Expérimentation sécuritaire en lévitation optique de gouttelettes chargées à l’aide de Remote Labs

Summary

Levitation optique est une méthode de lévitation d’objets diélectriques micromètre en utilisant la lumière laser. Utilisant des ordinateurs et systèmes d’automatisation, une expérience sur la levitation optique peut être commandé à distance. Ici, nous présentons un système télécommandé levitation optique qui est utilisé aussi bien pour l’éducation et de recherche.

Abstract

L’ouvrage présente une expérience qui permet l’étude de nombreux processus physiques fondamentales, telles que la pression des photons, la diffraction de la lumière ou le mouvement des particules chargées dans les champs électriques. Dans cette expérience, un faisceau de laser focalisé pointant vers le haut léviter des gouttelettes de liquide. Les gouttelettes sont fait de la lévitation par la pression des photons du faisceau laser focalisé qui équilibre la force gravitationnelle. Le patron de diffraction créé lorsque illuminé par la lumière laser peut aider à mesurer la taille d’une gouttelette piégée. La charge de la gouttelette piégée peut être déterminée en étudiant sa requête lorsqu’un champ électrique verticale dirigé est appliqué. Il y a plusieurs raisons motivant cette expérience d’être contrôlé à distance. Les investissements requis pour l’installation dépasse le montant normalement disponible dans les laboratoires d’enseignement de premier cycle. L’expérience nécessite un laser de classe 4, qui est nocif pour la peau et les yeux et l’expérience utilise des tensions qui sont nocifs.

Introduction

Le fait que la lumière transporte élan a été tout d’abord suggéré par Kepler lorsqu’il a expliqué pourquoi la queue d’une comète pointe toujours loin du soleil. L’utilisation d’un laser pour déplacer et piéger des objets macroscopiques a été signalée par A. Ashkin et J. M. Dziedzic en 1971 quand ils ont démontré qu’il est possible de faire de la lévitation micromètre taille objets diélectriques¹. L’objet piégé a été exposé à une hausse dirigé le faisceau laser. Partie du faisceau laser a été reflétée sur l’objet qui a imposé une pression de radiation sur ce qui était suffisante pour contrebalancer la gravité. La plupart de la lumière, cependant, a été réfractés par le biais de l’objet diélectrique. Le changement de la direction de la lumière provoque un recul de l’objet.  L’effet net du recul pour une particule placée dans un profil de faisceau gaussien est que la goutte s’orientera vers la région de plus forte intensité lumineuse². Par conséquent, une position stable de piégeage est créée dans le centre du faisceau laser à une position légèrement au-dessus du point de contact où la pression de radiation soldes gravité.

Étant donné que la méthode de la lévitation optique permet aux petits objets d’être pris au piège et contrôlés sans être en contact avec des objets, différents phénomènes physiques peuvent être étudiés à l’aide d’une goutte de sustentation. Toutefois, l’expérience présente deux limites pour être reproduits et appliqué dans les écoles ou les universités puisque pas de toutes les institutions peuvent se permettre l’équipement requis et qu’il y a certains risques dans le fonctionnement pratique du laser.

Laboratoires distants (RLs) offrent accès à distance online de l’équipement de laboratoire réel pour des activités expérimentales. RLs est apparue à la fin des années 90, avec l’avènement de l’Internet, et leur importance et leur utilisation ont augmenté au cours des années, comme la technologie a progressé et certaines de leurs préoccupations majeures ont été résolu³. Cependant, le noyau du SJSR est resté le même au fil du temps : l’utilisation d’un dispositif électronique avec une connexion Internet pour accéder à un laboratoire et de contrôler et de suivre une expérience.

