Piéger optiquement de grosses particules métalliques dans l'air à l'aide d'un piège « bateau » avec des parois latérales tirées directement

Résumé

Cet article décrit la méthode expérimentale permettant d’obtenir un piégeage stable et de longue durée et un positionnement précis des grosses particules métalliques dans l’air à l’aide d’un piège photophorétique dynamique en forme de bateau. Ce système permet une manipulation contrôlée adaptée aux études d’interaction plasmonique.

Résumé

Nous présentons une méthode pour obtenir un piégeage optique stable de grandes particules métalliques (particules d’or solide de diamètre moyen de >1,16 μm, et microsphères recouvertes de conducteurs de >100 μm) en utilisant un faisceau focalisé, balayé par des modulateurs acousto-optiques pour tracer directement une section transversale de piège parabolique dans l’air.  Le résultat de cette action de tirage est la formation d’un piège « bateau », ouvert sur le dessus, capable d’attraper, charger et maintenir de manière stable de grosses particules métalliques sans sauter.  Un laser à onde continue de haute puissance de 532 nm est balayé dans les directions x et y, formant une distribution d’intensité en forme de bateau optimisée pour piéger les microsphères. La durée de piégeage est maximisée par un choix minutieux de la fréquence de tirage afin qu’elle soit suffisamment rapide pour paraître continue par rapport à la dynamique des particules, mais assez lente pour éviter la distorsion du piège. Ce protocole décrit la mise en place expérimentale, incluant la modulation laser, les techniques d’introduction des particules et la validation. Les microspheres recouvertes de carbone sont principalement utilisées pour visualiser et valider la formation et la stabilité des pièges, tandis que les nanoparticules d’or massif servent de cible aux études d’interaction plasmonique. Cette méthode permet de dessiner en temps réel l’une des nombreuses sections efficaces sur commande, afin d’offrir une approche robuste et flexible pour capturer, charger et transposer des particules en suspension dans l’air sur de longues périodes, avec des applications potentielles dans l’amélioration plasmonique de systèmes optiques lévités.

Introduction

Ce travail présente une méthode pour la capture, le placement et la manipulation précis de grosses particules métalliques dans l’air à l’aide d’un piège à bateau généré dynamiquement. Les approches antérieures — telles que celles utilisant des faisceaux gaussiens¹ faiblement focalisés, des pièges d’aberration², des champs de taches ^3,4,5 ou des faisceaux^{vortex 6,7} — souffrent de limitations clés, notamment le mouvement de^{rotation 1}, plusieurs loci de piégeage^stables 2,3,4,5, ou l’absence d’un site de piégeage unique et bien ^{défini 6,7}, ce qui, dans certaines géométries, peut entraîner des sautements entre plusieurs loci de piégeage^{stables 3,7} (voir Figure 1A).  Une exception notable est le piège axiconique orienté vers le haut, qui fournit un seul locus de piégeage, supporte le chargement vers le haut et—du moins théoriquement—permet la translation^{latérale 8}. La méthode décrite ici conserve ces avantages tout en introduisant trois améliorations cruciales : (1) piégeage robuste des particules métalliques, (2) une géométrie de faisceau horizontale, et (3) reconfigurabilité en temps réel du potentiel de piégeage via des parois optiques tracées directement.

Les approches pour piéger les particules d’or jusqu’à présent ont généralement été réalisées dans l’eau ^9,10,11, peuvent présenter des caractéristiques de piège qui confèrent un mouvement de^{rotation 12}, ou utiliser des faisceaux à contre-propagation qui inhibent la translation flexible d’une particule¹³ piégée. Pour surmonter ces défis pour les particules d’or massif de diamètre supérieur à 1 μm, un piège photophorétique dynamiquement modulé est utilisé.

