לכידה אופטית של חלקיקים מתכתיים גדולים באוויר באמצעות מלכודת 'סירה' עם דפנות צדדיות מצוירות ישירות

סיכום

מאמר זה מתאר את השיטה הניסויית להשגת לכידת חלקיקים מתכתיים גדולים באוויר באמצעות מלכודת פוטופורטית דינמית בצורת סירה. מערכת זו מאפשרת מניפולציה מבוקרת המתאימה למחקרי אינטראקציה פלזמונית.

תקציר

אנו מציגים שיטה להשגת לכידה אופטית יציבה של חלקיקי מתכת גדולים (חלקיקי זהב מוצק בקוטר ממוצע >1.16 מיקרון, ו>מיקרוספירות מצופות מוליכים בקוטר 100 מיקרון) באמצעות קרן ממוקדת, שנסרקת על ידי מודולטורים אקוסטו-אופטיים לצייר ישירות חתך מלכודת פרבולי באוויר.  התוצאה של פעולת המשיכה הזו היא יצירת מלכודת 'סירה', פתוחה מלמעלה, המסוגלת לתפוס, לטעון ולהחזיק חלקיקים מתכתיים גדולים ביציבות מבלי לקפוץ.  לייזר 532 ננומטר רציף בעל הספק גבוה נסרק בשני כיווני ה-x וה-y, ויוצר התפלגות עוצמה בצורת סירה המותאמת ללכידת מיקרוספירות. משך הלכידה מוקסם על ידי בחירה זהירה של תדירות הציור כך שתהיה מהירה מספיק כדי להיראות רציפה יחסית לדינמיקת חלקיקים, אך איטית מספיק כדי למנוע עיוות מלכודת. פרוטוקול זה מתאר את ההגדרה הניסויית, כולל מודולציית לייזר, טכניקות הכנסת חלקיקים ואימות. מיקרוספירות מצופות פחמן משמשות בעיקר להמחשה ואימות היווצרות ויציבות המלכודת, בעוד שננו-חלקיקי זהב מוצק משמשים כמטרה למחקרי אינטראקציה פלזמונית. שיטה זו מאפשרת לצייר כל אחד ממספר חתכי רוחב לפי פקודה, בזמן אמת, כדי לספק גישה יציבה וגמישה ללכידה, טעינה ותרגום חלקיקים באוויר לאורך טווחי זמן ארוכים, עם יישומים פוטנציאליים בשיפור פלזמוני של מערכות אופטיות מרחפות.

מבוא

עבודה זו מציגה שיטה ללכידה, מיקום ומניפולציה מדויקת של חלקיקים מתכתיים גדולים באוויר באמצעות מלכודת סירות שנוצרת דינמית. גישות קודמות—כמו אלו המשתמשות בקרני גאוס^{ממוקדות באופן} רופף 1, מלכודות סטייה², שדות נקודות ^3,4,5, או קרני מערבולת ^6,7—סובלות ממגבלות מרכזיות, כולל תנועת סיבוב¹, אתרי לכידה יציבים ^מרובים 2,3,4,5, או היעדר אתר לכידה יחיד מוגדר^{היטב 6,7}, אשר בחלק מהגיאומטריות עשוי להוביל לקפיצה בין לוקוסי לכידת יציבים^{מרובים 3,7} (ראו איור 1A).  יוצא דופן בולט הוא מלכודת אקסיקון מכוונת כלפי מעלה, שמספקת לוקוס מלכודת יחיד, תומכת בטעינה עליונה, ולפחות תיאורטית מאפשרת תרגום רוחבי⁸. השיטה המתוארת כאן שומרת על היתרונות הללו תוך הצגת שלושה שיפורים קריטיים: (1) לכידת חלקיקים מתכתיים עמידים, (2) גאומטריית קרן אופקית, ו-(3) יכולת התאמה מחדש בזמן אמת של פוטנציאל הלכידה באמצעות קירות אופטיים שנציירו ישירות.

גישות ללכידת חלקיקי זהב עד כה בוצעו בדרך כלל במים ^9,10,11, עשויות להיות בעלות מאפייני מלכודת שמעניקים תנועה סיבובית¹², או להשתמש בקרניים נגד-מתפשטות שמעכבות את התרגום הגמיש של חלקיק¹³ הכלוא. כדי להתגבר על אתגרים אלו עבור חלקיקי זהב מוצק בקוטר מעל 1 מיקרון, נעשה שימוש במלכודת 'סירה' פוטופורטית מודולציה דינמית.