En raison de leur éloignement, RLs permet d’offrir des activités expérimentales aux utilisateurs sans les exposer à des risques qui peuvent être associés à la réalisation de telles expériences. Ces outils permettent aux étudiants de passer plus de temps à travailler avec le matériel de laboratoire et donc développent de meilleures habiletés de laboratoire. Autres avantages du SJSR sont qu’ils 1) facilitent aux personnes handicapées effectuer des travaux expérimentaux, 2) élargir le catalogue d’expériences offertes aux étudiants en partageant des RLs entre universités et 3) accroître la flexibilité dans la planification des travaux de laboratoire, car elle peut être réalisée de maison quand un laboratoire physique est fermé. Enfin, RLs offrent également une formation en systèmes d’exploitation contrôlé par ordinateur, qui aujourd'hui sont une partie importante de la recherche, de développement et de l’industrie. Par conséquent, RLs ne peuvent offrir seulement une solution à la fois les questions financières et de sécurité que les laboratoires traditionnels présentent, mais offrent aussi des possibilités expérimentales plus intéressantes.

Avec le montage expérimental utilisé dans ce travail, il est possible de mesurer la taille et charger d’une gouttelette piégée, étudier le mouvement des particules chargées dans les champs électriques et analyser comment une source radioactive peut être utilisée pour modifier la charge sur une goutte⁴ .

Dans le montage expérimental présenté, un puissant laser est dirigé vers le haut et porté au centre d’une cellule de verre⁴. Le laser est un 2 L 532 nm pompé par diode laser solide (CW), où habituellement environ 1 Watt (W) est utilisé. La distance focale de la lentille de piégeage est 3,0 cm. gouttelettes sont générées avec un distributeur de gouttelettes piezo et descendent par le faisceau laser, jusqu'à ce qu’ils sont pris au piège juste au-dessus de la mise au point du laser. Piégeage survient lorsque la force de l’ascendant réalisé la pression de radiation est égale à la force gravitationnelle dirigée vers le bas. Il n’y a aucune limite de temps supérieure observée pour le piégeage. Le plus long temps qu'une goutte a été pris au piège est de 9 heures, par la suite, le piège a été désactivé. L’interaction entre la goutte et le champ laser produit un motif de diffraction qui sert à déterminer la taille des gouttelettes.

Les gouttelettes émises par le distributeur se composent de 10 % glycérol et 90 % d’eau. La partie de l’eau s’évapore rapidement, laissant une goutte de glycérol taille de 20 à 30 µm dans le piège. La taille maximale d’une gouttelette qui peut être pris au piège est environ 40 µm. Il n’y a aucune évaporation observée après environ 10 s. À ce stade, toute l’eau est censé avoir évaporé. Le temps de piégeage long sans aucune évaporation observable indique qu’il y a absorption minime et que la goutte est essentiellement à la température ambiante. La tension de surface des gouttelettes rend sphérique. La charge des gouttelettes générées par le distributeur de gouttelettes dépend des conditions environnementales dans le laboratoire, où ils deviennent plus souvent négativement chargés. Le haut et le bas de la cellule de piégeage est constituée de deux électrodes placés à part 25 mm. Ils peuvent être utilisés pour appliquer une verticale courant direct (DC) ou un champ de courant alternatif (ca) sur la goutte. Le champ électrique n’est pas assez fort pour créer des arcs même si 1000 volts (V) est appliquée sur les électrodes. Si un champ continu est utilisé, la gouttelette se déplace vers le haut ou vers le bas dans le faisceau laser vers une nouvelle position d’équilibre stable. Si un champ d’AC est appliqué au lieu de cela, la gouttelette oscille autour de sa position d’équilibre. L’amplitude des oscillations dépend de la taille et la charge de la goutte, l’intensité du champ électrique et de la rigidité de la trappe de laser. Une image de la gouttelette est projetée sur un détecteur sensible à la position (PSD), qui permet aux utilisateurs de suivre la position verticale de la goutte.