Cette méthode s’applique à une grande variété de tailles et de types de particules, allant des amas de nanosphères de carbone de 20 nm aux microsphères en verre recouvert de 100 μm. Il est efficace aussi bien dans les environnements ouverts ambiants que fermés à pression partielle. La technique peut fonctionner à des puissances allant jusqu’à plusieurs dizaines de Watts.  Comme les pièges sont répartis en lignes plutôt qu’en points, avec la puissance optique répartie sur de vastes surfaces, la mise en œuvre pratique est la plus efficace à des puissances supérieures à 1 W.

Le mécanisme de piégeage repose sur la photophorèse positive, qui résulte d’un chauffage asymétrique de la particule par le faisceau laser. Lorsqu’une particule métallique absorbante est illuminée, le côté chaud émet des molécules de gaz avec plus de quantité de mouvement que le côté plus froid, ce qui entraîne une force nette qui repousse la particule loin de la lumière. Cette force photophorétique peut s’exprimer ainsi :

où C est un coefficient qui dépend de la géométrie de la particule, des propriétés des gaz et du coefficient d’accommodation thermique, et ∇T est le gradient de température le long de la surface de la particule. Dans ce système, cette force est dirigée vers le haut dans le piège et contrebalance la gravité, permettant une lévitation stable. Une dérivation plus détaillée de la force photophorétique — incluant à la fois la pression radiométrique et les effets de fluage thermique — est fournie dans Mirzaei-Ghormish et ^al.14.

Le piège à bateaux utilise un générateur d’onde arbitraire (AWG) pour contrôler les modulateurs acusto-optiques (AOM) afin de former une paroi optique à haute intensité créée par le balayage d’un faisceau laser à onde continue focalisée (CW) afin de générer un potentiel de piégeage parabolique^{stable 14} (voir Figure 1B).  Cette approche permet un contrôle précis de la forme du piège, permettant aux particules d’être piégées, maintenues immobiles et exposées sur une seule surface — des exigences clés pour des applications telles que l’approche des nanodiamants de particules plasmoniques d’or de dimension supérieure à 1 μm pour l’amélioration Purcell de la fluorescence¹¹ des nanodiamants

Protocole

Cette section décrit la préparation des particules et la construction de l’installation optique. Notez que cette configuration diffère des approches de formage de vortex, de diffracting et d’autres approches de modelage du front d’onde, qui aboutissent à une morphologie de piège unique (voir Gong et al. pour une revue des pièges de façonnage^{du front d’onde 8}). Dans cette configuration, en balayant une primitive de point focalisé, on peut créer de nombreuses sections transversales de pièges. Ainsi, bien que ce travail mette l’accent sur la morphologie des pièges à bateaux, sachez que la configuration décrite est suffisamment flexible pour créer de nombreuses autres géométries de pièges à traiter dans de futurs travaux.

1. Préparation des particules

1. Microsphères en verre recouvertes de carbone (utilisées pour la visualisation, Figure 2)
   1. Transférez 3 mL de microsphères dans une petite boîte de cristallisation propre (Figure 2A, à gauche) à l’aide d’une spatule propre. Effectuez cette étape dans une hotte à fumée pour éviter la dispersion massive des fines particules de verre.
      REMARQUE : La hotte a maintenu une pression négative, aspirant l’air vers l’intérieur avec une vitesse moyenne de face de 101 ft·^min-1.
   2. Couvrez la plaque avec un couvercle ou une montre et transférez-la dans un système d’évaporation par tige de carbone (Figure 2B).
   3. Réglez la routine d’évaporation à 3 impulsions à 73 A de courant d’impulsion, 3 s de longueur d’impulsion et un intervalle d’impulsion de 10 s (voir Tableau 1).
   4. Enlève le couvercle. Insérez la boîte à particules. Lance le programme de revêtement. Remplace le couvercle. Enlève le plat.
   5. Agitez la plaque en secouant les particules avec suffisamment de force pour aléatoirer la position des particules (Figure 2C). Retirez le couvercle et remettez la plaque dans le sac pour le recouvrir. Répétez 10 fois.
      REMARQUE : Après le revêtement, les particules ressembleront à celles de la Figure 2A, sur le côté droit. Notez également que la taille résultante de la microsphère revêtue de carbone reste pratiquement inchangée, car le revêtement de 20 nm est petit par rapport au diamètre moyen d’une microsphère recouverte de carbone, qui peut dépasser 60 μm.
   6. Couvrez les particules obtenues avec une lunette ou un film et gardez-les dans un environnement à faible taux d’humidité.
      REMARQUE : Tous les travaux de revêtement et expérimentaux ont été réalisés dans un environnement maintenu en laboratoire intérieur avec une température de 21-25 °C (70-75 °F) et une humidité relative de 20-45 %.
2. Particules d’or massif (utilisées pour des expériences plasmoniques)
   1. Les particules d’or massif sont vendues à sec avec un diamètre moyen de 1 μm (voir Figure 2D et Tableau des matériaux). Lorsque vous êtes prêt à être utilisé, transférez les particules séchées dans la chambre rotative de particules de verre (Figure 2E).