שיטה זו מתאימה למגוון רחב של גדלים וסוגי חלקיקים, מאשכולות ננו-כדורי פחמן בגודל 20 ננומטר ועד מיקרוספירות זכוכית מצופות 100 מיקרון. הוא יעיל הן בסביבות סביבה פתוחה והן בסביבות סגורות עם לחץ חלקי. הטכניקה יכולה לפעול בעוצמות של עד עשרות וואט.  מכיוון שהמלכודות מפוזרות כקווים ולא כנקודות, עם הספק אופטי מפוזר על שטחים נרחבים, יישום מעשי הוא היעיל ביותר בהספק מעל 1 וואט.

מנגנון הלכידה נשען על פוטופורזה חיובית, הנובעת מחימום א-סימטרי של החלקיק על ידי קרן הלייזר. כאשר חלקיק מתכתי סופג מואר, הצד החם פולט מולקולות גז עם תנע גדול יותר מהצד הקר, מה שיוצר כוח נקי שדוחף את החלקיק הרחק מהאור. כוח פוטופורטי זה ניתן לבטא כך:

כאשר C הוא מקדם התלוי בגאומטריית החלקיקים, תכונות הגז ומקדם התאמות התרמיות, ו-∇T הוא מדרג הטמפרטורה לאורך פני החלקיק. במערכת זו, הכוח הזה מופנה כלפי מעלה במלכודת ומנטרל את כוח הכבידה, מה שמאפשר ריחוף יציב. גזירה מפורטת יותר של כוח הפוטופורטיקה—הכוללת הן את הלחץ הרדיומטרי והן את אפקטי הזחילה התרמית—מסופקת ב-Mirzaei-Ghormish ואחרים^.

מלכודת הסירות משתמשת במחולל גל שרירותי (AWG) לשליטה במודולטורים אקוסטו-אופטיים (AOMs) ליצירת קיר אופטי בעוצמה גבוהה הנוצר על ידי סריקת קרן לייזר גל רציפה ממוקדת (CW) ליצירת פוטנציאל לכידת פרבולי יציב¹⁴ (ראו איור 1B).  גישה זו מאפשרת שליטה מדויקת על צורת המלכודת, ומאפשרת ללכוד, להחזיק בשקט ולחשוף חלקיקים על משטח אחד — דרישות מפתח ליישומים כמו קרבה ננו-יהלומים לחלקיקי פלזמוניה זהב בגודלם הגדול מ-1 מיקרון לשיפור פלוסצנציה של ננו-יהלומי^{Purcell 11}

פרוטוקול

סעיף זה מתאר את הכנת החלקיקים ואת בניית ההגדרה האופטית. יש לשים לב שמבנה זה שונה מגישות עיצוב חזית גל, מערבולת, עקיפה ושיטות אחרות, שמובילות למורפולוגיה של מלכודת יחידה (ראו Gong ואחרים לסקירה של מלכודות עיצוב חזית גל⁸). בהגדרה זו, על ידי סריקת נקודת פרימיטיב ממוקדת, ניתן ליצור חתכי רוחב רבים של מלכודת. לכן, בעוד שעבודה זו מדגישה את מורפולוגיית מלכודת הסירה, יש לדעת שההגדרה המתוארת גמישה מספיק כדי ליצור גיאומטריות מלכודות רבות נוספות שיטפלו בהן בעבודות עתידיות.

