tres voltios y la frecuencia a cuatro kilohertz.

Observa el haz formando una línea vertical en la superficie de observación. Luego ajusta el desfasamiento del canal horizontal a cinco voltios, la amplitud a tres voltios y la frecuencia a cuatro kilohercios. El haz debe formar una línea diagonal en la superficie de observación.

Sintoniza el canal vertical a ocho kilohercios y un desplazamiento de fase de 90 grados, resultando en un patrón de Lissajous en la superficie de observación. Luego pulsa el botón Align Phase para convertir el patrón de Lissajous a una forma parabólica. Ajusta el desfase de fase vertical del canal para refinar la forma parabólica y observa el patrón parabólico refinado en la superficie de observación.

Colocar una lente telecéntrica con una distancia focal de 45 milímetros sobre un escenario lineal, situándola 55 milímetros delante del objetivo en la dirección Z positiva. Luego coloca un filtro dicróico diseñado para reflejar luz de 532 nanómetros delante de la lente. Conecta la cámara a un ordenador personal usando un cable Universal Serial Bus con el software de imagen asociado.

Luego inclina ligeramente el filtro dicróico entre cinco y diez grados hasta que aparezca la forma de trampa parabólica. Ilumina el divisor de haz con una fuente de luz de fibra y ajusta la luz de fibra para centrar su iluminación alrededor de la trampa parabólica. Utilizando una espátula de laboratorio, coloca aproximadamente un gramo de partículas dentro de un cilindro de cristal de 25 milímetros de largo y 12 milímetros de diámetro montado para permitir la rotación a lo largo del eje del cilindro.

Colocar el cilindro de vidrio cargado centrado a 15 milímetros del objetivo, correspondiente a la distancia de trabajo del objetivo. Después de girar y tocar el cilindro, observa la pantalla de la cámara mostrando partículas atrapadas por defecto o nulas, partículas cayendo y partículas atrapadas. Después de instalar y configurar el software, inicia Visual Studio 2022 y abre el archivo del proyecto.

Pulsa el botón verde Correr para iniciar el programa. Observa la señal de vídeo y el terminal apareciendo en la pantalla. Asegúrate de que la parábola verde de captura sea visible en la señal de vídeo.

Si no es visible, ajusta la potencia, el filtrado o la alineación hasta que aparezca la región de atrapamiento. Pulsa las teclas Windows, Shift y S simultáneamente para capturar la pantalla. Haz clic y arrastra el puntero del ratón desde la esquina superior izquierda hasta la esquina inferior derecha de la señal de vídeo.

Haz clic en la ventana emergente para abrir el editor de capturas de pantalla. Haz clic en el botón Editar en MS Paint dentro del editor. Luego coloca el cursor en la esquina superior izquierda de la parábola en la ventana de MS Paint.

Registra las coordenadas que aparecen en la esquina inferior izquierda como mínimo X y mínimo Y. Luego coloca el cursor en la esquina inferior derecha de la parábola en la ventana de MS Paint. Registra las coordenadas que aparecen en la esquina inferior izquierda como X máximo y Y máximo.

Una vez terminado, cierra la señal de vídeo pulsando la tecla Escape. Introduce X mínimo, X máximo, Y mínimo y Y máximo en la línea 280 en la función is_trapped de main. CPP dentro del proyecto.

Para la aleatorización de frecuencias de prueba, inicia Visual Studio 2022 y abre el archivo del proyecto si aún no está abierto. Abre PowerShell de Windows o el símbolo del prompt. Ejecuta el comando pythonc importar aleatoriamente e imprime una muestra aleatoria desde el rango cero hasta 101.

Luego copia la lista generada de números de prueba. Edición de la línea 443 de la línea principal. CPP pegando la lista generada en la secuencia de números de prueba y guardando el proyecto en Visual Studio 2022.

Aumenta la potencia del láser al nivel necesario para el experimento. Ejecuta el experimento haciendo clic en el botón verde de correr y tocando y girando el tubo de partículas. Después de que el experimento haya terminado, abre los resultados.

Archivo txt en un editor de texto. Observa que cada ejecución del programa genera nuevos resultados bajo el encabezado, Inicio de un nuevo lote de resultados, en el formato, número de prueba, resultado, seguido de tiempo de trampa en nanosegundos. Para la visualización de datos, copia los números de prueba y los tiempos de captura del archivo Comma-Separated Values a example.xlsx.

Tras aplicar los filtros necesarios, observa las columnas adicionales y un diagrama de dispersión que se muestra con el tiempo de trampa frente a la frecuencia de extracción de la trampa. Las microesferas recubiertas de carbono producen sombras oscuras cuando se iluminan por contra. Microesferas de vidrio, partículas con dimensiones del orden de 100 micrómetros, se asentaban aproximadamente hasta el fondo de la trampa parabólica.

Cuando una partícula quedaba atrapada con éxito, el software automatizado de detección de partículas mostraba una T roja. Cuando no se encontraba ninguna partícula atrapada, el software mostraba una N verde. Las tasas y vidas útiles de atrapamiento pueden aumentar o disminuir en función de variables ambientales como la temperatura o la humedad. Las partículas de oro macizo del orden de un micrómetro no eran observables a lo largo del eje óptico, pero su dispersión de luz se observaba ortogonal al eje. Las grabaciones de vídeo confirmaron que las partículas mantuvieron su posición durante períodos prolongados que superaron varios minutos.

Este protocolo permite a un investigador dibujar y modificar rápidamente una trampa para embarcaciones para atrapar y mover una gran variedad de partículas en el aire. Estudios futuros pueden integrar el control de matriz de puertas programable en campo para permitir la manipulación programable de la forma de la trampa, el peso y la ubicación de la sección transversal dentro de un plano 2D.