2. Installation du système optique

REMARQUE : Le dispositif optique est montré à la Figure 3. La liste complète des composants optiques et électriques nécessaires pour compléter l’installation est fournie dans le tableau des matériaux. Dans cette configuration, quatre objectifs identiques créent deux relais 4F en cascade qui imagent AOM₁ sur AOM₂. AOM₁ dévie le faisceau verticalement, AOM₂ le dévie horizontalement, et comme les distances focales sont égales, le plan conjugué d’AOM₁ coïncide avec AOM₂.

1. Source laser et alignement initial du faisceau
   1. Sur une table optique, placez une source laser capable de puissances de <5 mW à >5 W de 532 nm.
      REMARQUE : Le laser source utilisé dans ces expériences était capable de pièger des puissances supérieures à 10 W. À la sortie du laser et avant d’entrer dans AOM¹, le faisceau est collimé d’un diamètre d’environ 1,3 mm (1/e² d’intensité de largeur), mesuré à l’aide d’un profileur de faisceau. Une source de 532 nm a été choisie car elle est disponible en haute puissance, avec une bonne qualité de faisceau et une bonne absorption plasmonique des particules cibles.
   2. Réduisez la puissance du laser à <5 mW. Utilisez un polariseur pour déterminer si la polarisation est orientée verticalement. Si ce n’est pas le cas, faites pivoter le laser ou l’insérer et faire pivoter une plaque à demi-onde de haute puissance pour assurer l’orientation de polarisation verticale. Utilisez un élévateur à faisceau cinématique (Figure 4A, côté droit) et une règle pour régler la hauteur du faisceau à 23 ± 0,5 cm (cette hauteur est arbitraire mais s’est avérée pratique). Mesurez la hauteur du faisceau à 10 cm de l’élévateur et à 40 cm. Assurez-vous que ces deux mesures indiquent une hauteur de 23 cm.
      REMARQUE : L’OMA fonctionne par une interaction acousto-optique biréfringente en mode de cisaillement lent dans le dioxyde de tellure (TeO₂), ce qui nécessite que le faisceau d’entrée soit polarisé horizontalement. Le faisceau diffracté émerge avec une polarisation verticale en raison de la nature biréfringente de l’interaction. Puisque le premier AOM est physiquement tourné de 90° par rapport au système de coordonnées global, le faisceau d’entrée doit être polarisé verticalement en coordonnées globales pour s’aligner avec l’axe horizontal interne de polarisation de l’AOM.
2. Placement de l’objectif et de la lentille relais
   1. Ajustez le microscope à la hauteur du faisceau, orienté dans la direction -z, à une distance supérieure à 100 cm de la sortie de l’élévateur à faisceau (Figure 4A,B).
   2. Placez une lentille de transformée de Fourier à 10 cm dans la direction -z avec une surface convexe orientée dans la direction +z (Figure 4C,D).
   3. Placez les trois lentilles restantes à la transformée de Fourier espacées de 20 cm, avec des convexités alternées comme montré à la Figure 4E.
3. Configuration AOM
   1. Positionnez les AOM à 10 cm dans la direction -z des lentilles les plus proches et éloignées du laser, comme montré à la figure 5,B.
   2. Assurez-vous que l’AOM₁ (l’AOM le plus proche du laser) est orienté verticalement.
      REMARQUE : Dans cette instance, un support personnalisé imprimé en 3D a été créé à cet effet. Faites pivoter AOM₁ d’environ 2° par rapport à l’axe optique comme montré (Figure 5A).