Cet ouvrage présente une initiative réussie de moderniser l’enseignement et recherche à l’aide de Information and Communication Technologies grâce à un innovant RL sur levitation optique de gouttelettes chargées qui illustre les concepts modernes de physique. La figure 1 illustre l’architecture de la RL. Le tableau 1 indique les éventuelles blessures qui peuvent causer des lasers selon leur catégorie ; Dans cette configuration, un laser de classe IV a été utilisé, qui est le plus dangereux. Il peut fonctionner avec jusqu'à 2,0 W de rayonnement laser visible, donc la sécurité fournie par la commande à distance est bien adaptée pour cette expérience. La lévitation optique de gouttelettes chargées RL a été présenté dans les travaux de D. Galan et coll. en 2018⁵. Dans ce travail, il est démontré comment il peut être utilisé en ligne par les enseignants qui veulent présenter à leurs élèves des concepts modernes de la physique sans avoir à se préoccuper des coûts, la logistique ou les questions de sécurité. Étudiants accéder la RL grâce à un portail web, appelé réseau de laboratoires Interactive universitaires (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) dans lequel ils peuvent trouver toute la documentation concernant la théorie liée à l’expérience et l’utilisation de l’expérimental installation au moyen d’une application web. En utilisant le concept de laboratoire, les travaux expérimentaux dans la physique moderne qui nécessite un équipement coûteux et dangereux peuvent mis à la disposition de nouveaux groupes d’étudiants. En outre, elle améliore l’apprentissage formel en fournissant des étudiants traditionnels avec plus de temps laboratoire et à des expériences qui sont normalement inaccessibles en dehors des laboratoires de recherche.

Protocol

Remarque : Le laser utilisé dans cette expérience est un laser de classe IV offrant jusqu'à 1 W de rayonnement laser visible. Tout le personnel présent dans le laboratoire de laser doit ont effectué la formation sécurité laser adéquat.