1. הכנת חלקיקים

1. מיקרוספירות זכוכית מצופות פחמן (משמשות להמחשה, איור 2)
   1. העבר 3 מ"ל מיקרוספירות לצלחת גבוש קטנה ונקייה (איור 2A, משמאל) באמצעות מרית נקייה. בצע את השלב הזה במכסה אדים כדי למנוע פיזור גדול של חלקיקי זכוכית דקים.
      הערה: מכסה האדים שמר על לחץ שלילי, ומשך אוויר פנימה במהירות פנים ממוצעת של 101 רגל-דקה ^ל-1.
   2. כסה את הצלחת במכסה או בזכוכית שעון והעבר למערכת אידוי מוטות פחמן (איור 2B).
   3. הגדר את שגרת האידוי ל-3 פולסים בזרם פולס 73 אמפר, אורך פולס של 3 שניות, ומרווח פולסים של 10 שניות (ראו טבלה 1).
   4. הסר את המכסה. הכנס צלחת חלקיקים. הרץ את תוכנית הציפויים. החלף את המכסה. הוציאו את המנה.
   5. ערבב את הצלחת על ידי ניעור החלקיקים בכוח מספיק כדי לאקרא את מיקומי החלקיקים (איור 2C). הסר את המכסה והחזר את הצלחת לתוך הציפוי לציפוי. חזור על זה 10 פעמים.
      הערה: לאחר הציפוי, החלקיקים ייראו כמו אלו שבאיור 2A, בצד ימין. יש לשים לב גם שגודל המיקרוספירה המצופה פחמן כמעט ולא השתנה, שכן ציפוי 20 ננומטר קטן בהשוואה לקוטר הממוצע של מיקרוספירה מצופה פחמן, שיכול לעלות על 60 מיקרון.
   6. כסו את החלקיקים הנוצרים בזכוכית שעון או סרט ושמרו אותם בסביבה מבוקרת לחות.
      הערה: כל עבודת הציפוי והניסוי בוצעו בסביבה שנשמרה בתנאי מעבדה פנימיים עם טמפרטורה של 21-25 מעלות צלזיוס (70-75 מעלות פרנהייט) ולחות יחסית של 20-45%.
2. חלקיקי זהב מלא (משמשים לניסויים פלסמוניים)
   1. חלקיקי זהב מלא נמכרים יבשים עם קוטר ממוצע של 1 מיקרון (ראו איור 2D וטבלת חומרים). כאשר הם מוכנים לשימוש, העבר את החלקיקים היבשים לתא חלקיקי הזכוכית המסתובב (איור 2E).

2. הקמת מערכת אופטית

הערה: ההגדרה האופטית מוצגת באיור 3. הרשימה המלאה של הרכיבים האופטיים והחשמליים הנדרשים להשלמת ההתקנה מסופקת בטבלת החומרים. בהגדרה זו, ארבע עדשות זהות יוצרות שני ממסרי 4F מדומים שמצלמים AOM₁ על AOM₂. AOM₁ מסטה את הקרן אנכית, AOM₂ מסטה אותה אופקית, ומכיוון שאורכי המוקד שווים, המישור הצמוד של AOM₁ חופף ל-AOM₂.