   3. Placez AOM₂ à 10 cm de la lentille la plus éloignée du laser. Cette OMA sera orientée horizontalement (Figure 5B). Faites pivoter AOM₂ d’environ 2° par rapport à l’axe optique comme montré (Figure 5B).
   4. Allumez le laser à faible puissance (par exemple, <5 mW).
   5. Pour chaque canal de l’AWG, connectez un oscillateur contrôlé en tension (VCO), un amplificateur et un AOM (Figure 5C). Tout d’abord, connectez les amplificateurs aux AOM comme montré à la Figure 5D, E.
      REMARQUE : Il est important de s’assurer que les amplificateurs sont connectés à une charge avant d’être mis en marche. Les amplificateurs et les VCO prennent tous deux une alimentation de 12 V DC et peuvent être connectés à une source commune de 12 V avec des pinces banane, comme montré à la figure 5F.
4. Optimisation AOM
   1. Placez une ouverture dans le système comme montré à la Figure 6A.
   2. Avec l’AWG, ajustez le signal radiofréquence des deux AOM à une valeur de 175 MHz (~5 V sur le VCO).
      REMARQUE : Il y aura désormais deux faisceaux après AOM¹ et quatre faisceaux après AOM² (voir Figure 6B).
   3. Diminuez l’angle d’inclinaison de_{l’AOM 1} à zéro. Augmentez progressivement l’angle jusqu’à ce que le faisceau du premier ordre (le faisceau de passage en haut à droite, qui apparaît en regardant dans la direction -z comme montré à la Figure 6C) soit à son point le plus lumineux. L’AOM sera revenue à environ l’angle d’inclinaison initial de 2°.
   4. Réduisez l’inclinaison de l’AOM₂ à zéro. Augmentez progressivement l’angle jusqu’à ce que le faisceau du premier ordre soit à son apogée. L’AOM sera revenue à environ l’angle d’inclinaison initial de 2°.
      REMARQUE : L’efficacité moyenne de diffraction (lorsqu’elle est alimentée à 1 W de puissance électrique) était d’environ 70 % pour chaque AOM. L’efficacité optique totale du système était d’environ 30 %.
   5. Assurez-vous que les deux faisceaux sortant du premier AOM entrent dans le second. Assurez-vous que parmi les quatre faisceaux entrant dans la seconde zone de réponse, le faisceau supérieur droit soit choisi pour passer par une ouverture.
      REMARQUE : L’ouverture doit être suffisamment petite pour obstruer les « faisceaux de blocage » et permettre au « faisceau de passage » même lorsqu’il est dévié par l’AOM (Figure 6C,D).
   6. Placez un diviseur de faisceau comme montré à la Figure 6E pour diriger une partie du faisceau vers une surface d’observation (Figure 6E,F).
5. Contrôle AWG
   1. Avec les amplitudes AWG réglées à zéro (ou les sorties AWG réglées à « off »), le faisceau résultant à la surface d’observation ressemblera à un point (Figure 7A,B).
   2. Réglez le décalage vertical à 3 V, l’amplitude à 5 V et la fréquence à 4 kHz pour voir une ligne verticale (Figure 7C,D).
   3. Réglez le décalage horizontal à 3 V, l’amplitude à 5 V et la fréquence à 4 kHz pour voir une ligne diagonale (Figure 7E,F).
   4. Réglez la fréquence verticale du canal à 8 kHz et décalez de phase à 90° pour observer un motif de Lissajous (Figure 7G,H).
   5. Appuyez sur le bouton aligner la phase pour convertir le motif de Lissajous en une forme parabolique (Figure 7I,J).
   6. Ajustez le décalage de phase vertical du canal pour affiner la forme parabolique (Figure 7K,L).