1. pratique plan expérimental

1. Sécurité
   1. Assurez-vous que tout le monde en laboratoire est au courant qu’un laser s’allume.
   2. Allumez la lampe d’avertissement de laser dans le laboratoire.
   3. Vérifiez que sans anneaux montre ou métal est portés et mettre sur les lunettes de protection laser.
   4. Vérifiez que les quatre absorbant les planches, plus proches de l’expérience de la lumière, sont en place.
   5. Vérifier l’espace entre le laser et le jury absorbant aux obstacles. Assurez-vous également que l’espace entre la cellule de piégeage et le bloc de faisceau est libre de tout objet.
2. Préparer le logiciel et l’expérience.
   1. Allumez l’ordinateur du laboratoire. Attendez qu’il soit prêt à fonctionner.
   2. Ouvrez le dossier de Démarrage à distance du poste de travail, puis cliquez sur l’icône Main1806.vi. Exécutez le programme en appuyant sur la flèche dans le coin supérieur gauche.
      Remarque : Cela ouvre le programme de contrôle (par exemple, Labview) illustré à la Figure 2 et Figure 3 et s’allume automatiquement l’alimentation pour le laser et le champ électrique. Toutes les touches référencés à l’avenir dans le présent article se réfèrent à ceux qui figurent dans ces chiffres.
   3. Sous «variables EJS», cochez la case nommée «Laser Enable2 distant» puissance et la valeur «current2 laser» 25 afin que la lame de puissance de laser à droite finit à 25 %. Observer le faisceau laser à l’aide de lunettes de protection laser alignement pour s’assurer que le faisceau se retrouve dans la décharge de faisceau. Si ce n’est pas le cas, ajustez la position de la décharge de faisceau.
   4. Vérifier Drops2 et déplacez la pointe du distributeur goutte jusqu'à ce que les gouttes tombent dans le faisceau laser. Cela, en ajustant l’étape de traduction marquée de la lettre A dans la Figure 4. Pour cela, tourner doucement les conduite vis à la base de l’étape de traduction jusqu'à la position désirée est atteinte.
      1. Si aucune gouttes ne viennent, appliquer une pression dans la seringue jusqu'à ce qu’une goutte est affichée dans la bulle du distributeur. Essuyez-la soigneusement (astuce fragile) en utilisant un papier avec de l’acétone. Les gouttelettes devraient maintenant commencer à venir. Dans ce cas, recommencer à partir de point 1.2.4.
   5. Augmenter la puissance du laser à environ 66 % en utilisant le champ de saisie de Laser 2 actuel et piège une gouttelette. Décochez la case Drops2 dès qu’une gouttelette est pris au piège.
      Remarque : La Figure 5 illustre une gouttelette capturée dans l’environnement expérimental. Le point vert inférieur correspond à la véritable goutte, tandis que celle du haut est sa réflexion sur la vitre de la cellule où se trouve la goutte. Dès lors, il sera que la goutte piégée est désormais projetée sur le PSD.
3. Déterminer la taille d’une goutte.
   1. Réglez la puissance du laser jusqu'à ce que la position de la PSD est aussi proche que possible de zéro.
      Remarque : comme les gouttelettes peuvent être pris au piège, au-dessous ou au-dessus des positions de piégeage antérieures, selon la puissance du laser ou de la taille/poids. Cette étape est effectuée pour déplacer l’image de la gouttelette au centre du PSD.
   2. Observer le schéma de diffraction créés dans l’écran (voir Figure 1). Prenez une photo avec la webcam qui est bien placée pour observer l’écran du dessous.
      Remarque : Le patron est causé par laser lumière diffractée par les gouttelettes piégés.
   3. L’image permet de déterminer la distance depuis la ligne marquée 1 à deux minima arbitraire dans l’image. La distance est positive si elle est plus éloignée de la goutte, que la ligne marquée 1, sinon négatif. Puis, ajouter 40 cm pour les deux distances. Appelez le plus court un₁et la plus longue une₂. 1 équation permet de calculer la taille de la goutte :
      (1)
      où x est la distance verticale entre la goutte à l’écran (x = 23,5 cm), λ est la longueur d’onde de la lumière laser (λ = 532 nm) et Δn est le nombre de franges (entier) entre les deux minima utilisé dans le calcul.
      Remarque : Lorsque la goutte est imagée au milieu de la DSP, la distance (x), de la goutte à l’écran est de 23,5 ± 0,1 cm. On trouvera une explication plus détaillée du processus dans le travail de J. Swithenbank et al. ⁶.
4. Déterminer la polarité de la charge de la gouttelette.
   1. Choisissez l’onglet exécuter à droite des variables SEJ et la valeur du champ électrique DC BVI2 + 2 V (voir Figure 3). Être prudent, car la tension de l’électrode est maintenant 200 V.
      Remarque : La polarité de la charge de la gouttelette est déterminée en observant comment la goutte répondent à un champ électrique vertical. Un croquis de la façon dont le champ électrique est appliqué peut être vu à la Figure 6
5. Déterminer la charge de la gouttelette
   Remarque : Pour calculer la charge de la goutte, il faut tout d’abord mesurer la taille de la goutte. Le poids de la goutte peut décider que la densité du liquide est connue. La figure 7 décrit la procédure de façon schématique.
   1. Définissez le champ électrique DC BVI2 à zéro.
   2. Évaluer et noter une valeur moyenne pour la position de la goutte par la trace de PSD normaliser Position dans le Tableau de forme d’onde.
   3. Notez la valeur de la puissance du laser. Cette valeur sera F_Rad1 dans l’équation 2.
   4. Définissez le champ électrique DC BVI2 entre + 1 et + 5 Volts ou -1 et -5 Volts sorte que la baisse se déplace vers le haut. La goutte est maintenant à un nouveau poste. Doucement réduire la puissance du laser jusqu'à ce que la goutte est dans sa position d’origine tel qu’indiqué dans l’étape 1.5.2. Notez la nouvelle puissance de laser (F_Rad2).
      Si la goutte est perdue, vérifier Drops2 et recommencer à l’étape 1.2.4.
   5. La procédure suivante permet de calculer les frais. Tout d’abord, calculer la force du champ électrique :
      (2)
   6. Déterminer la charge absolue à l’aide de l’expression
      (3)
      Ici, d est la distance entre les électrodes et U est la tension appliquée.

