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

Notre travail décrit la construction et le fonctionnement d’un piège optique reconfigurable en forme de bateau pour capturer et manipuler les particules dans l’air. Les méthodes de piégeage existantes font un compromis entre la localisation du piège et la zone de capture. Ce protocole introduit un piège à bateau, réalisant les deux simultanément.

Ce protocole peut être appliqué dans des environnements de laboratoire standard dans des conditions d’air ambiant tout en respectant les protocoles de sécurité laser de classe 4. Après avoir préparé les microspheres en verre recouvertes de carbone, installez le système optique à l’aide d’un élévateur à faisceau cinématique et d’une règle pour fixer la hauteur du faisceau à 23 centimètres. Réduisez la puissance du laser à moins de 50 milliwatts.

Utilisez un polariseur pour déterminer si la polarisation est orientée verticalement. Ajustez le microscope à la hauteur du faisceau orienté dans la direction négative Z, à une distance supérieure à 100 centimètres de la sortie de l’élévateur à faisceau. Placez une lentille de transformée de Fourier à 10 centimètres dans la direction négative Z, avec la surface convexe orientée vers la direction Z positive.

Placez ensuite les trois lentilles restantes de transformée de Fourier espacées de 20 centimètres avec des convexités alternées. Positionnez les modulateurs acousto-optiques à 10 centimètres dans la direction négative Z, par rapport aux lentilles les plus proches et les tierces plus proches du laser. Assurez-vous que le modulateur acusto-optique le plus proche du laser est orienté verticalement.

Positionnez le modulateur acousto-optique à deux 10 centimètres de la lentille la plus proche du laser. Alignez-la horizontalement et faites-la pivoter d’environ deux degrés par rapport à l’axe optique. Pour chaque canal du générateur de forme d’onde arbitraire, connectez un oscillateur contrôlé en tension, un amplificateur et un modulateur acusto-optique.

Ensuite, connectez les amplificateurs aux modulateurs acusto-optiques. En utilisant le générateur de formes d’onde arbitraires, la tension fournie aux deux oscillateurs contrôlés en tension est de cinq volts, correspondant à une fréquence de 100 mégahertz. Puis diminuer l’inclinaison du modulateur acusto-optique de deux à zéro.

Augmentez progressivement l’angle jusqu’à ce que le faisceau du premier ordre atteigne sa luminosité maximale. Aligner les deux faisceaux sortant du premier modulateur acusto-optique pour entrer dans le second modulateur. Parmi les quatre faisceaux sortant du second modulateur acousto-optique, seuls le faisceau supérieur droit traverse l’ouverture.

Ensuite, placez un séparateur de faisceau pour diriger une partie du faisceau vers une surface d’observation. Avec les amplitudes arbitraires du générateur de formes d’onde réglées à zéro, observez le faisceau résultant à la surface d’observation apparaissant sous forme de point. Réglez le décalage vertical à cinq volts, l’amplitude à trois volts et la fréquence à quatre kilohertz.

Observez le faisceau formant une ligne verticale à la surface d’observation. Ensuite, ajustez le décalage du canal horizontal à cinq volts, l’amplitude à trois volts, et la fréquence à quatre kilohertz. Le faisceau doit former une ligne diagonale à la surface d’observation.

Ajustez le canal vertical à huit kilohertz et un décalage de phase de 90 degrés, ce qui donne un motif de Lissajous sur la surface d’observation. Ensuite, appuyez sur le bouton Aligner la phase pour convertir le motif de Lissajous en une forme parabolique. Ajustez le décalage de phase du canal vertical pour affiner la forme parabolique et observez le motif parabolique raffiné à la surface d’observation.

Placez un objectif télécentrique avec une focale de 45 millimètres sur une scène linéaire, en le positionnant à 55 millimètres devant l’objectif dans la direction Z positive. Ensuite, placez un filtre dichroïque conçu pour réfléchir la lumière de 532 nanomètres devant la lentille. Connectez l’appareil photo à un ordinateur personnel à l’aide d’un câble Universal Serial Bus avec le logiciel d’imagerie associé.

Ensuite, inclinez légèrement le filtre dichroïque entre cinq et dix degrés jusqu’à ce que la forme du piège parabolique apparaisse. Éclairez le séparateur de faisceau avec une source lumineuse à fibre et ajustez la lumière à fibre pour centrer son éclairage autour du piège parabolique. À l’aide d’une spatule de laboratoire, placez environ un gramme de particules à l’intérieur d’un cylindre en verre de 25 millimètres de long et de 12 millimètres de diamètre, monté pour permettre la rotation selon l’axe du cylindre.