3. Installation du système d’imagerie

REMARQUE : Le système d’imagerie permet une vision axiale (c’est-à-dire « frontale ») en éclairage arrière des particules et du profil du piège.

1. Caméra, filtre et interface
   REMARQUE : L’appareil a une vitesse maximale nominale de 751 fps ; cependant, le débit réel variera considérablement selon la résolution choisie et la latence du système. Dans ces expériences, le taux réel était d’environ 500 fps. La lecture était la plus utile à 1/100e de vitesse ou à 5 fps (en supposant qu’aucune image ne soit perdue lors de la capture).
   1. Placez une lentille télécentrique sur une scène linéaire (mobile le long de l’axe z) avec une focale de 45 mm, 55 mm devant l’objectif (+direction z, Figure 8A). Placez un filtre dichroïque conçu pour réfléchir la lumière de 532 nm (voir Tableau des matériaux) devant la lentille, comme montré à la figure 8A,B.
   2. Connectez l’appareil par USB à un PC avec un logiciel d’imagerie associé (voir Tableau des matériaux pour le type et la marque). Voir le tableau 2 pour les réglages initiaux de l’appareil).
   3. Inclinez légèrement le filtre dichroïque (5-10 °) jusqu’à ce que la forme du piège parabolique apparaisse (figure 8C,D).
   4. Placez l’appareil sur une scène linéaire (Figure 8E) et reculez l’objectif pour affiner la mise au point de l’image (Figure 8F).
   5. Éclairez le diviseur de faisceau avec une source lumineuse à fibre optique (Figure 8G).
   6. Ajustez la lumière de la fibre pour centrer son éclairage autour du piège parabolique (un exemple d’éclairage décentré dans la Figure 8H, et au centre dans la Figure 8I).

4. Charge et piégeage de particules

1. À l’aide d’une spatule de laboratoire, placez une petite quantité (~1 g) de particules à l’intérieur d’un cylindre en verre de 25 mm de long et 12 mm de diamètre, monté pour permettre la rotation selon l’axe du cylindre (Figure 9A).
2. Placez le cylindre en verre chargé centré à 15 mm (c’est-à-dire à la distance de travail de l’objectif) de l’objectif (Figure 9B).
3. Faites pivoter le cylindre (Figure 9C), tapez sur le cylindre, et observez l’affichage de la caméra. En tapotant, l’utilisateur peut observer les états suivants : par défaut/pas de particules piégées (Figure 9D), particules tombant (Figure 9E) et particules piégées (Figure 9F).

5. Suivi computationnel avec OpenCV

REMARQUE : Le suivi des particules et la quantification du temps de rétention ont été effectués à l’aide d’un programme personnalisé basé sur OpenCV (OpenCV version 4.6.0) développé en C++ et exécuté sous Microsoft Visual Studio 2022.