1. מקור הלייזר ויישור הקרן ההתחלתי
   1. על שולחן אופטי, הניחו מקור לייזר המסוגל להספק הספק בין <5 mW ל->5W של 532 ננומטר.
      הערה: לייזר המקור ששימש בניסויים אלו היה מסוגל להפיק כוחות מלכודת של מעל 10 וואט. ביציאת הלייזר ולפני כניסה ל-AOM¹, הקרן מקולמת בקוטר של כ-1.3 מ"מ (רוחב עוצמה של 1/e²), הנמדדת באמצעות פרופיילר קרן. מקור 532 ננומטר נבחר כי הוא זמין בעוצמה גבוהה עם איכות קרן טובה ובעל ספיגת פלזמונית טובה לחלקיקים המטרה.
   2. הפחיתו את עוצמת הלייזר ל-<5 mW. השתמש במקצב כדי לקבוע אם הקיטוב מכוון אנכית. אם לא, סובבו את הלייזר או הכניסו וסובבו פלטת חצי גל בעלת הספק גבוה כדי להבטיח כיוון קיטוב אנכי. השתמשו במעלית קרן קינמטית (איור 4A, צד ימין) וסרגל כדי לקבוע את גובה הקרן ל-23 ± 0.5 ס"מ (גובה זה שרירותי אך הוכיח את עצמו כנוח). מדדו את גובה הקורה ב-10 ס"מ מהמעלית וב-40 ס"מ. ודא ששתי המדידות הללו מציגות גובה של 23 ס"מ.
      הערה: ה-AOM פועל באמצעות אינטראקציה אקוסטו-אופטית דו-שבירה במצב גזירה איטי בדו-חמצני טלוריום (TeO₂), מה שמחייב את קרן הקלט להיות מקוטבת אופקית. הקרן המפותחת יוצאת עם קיטוב אנכי בשל אופיו הדו-שברי של האינטראקציה. מכיוון שה-AOM הראשון מסובב פיזית ב-90° יחסית למערכת הקואורדינטות הגלובלית, יש להקמת הקלט להיות מקוטבת אנכית בקואורדינטות גלובליות כדי ליישר את ציר הקיטוב האופקי הפנימי של ה-AOM.
2. מיקום עדשת המטרה והממסר
   1. כוון את המיקרוסקופ לגובה הקרן, הפונה בכיוון -z, במרחק הגדול מ-100 ס"מ מפלט מעלית הקרן (איור 4A,B).
   2. הנח עדשת טרנספורם פורייה 10 ס"מ בכיוון -z עם משטח קמור הפונה לכיוון +z (איור 4C,D).
   3. הניחו את שלוש עדשות פורייה הנותרות במרחק של 20 ס"מ זו מזו עם קמירות מתחלפות כפי שמוצג באיור 4E.
3. תצורת AOM
   1. המיקום של AOM נמצא 10 ס"מ בכיוון -z מהעדשות הקרובות והרחוקות ביותר מהלייזר, כפי שמוצג באיור 5,B.
   2. ודא ש-AOM₁ (ה-AOM הקרוב ביותר ללייזר) מכוון אנכית.
      הערה: בגרסה זו, נוצר מחזיק מודפס תלת-ממדי מותאם למטרה זו. סובב AOM₁ בערך 2° לכיוון הציר האופטי כפי שמוצג (איור 5A).
   3. הנח את AOM₂ במרחק 10 ס"מ מהעדשה הרחוק ביותר מהלייזר. ה-AOM הזה יהיה מכוון אופקית (איור 5B). סובב את AOM₂ בערך 2° הציר האופטי כפי שמוצג (איור 5B).
   4. הפעל את הלייזר לעוצמה נמוכה (למשל, <5 מ"וואט).
   5. לכל ערוץ ב-AWG, חבר אוסצילטור מבוקר מתח (VCO), מגבר ו-AOM אחד (איור 5C). ראשית, חבר את המגברים ל-AOMs כפי שמוצג באיור 5D, E.
      הערה: חשוב לוודא שהמגברים מחוברים לעומס לפני שהם מופעלים. מגברים ו-VCO שניהם צורכים 12 וולט DC וניתן לחבר אותם למקור משותף של 12 וולט עם קליפים של בננה כפי שמוצג באיור 5F.
4. אופטימיזציה של AOM
   1. הניחו צמצם במערכת כפי שמוצג באיור 6A.
   2. באמצעות ה-AWG, הפך את אות תדר הרדיו לשני ה-AOMs לערך של 175 MHz (~5 וולט ב-VCO).
      הערה: כעת יהיו שתי קרניים לאחר AOM¹ וארבע קרניים לאחר AOM² (ראו איור 6B).
   3. הפחת את זווית ההטיה של AOM₁ לאפס. הגדילו בהדרגה את הזווית עד שהקרן מסדר ראשון (קרן המעבר הימנית העליונה שמופיעה בכיוון -z כפי שמוצג באיור 6C) תהיה בבהירותה. ה-AOM יחזור בערך לזווית ההטיה המקורית של 2°.
   4. הורד את ההטיה של AOM₂ לאפס. הגדילו בהדרגה את הזווית עד שהקרן מסדר ראשון תהיה בבהירותה. ה-AOM יחזור בערך לזווית ההטיה המקורית של 2°.
      הערה: יעילות הדיפרקציה הממוצעת (כאשר מופעלת בהספק חשמלי של 1 וואט) הייתה כ-70% עבור כל AOM. היעילות האופטית הכוללת של המערכת הייתה כ-30%.
   5. ודא ששתי הקרניים היוצאות מה-AOM הראשונה נכנסות לשנייה. ודא שמבין ארבע הקרניים הנכנסות ל-AOM השני, הקרן הימנית העליונה נבחרת לעבור דרך פתח.
      הערה: הצמצם חייב להיות קטן מספיק כדי לחסום את 'קרני הבלוק' ולאפשר ל'קרן המעבר' להמשיך גם כאשר היא מוסטת על ידי ה-AOM (איור 6C,D).
   6. הצב מפצל קרן כפי שמוצג באיור 6E כדי לכוון חלק מהקרן אל משטח תצפית (איור 6E,F).
5. בקרת AWG
   1. כאשר אמפליטודות AWG מוגדרות לאפס (או פלטי AWG מוגדרים ל'כבוי'), הקרן המתקבלת על פני התצפית תיראה כנקודה (איור 7A,B).
   2. הגדר את הסטת הערוץ האנכי ל-3 וולט, משרעת ל-5 וולט, ולתדר ל-4 קילוהרץ כדי לראות קו אנכי (איור 7C,D).
   3. הגדר את הסטת הערוץ האופקי ל-3 וולט, משרעת ל-5 וולט, ותדר ל-4 קילוהרץ כדי לראות קו אלכסוני (איור 7E,F).
   4. הגדר את תדר הערוץ האנכי ל-8 קילוהרץ והסט של הפאזה ל-90° כדי לראות דפוס ליסאג'וס (איור 7G,H).
   5. לחץ על כפתור יישור פאזה כדי להמיר את תבנית הליסאסוס לצורה פרבולית (איור 7I,J).
   6. כוון את סטיית הפאזה של הערוץ האנכי כדי לחדד את הצורה הפרבולית (איור 7K,L).