2. protocole d’expérimentation connexion à distance

1. Accès au laboratoire distant.
   1. Ouvrir la page Web UNILabs sur un navigateur web : https://unilabs.dia.uned.es/
   2. Le cas échéant, sélectionnez la langue souhaitée. L’option se trouve à la première commande du menu sous l’en-tête.
   3. Connectez-vous avec les données suivantes :
      Nom d’utilisateur : test
      Mot de passe : test
      Remarque : La connexion est sous les infos news et introduction de la page Web.
   4. Dans la zone de cours, à côté de la zone de connexion, cliquez sur le logo de l’Université de Göteborg (GU).
   5. Cliquez sur Levitation optique pour accéder à la matière de cette expérience.
   6. Accès laboratoire distant en cliquant sur Laboratoire distant de lévitation optique. Après cela, s’assurer que l’armature principale du spectacle page Web l’interface utilisateur du laboratoire distant, tel qu’illustré à la Figure 8.
2. Se connecter au laboratoire optique lévitation.
   Remarque : Toutes les instructions ici se référer à la Figure 8.
   1. Cliquez sur le bouton se connecter . Si la connexion est réussie, le texte du bouton change à connecté.
      Remarque : Lorsqu’un utilisateur se connecte au laboratoire distant, il émet un signal sonore qui vous avertit des autres personnes dans la région environnante que quelqu'un va mettre sous tension et manipuler le laser à distance.
   2. Cliquez sur suivi des gouttelettes et vérifier que les données de la PSD sont reçues.
      Remarque : Comme il ne sont a aucun gouttelettes capturés à ce stade, la valeur obtenue n’est pas pertinente.
   3. Cliquez sur vue d’ensemble permettant d’identifier tous les éléments de l’installation : le laser, le distributeur de la goutte, la cellule de piégeage et le PSD.
3. Piège un droplet.
   Remarque : Toutes les instructions ici se référer à la Figure 8.
   1. Une fois que le laboratoire distant est connecté, cliquez sur le bouton de piégeage des gouttelettes de visualiser la pipette et le bec distributeur de gouttelettes.
   2. Cliquez sur le bouton allumer laser pour établir la connexion au laser.
      Remarque : Le laser est démarré manuellement et indépendamment du reste des instruments, car il peut endommager l’environnement si elle n’est pas correctement aligné.
   3. Régler la puissance de laser autour du premier trimestre de la bande de contrôle, qui est situé sous le bouton allumer laser . Attendez que le voyant vert est visible.
   4. Vérifier l’alignement laser.
      Remarque : Si le laser est correctement aligné, un faisceau de minces feu vert sera vu. Dans le cas contraire, une tache verte épars sera perçue. En cas de mauvais alignement, arrêtez le système et communiquer avec les services d’entretien de laboratoire. Pour contacter les services d’entretien, cliquez sur l’icône représentant une bulle de dialogue, situé dans le coin supérieur gauche de la page Web UNILabs. Puis cliquez sur le message de l’utilisateur Admin , notez le message en bas décrivant le problème et appuyez sur envoyer. Ceci habituellement n’arrive pas, puisque toutes les optiques sont fixes.
   5. Augmenter la puissance de laser à 3/4 de la barre.
      Remarque : Une puissance de 60 % (550 mW) est suffisant pour capturer et garder une gouttelette lévitation.
   6. Appuyez sur le bouton Start gouttes pour mettre en marche le distributeur de gouttelettes.
   7. Regardez l’image de la webcam et attendez qu’un flash est produit. À ce moment-là, une goutte a été capturée. Vérifier de nouveau l’image de la webcam et vérifiez qu’une goutte est en lévitation dans le centre de la cellule de piégeage. Appuyez sur le bouton Stop gouttes pour arrêter le distributeur de gouttelettes.
      NOTE : En option, il est possible d’obtenir une plus grande goutte en attrapant plusieurs d'entre eux et en attente pour eux à fusionner avec celui déjà capturé. Il faut garder à l’esprit que se plusieurs sont pris, la masse augmente de gouttelettes afin que la puissance du laser peut ne pas suffire pour garder il fait de la lévitation.
4. Déterminer la taille d’une goutte.
   Remarque : Toutes les instructions ici se référer à la Figure 9.
   1. Appuyez sur le bouton de gouttelettes de dimensionnement pour observer le schéma de diffraction formé par la gouttelette piégée.
   2. Suivez la même procédure que dans le protocole d’expérimentation pratique (étape 1.3) pour déterminer la taille de la goutte par le patron de diffraction.
5. Déterminer la polarité de charge de gouttelettes.
   Remarque : Toutes les instructions ici se référer à la Figure 10.
   1. Cliquez sur le bouton suivi des gouttelettes pour afficher le graphique de la PSD et l’affichage de la webcam de la pipette.
   2. Cliquez sur l’onglet champ électrique en bas à gauche de l’interface utilisateur.
   3. Régler la tension DC à 100 V. Pour ce faire, cliquez sur le champ numérique vers la droite de l’étiquette (VCC) et entrez la valeur 100.
   4. Consultez le graphique PSD montrant la position de la gouttelette et observer si la gouttelette se déplace vers le haut ou vers le bas lorsque le champ électrique est appliqué.
      Remarque : La polarité des plaques est disposée de sorte que si une tension positive est appliquée, une gouttelette chargée négativement se déplace vers le bas et une gouttelette chargée positivement se déplace vers le haut.
   5. Maintenant, changez la valeur du champ électrique et vérifier que la gouttelette se déplace dans la direction opposée ; pour ce faire, entrez -100 dans le domaine numérique (VCC) .
6. Déterminer la charge de la gouttelette.
   Remarque : Toutes les instructions ici se référer à la Figure 10.
   1. Avoir une gouttelette pris au piège, cliquez sur la vue suivi de gouttelettes .
   2. Sélectionnez le menu de champ électrique .
   3. Définissez le champ électrique DC à zéro avec le champ numérique (VCC) .
   4. Estimer et notez une valeur moyenne de la position de gouttelettes donnée par le tableau et notez la puissance du laser.
   5. La valeur du champ électrique DC une valeur comprise entre + 500 V et -500 V faire la gouttelette de changer sa position.
   6. Réduire ou augmenter la puissance du laser avec le curseur jusqu'à ce que la goutte est dans sa position d’origine et notez la nouvelle valeur de la puissance du laser.
   7. Suivez la procédure décrite à l’étape 1.5.5 pour calculer les frais de gouttelettes.