1. Logiciel d’installation
   1. Installez Visual Studio 2022 Community Edition (si l’usage de l’utilisateur le permet) à https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. Installez la charge de travail de développement sur Desktop avec C++ .
   2. Téléchargez et installez OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. Lors de l’installation, notez le répertoire d’installation.
   3. Téléchargez et installez NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html Il faut créer un compte pour l’installer. Lors de l’installation, notez le répertoire d’installation.
   4. Téléchargez et installez Pylon version 7.5.0.15658. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. Lors de l’installation, notez le répertoire d’installation.
2. Configuration logicielle
   1. Ouvre Visual Studio CE et crée un nouveau projet vide.
   2. Ajoutez un fichier source main.cpp et collez le code du fichier supplémentaire 1 ( main.cpp) dans le nouveau fichier source.
      REMARQUE : Copiez le code dans des fichiers créés par Visual Studio au lieu d’importer des fichiers externes afin d’éviter les conflits avec la structure de fichiers de projet de Visual Studio.
   3. Va dans Projet > PropriétésTonNomProjetIci.
   4. Changez la configuration à toutes les configurations, puis changez la plateforme en x64.
   5. Modifier les propriétés de configuration > General > C++ LanguageStandard en norme ISO C++14.
   6. Modifier les propriétés de configuration > C/C++ > générales > inclure les répertoires supplémentaires afin d’inclure les en-têtes OpenCV. Dans cette étude, ils ont été installés dans C :\Program Files\opencv\build\include.
   7. Dans la même boîte de texte Additional Include Directories , ajoutez les chemins vers les en-têtes de pylônes normaux et les en-têtes d’échantillons de pylône. Dans cette étude, ils ont été installés respectivement dans C :\Program Files\Basler\pylon 7\Development\ include et C :\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include respectivement.
   8. Dans la même boîte de texte Additional Include Directories, ajoutez les en-têtes de pylônes classiques et les en-têtes d’échantillons de pylône. Dans cette étude, ils ont été installés respectivement dans C :\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include et C :\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include respectivement.
   9. Dans la même boîte de texte Annuaires d’inclusion supplémentaire , ajoutez les en-têtes VISA. Dans cette étude, celles-ci ont été installées dans C :\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. Modifier les propriétés de configuration > Linker > les répertoires généraux > de bibliothèques supplémentaires afin qu’il inclue le dossier de la bibliothèque OpenCV. Dans cette étude, ils ont été installés dans C :\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. Dans la même boîte de texte des répertoires de bibliothèques supplémentaires , ajoutez le dossier pylon lib. Dans cette étude, ils ont été installés dans C :\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. Dans la même boîte de texte des répertoires de bibliothèques supplémentaires , ajoutez le dossier VISA lib. Dans cette étude, ces éléments ont été installés dans C :\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
   13. Changer la configuration en Déboguer, puis définir Modifier les propriétés de configuration > le liaison > Entrée > dépendances supplémentaires pour inclure à la fois opencv_world460d.lib et visa64.lib.
   14. Changer la configuration en Release, puis définir Modifier les propriétés de configuration > Linker > Entrée > dépendances supplémentaires pour inclure à la fois opencv_world460.lib et visa64.lib.
3. Calibration logicielle
   1. Lancez Visual Studio 2022 et ouvrez le projet de l’utilisateur, YourProjectNameHere.sln.
   2. Appuyez sur le bouton vert Courir/Jouer . Un flux vidéo et un terminal apparaîtront (Figure 10A).
   3. Assurez-vous que la parabole verte qui piége est visible. Sinon, ajustez la puissance, le filtrage et/ou l’alignement selon les besoins jusqu’à ce que la zone de piégeage soit visible.
   4. Capturez l’écran en appuyant d’abord sur la touche Windows + Maj + S , puis en cliquant puis en faisant glisser le pointeur de la souris du coin supérieur gauche vers le coin inférieur droit du flux vidéo (Figure 10B). L’utilitaire de capture d’écran génère une fenêtre contextuelle. Cliquez sur cette fenêtre contextuelle pour ouvrir l’éditeur de captures d’écran. Dans cet éditeur se trouve un bouton pour Modifier dans MS Paint. Cliquez sur le bouton Modifier dans MS Paint .
   5. Placez le curseur dans le coin supérieur gauche de la parabole affichée dans la fenêtre MS Paint. Notez les coordonnées affichées dans le coin inférieur gauche de la fenêtre MS Paint (Figure 10C). Les coordonnées sont appelées (xmin, ymin).
   6. Placez le curseur dans le coin inférieur droit de la parabole. Notez les coordonnées affichées dans le coin inférieur gauche de la fenêtre MS Paint. Les coordonnées sont appelées (xmax, ymax).
   7. Fermez le flux vidéo en appuyant sur la touche échap .