3. הגדרת מערכת הדמיה

הערה: מערכת ההדמיה מאפשרת צפייה אקסיאלית (כלומר, 'חזיתית'), מוארת מאחור של חלקיקים ופרופיל המלכודת.

1. מצלמה, פילטר וממשק
   הערה: למצלמה יש מהירות מרבית נומינלית של 751 fps; עם זאת, הקצב בפועל ישתנה באופן דרמטי בהתאם לרזולוציה הנבחרת ולהשהיית המערכת. בניסויים אלו, הקצב בפועל היה כ-500 fps. ניגון היה הכי שימושי במהירות של 1/100 או 5 פריימים לשנייה (בהנחה שלא נפלו פריימים בזמן הלכידה).
   1. הניחו עדשה טלצנטרית על במה ליניארית (נעה לאורך ציר z) עם אורך מוקד של 45 מ"מ, 55 מ"מ לפני האובייקטיב (+כיוון z, איור 8A). הניחו מסנן דיכרואי המיועד להחזרת אור 532 ננומטר (ראו טבלת חומרים) מול העדשה כפי שמוצג באיור 8A,B.
   2. חבר את המצלמה באמצעות USB למחשב האישי עם תוכנת הדמיה נלווית (ראו טבלת חומרים לסוג ומותג). ראו טבלה 2 להגדרות המצלמה הראשוניות).
   3. הטה את המסנן הדיקרואי מעט (5-10 °) עד שצורת המלכודת הפרבולית מופיעה (איור 8C,D).
   4. מקם את המצלמה על במה ליניארית (איור 8E) והזיז את העדשה לאחור כדי לחדד את מיקוד התמונה (איור 8F).
   5. האירו את מפצל הקרניים באמצעות מקור אור סיב (איור 8G).
   6. כוונו את אור הסיב כך שמרכז את האור סביב המלכודת הפרבולית (דוגמה להארה לא ממורכזת באיור 8H, ובמרכז באיור 8I).

4. טעינת חלקיקים ולכידת

1. באמצעות מרית מעבדה, מניחים כמות קטנה (~1 גרם) של חלקיקים בתוך גליל זכוכית באורך 25 מ"מ וקוטר 12 מ"מ, המותקן כדי לאפשר סיבוב לאורך ציר הצילינדר (איור 9A).
2. הניחו את גליל הזכוכית הטעון במרכזו במרחק של 15 מ"מ (כלומר, מרחק עבודה אובייקטיבי) מהאובייקטיב (איור 9B).
3. סובבו את הצילינדר (איור 9C), הקישו עליו, וצפו בתצוגת המצלמה. כאשר המשתמש לוחץ, הוא עשוי להבחין במצבים הבאים: חלקיקים ברירת מחדל/אין לכודים (איור 9D), חלקיקים נופלים (איור 9E), וחלקיקים כלואים (איור 9F).