Results

Lorsque le faisceau laser est bien aligné, et la plaque de fond est propre, les gouttes sont presque immédiatement pris au piège. Quand une goutte est pris au piège il peut rester dans le piège pendant plusieurs heures, en donnant suffisamment de temps pour les enquêtes. Le rayon r des gouttelettes est de l’ordre de 25 ≤ r ≤ 35 µm et la charge a été mesurée entre 1.1x10^-17 ±1.1 x10^-18 C et 5.5x10^-16 ±5. 5 x10^-17 C. La taille des gouttel...

Discussion

Cet ouvrage présente une configuration pour mener à bien une expérience de physique moderne où les gouttelettes sont optiquement lévitation. L’expérience peut être effectuée soit dans une façon traditionnelle, soit à distance. Avec la création du système distant, étudiants et chercheurs du monde entier peuvent accédez au montage expérimental. Cela garantit également la sécurité des utilisateurs, car ils n’ont pas besoin d’être en présence de la laser de haute puissance et champs électriques nécessaires à l’expérience. En...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laser GEM 532	Laser Quantum		Green avec puissance réglable entre 50 mW et 2 W
Capteur de position à effet latéral	THOR Lab	PDP90A	PSD pour sonder la position de la gouttelette dans la pipette
Kit de spectromètre éducatif avancé, Metric	THOR Lab	EDU-SPEB1/M	Miroirs et autres éléments pour contrôler le faisceau laser  ;
Pipette	fabriquée par		La chambre où la gouttelette est piégée a été spécialement conçue pour cette configuration
Alimentation AC / DC	Keithley Instruments, Inc.	Alimentation 2380-500-30	A pour générer le champ électrique (0V - 500V DC)
Unité de distribution d’alimentation	APC	AP7900	Une PDU pour connecter à distance l’instrumentation de laboratoire