   8. Entrez xmin, xmax et ymin, ymax sur la ligne 280 dans la fonction is_trapped() de main.cpp dans le projet de l’utilisateur : par exemple, Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385)) ;
      REMARQUE : La première fonction Range prend xmin et xmax comme paramètres, tandis que la seconde fonction Range est ymin et ymax. Cela déterminera la fenêtre de détection pour la détection des particules (Figure 10D).
4. Sélection de fréquences
   1. Lance Visual Studio 2022 et ouvre le projet de l’utilisateur, YourProjectNameHere.sln si ce n’est pas déjà ouvert.
   2. Ouvre PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) ou l’invite de commandes.
      Run : python -c "import random ; imprimer(random.sample(range(0,101),101))"
      Copiez la liste générée des numéros de test.
      REMARQUE : Chaque nombre généré représente une fréquence. La correspondance mathématique du nombre à la fréquence est la suivante :
      f(n) = 100 • 10^{0,03 Hz}
      Domaine : n∈{0,1,...,100}
      Plage : f(0) = 100Hz jusqu’à f(100) = 100 000Hz (100 kHz)
      Les étapes sont espacées en log. Ce script est inclus en tant que fichier supplémentaire 2, numbershuffler.py pour la commodité du lecteur.
   3. Modifier la ligne 443 de main.cpp en copiant la liste générée des numéros dans la séquence des numéros de test : par exemple,
      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, 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. Sauve le projet.
5. Mener une expérience
   1. Préparez le laser. Laissez le laser terminer sa routine d’échauffement si nécessaire. Ouvrez l’obturateur laser et augmentez la puissance au niveau cible. C’était environ 8 W dans ce cas.
   2. Ouvre YourProjectNameHere.sln dans Visual Studio.
   3. Assurez-vous que la caméra est connectée au PC via USB.
   4. Assurez-vous que l’AWG est connecté via USB au PC.
      REMARQUE : Pour l’AWG listé dans le tableau des matériaux, le port USB correct pour le contrôle VISA est le port USB-B situé à l’arrière de l’instrument (Figure 11A).
   5. Assurez-vous que les amplificateurs sont terminés aux AOM. Allumez les alimentations du VCO.
   6. Allumez la lampe blanche et réglez-la pour éclairer uniformément la parabole.
      REMARQUE : Le code détectera les ombres de particules sombres, marquera les pièges réussis et chronométrera leur durée. Les résultats sont automatiquement exportés dans un fichier texte.
   7. Appuyez sur le bouton Exécuter/Jouer dans Visual Studio pour lancer le projet. Un flux vidéo apparaît.
      REMARQUE : Si le programme plante, essayez de passer des configurations de débogage à Release (voir les directives Microsoft : https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. Ajustez l’inclinaison du filtre à encoche jusqu’à ce que le laser à pleine puissance (≈8 W) soit à peine visible.
   9. Tapotez le tube en verre et observez l’alimentation alors que les particules tombent. Dans le cas des particules de microsphère de verre recouvertes de carbone, les particules apparaîtront comme des cercles noirs tombant rapidement dans le champ de vision de la caméra. Continue de taper. Le programme commencera à la première fréquence de la séquence de fréquences spécifiée. Une fois qu’il a enregistré 10 événements de piège de n’importe quelle durée (y compris les particules simplement passant par la zone de détection), il passera à la fréquence suivante dans la séquence. Si le nombre de particules tombant pendant le tapotage diminue, faites pivoter le tube en verre de 180° et reprenez le tapotement. Lorsque toutes les fréquences ont été testées, le programme se termine et l’utilisateur peut cesser de tapoter.
6. Visualisation des données
   1. Ouvrez le fichier results.txt (Fichier Supplémentaire 3) dans un éditeur de texte. Dans cette étude, le fichier était situé à C\ :Users\\source\nepos\\\ results.txt. Chaque fois que le programme est exécuté, de nouveaux résultats apparaissent sous un titre « Début d’un nouveau lot de résultats. » dans le format résultat : < temps de piège en ns>.
   2. Utilisez Chercher et Remplacer pour remplacer toutes les instances de « résultat : » par une virgule (,). Supprimez toutes les données non liées à l’exécution en cours. Utilisez Enregistrer sous pour enregistrer le fichier nettoyé en tant que results.csv.
   3. Ouvrez-results.csv dans un tableur. Copiez les numéros de test et les temps de piège du fichier .csv dans le tableur example.xlsx (Fichier supplémentaire 4). Collez les numéros de test dans la première colonne. La deuxième colonne se remplira automatiquement avec la fréquence d’écriture correspondante en Hz, calculée à partir des chiffres de test. Collez les données sur le temps de piège dans la troisième colonne. Des colonnes supplémentaires se rempliront automatiquement en appliquant des filtres tels que les filtres à temps minimum. Un graphique de nuage de points apparaîtra alors, affichant les points de données représentant les temps de piège par rapport à la fréquence de tirage des pièges (Figure 11B).
      REMARQUE : Le fichier STL pour le support AOM imprimable en 3D utilisé pour monter AOM₁ est affiché dans le Fichier Supplémentaire 5.