Placez le cylindre en verre chargé centré à 15 millimètres de l’objectif, correspondant à la distance de travail de l’objectif. Après avoir fait pivoter et tapoté le cylindre, observez l’affichage de la caméra montrant les particules piégées par défaut ou pas prises, les particules tombant et les particules piégées. Après avoir installé et configuré le logiciel, lancez Visual Studio 2022 et ouvrez le fichier du projet.

Appuyez sur le bouton vert Run pour lancer le programme. Observez le flux vidéo et le terminal qui apparaissent à l’écran. Assurez-vous que la parabole verte de piégeage est visible sur le flux vidéo.

Si elle n’est pas visible, ajustez la puissance, le filtrage ou l’alignement jusqu’à ce que la zone de piégeage apparaisse. Appuyez simultanément sur les touches Windows, Maj et S pour capturer l’écran. Cliquez et glissez le pointeur de la souris du coin supérieur gauche vers le coin inférieur droit du flux vidéo.

Cliquez sur la fenêtre pop-up pour ouvrir l’éditeur de captures d’écran. Cliquez sur le bouton Modifier dans MS Paint dans l’éditeur. Ensuite, placez le curseur dans le coin supérieur gauche de la parabole dans la fenêtre MS Paint.

Notez les coordonnées affichées en bas à gauche comme X minimum et Y minimum. Ensuite, placez le curseur dans le coin inférieur droit de la parabole dans la fenêtre MS Paint. Notez les coordonnées indiquées en bas à gauche comme X maximum et Y maximum.

Une fois terminé, fermez le flux vidéo en appuyant sur la touche Échap. Entrez X minimum, X maximum, Y minimum et Y maximum sur la ligne 280 dans la fonction is_trapped de main. CPP dans le cadre du projet.

Pour la randomisation de la fréquence des tests, lancez Visual Studio 2022 et ouvrez le fichier projet s’il n’est pas déjà ouvert. Ouvre Windows PowerShell ou l’invite de commande. Exécutez la commande pythonc import random et imprimez un échantillon aléatoire de la plage zéro à 101.

Ensuite, copiez la liste générée des numéros de test. Modifier la ligne 443 de la ligne principale. CPP en collant la liste générée dans la séquence de numéros de test et en enregistrant le projet dans Visual Studio 2022.

Augmentez la puissance du laser au niveau nécessaire pour l’expérience. Faites l’expérience en cliquant sur le bouton vert de course et en tapotant et en faisant tourner le tube de particules. Après la fin de l’expérience, ouvrez les résultats.

fichier txt dans un éditeur de texte. Observez que chaque exécution de programme génère de nouveaux résultats sous le titre Début d’un nouveau lot de résultats, dans le format, numéro de test, résultat, suivi du temps de piège en nanosecondes. Pour la visualisation des données, copiez les numéros de test et les temps de piégeage du fichier Valeurs Séparées par les Comma-Separated dans example.xlsx.

Après avoir appliqué les filtres requis, observez les colonnes supplémentaires et un diagramme de points qui correspond au temps de piège par rapport à la fréquence de tirage des pièges. Les microsphères recouvertes de carbone produisent des ombres sombres lorsqu’elles sont rétroéclairées. Des microsphères de verre, particules de dimensions de l’ordre de 100 micromètres, se sont déposées approximativement au fond du piège parabolique.

Lorsqu’une particule était piégée avec succès, le logiciel automatisé de détection des particules affichait un T rouge. Lorsqu’aucune particule piégée n’était trouvée, le logiciel affichait un N vert. Les taux et durées de vie du piégeage pouvaient augmenter ou diminuer en fonction de variables environnementales telles que la température ou l’humidité. Les particules d’or massif de l’ordre d’un micromètre n’étaient pas observables le long de l’axe optique, mais leur diffusion lumineuse était observée orthogonale à l’axe. Les enregistrements vidéo ont confirmé que les particules sont restées en position pendant de longues durées, dépassant plusieurs minutes.

Ce protocole permet à un chercheur de dessiner et de modifier rapidement un piège à bateau pour piéger et déplacer une grande variété de particules dans l’air. Des études futures pourront intégrer le contrôle du réseau de portes programmable sur le champ pour permettre une manipulation programmable de la forme, de la pondération et de la section transversale du piège dans un plan 2D.