Résultats

Résultats pour les microspheres recouvertes de carbone

Les microsphères recouvertes de carbone offrent les particules les plus pratiques visuellement à piéger parmi les deux types de particules traitées dans cet article (c’est-à-dire les microspheres recouvertes de carbone et les particules d’or massif). Les microsphères recouvertes de carbone produisent des ombres sombres lorsqu’elles sont rétroéclairées, comme montré à

Discussion

La réussite de cette technique de piégeage repose sur une modulation précise des fréquences AOM et l’alignement correct des composants optiques. L’une des étapes les plus cruciales est de s’assurer que le faisceau laser à balayage génère un potentiel parabolique bien formé.  Bien que des focales plus courtes et des ouvertures numériques plus élevées améliorent généralement la rigidité et la confinement du piège, la commodité d’un objectif de longue distance de travail pour la charge et l...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	Utilisé pour imager les particules piégées; lentille télécentrique; étiqueté comme 'i' dans la Figure 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	Utilisé pour la collimation de faisceau et la superposition (alignement discuté); Optométrie de relais; étiqueté comme 'b' dans la Figure 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	Transformées de Fourier de la sortie des AOM; objectif; étiqueté comme 'g' dans la Figure 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	Utilisé pour améliorer le contraste d'image; Source de lumière blanche; étiqueté comme 'f' dans la Figure 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Modulateurs Acousto-optiques (AOM), balayage dans la direction y; Y-AOM; étiqueté comme 'a' dans la Figure 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM utilisé pour le balayage de faisceau dans la direction x; X-AOM; étiqueté comme 'c' dans la Figure 3
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	Utilisé pour détecter les particules; caméra; étiqueté comme 'j' dans la Figure 3
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	Équipé d'un logiciel d'acquisition de données et d'imagerie
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	Laser d'illumination; Source laser
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	Chambre rotative pour les particules; chambre de particules; étiqueté comme 'h' dans la Figure 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, utilisé pour la stabilisation de l'écoulement d'air
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	Utilisé pour les tests comparatifs
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	Particules d'or solide
model number TB-17	Minicircuits	15542	Utilisé pour amplifier le signal aux AOM; Amplificateurs RF; étiqueté comme 'm' dans la Figure 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	Utilisé pour filtrer spatialement les ordres diffractés; Aperture; étiqueté comme 'd' dans la Figure 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	utilisé pour introduire la lumière blanche le long de l'axe optique pour rétroéclairer les particules; séparateur de faisceau; étiqueté comme 'e' dans la Figure 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, utilisé pour le contrôle AOM; Générateur d'ondes arbitraires; étiqueté comme 'k' dans la Figure 3
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	Utilisé pour le réglage de fréquence AOM; oscillateurs à commande de tension (VCO); étiqueté comme 'l' dans la Figure 3