5. מעקב חישובי עם OpenCV

הערה: מעקב חלקיקים וכימות זמן שמירה בוצעו באמצעות תוכנה מותאמת מבוססת OpenCV (גרסה 4.6.0) שפותחה ב-C++ ובוצעה ב-Microsoft Visual Studio 2022.

1. התקנת תוכנה
   1. התקן את Visual Studio 2022 Community Edition (אם השימוש של המשתמש מאפשר) ב-https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. התקן את פיתוח הדסקטופ עם עומס עבודה ב-C++ .
   2. הורד והתקן את OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. בזמן ההתקנה, שים לב לתיקיית ההתקנה.
   3. הורד והתקן את NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html צריך ליצור חשבון כדי להתקין אותו. בזמן ההתקנה, שים לב לתיקיית ההתקנה.
   4. הורד והתקן את Pylon גרסה 7.5.0.15658. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. בזמן ההתקנה, שים לב לתיקיית ההתקנה.
2. תצורת תוכנה
   1. פתח את Visual Studio CE ויצר פרויקט ריק חדש.
   2. הוסף קובץ מקור main.cpp והדביק את הקוד מקובץ המשלים 1 ( main.cpp) לקובץ המקור החדש.
      הערה: העתק קוד לקבצים שנוצרו על ידי Visual Studio במקום לייבא קבצים חיצוניים כדי למנוע קונפליקטים עם מבנה קבצי הפרויקט של Visual Studio.
   3. עבור ל-Project > yourProjectNameHere properties.
   4. שנה תצורה לכל התצורות, ותשנה את הפלטפורמה ל-x64.
   5. שינוי תכונות הקונפיגורציה > Standard הכללי > C++ LanguageStandard לתקן ISO C++14.
   6. שינוי מאפייני הקונפיגורציה > C/C++ > כללי > כולל תיקיות נוספות כך שיכלול את כותרות OpenCV. במחקר זה, הם הותקנו ב-C:\Program Files\opencv\build\include.
   7. באותו תיבת טקסט של Include נוספות , הוסף את הנתיבים לכותרות הפיילון הרגילות, ולכותרות הדגימה של הפיילון. במחקר זה, אלה הותקנו ב-C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include וב-C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include בהתאמה.
   8. באותו תיבת טקסט של 'כולל תיקיות נוספות', הוסף את כותרות הפיילון הרגילות, ואת כותרות הדגימה של הפיילון. במחקר זה, אלה הותקנו ב-C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include וב-C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include בהתאמה.
   9. באותה תיבת טקסט של Include נוספות , הוסף את כותרות VISA. במחקר זה, אלה הותקנו ב-C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. לשנות מאפייני קונפיגורציה > Linker > תיקיות ספריות כלליות > נוספות כך שיכלול את תיקיית הספריות OpenCV. במחקר זה, אלה הותקנו ב-C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. באותה תיבת טקסט של ספריות נוספות , הוסף את תיקיית הספריות הפיילון. במחקר זה, אלה הותקנו ב-C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. באותה תיבת טקסט של ספריות נוספות , הוסף את תיקיית VISA lib. במחקר זה, אלה הותקנו ב-C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
   13. שנה את Configuration ל-Debug, ואז הגדר את Change Configuration Properties > Linker > Input > תלויות נוספות שיכלול גם את opencv_world460d.lib וגם את visa64.lib.
   14. שנה תצורה ל-Release, ואז הגדר את Change Configuration Properties > Linker > Input > תלויות נוספות שיכלול גם את opencv_world460.lib וגם את visa64.lib.
3. כיול תוכנה
   1. השיק את Visual Studio 2022 ופתח את הפרויקט של המשתמש, YourProjectNameHere.sln.
   2. לחץ על כפתור הירוק Run/Play . שידור וידאו וטרמינל יופיעו (איור 10A).
   3. ודאו שהפרבולה הירוקה של המלכודת גלויה. אם לא, כוון את החשמל, הסינון ו/או היישור לפי הצורך עד שאזור הלכידה יהיה גלוי.
   4. ללכוד את המסך על ידי לחיצה ראשונה על מקש Windows + Shift + S ואז לחיצה ואז גרירת מצביע העכבר מהפינה השמאלית העליונה לפינה הימנית התחתונה של שידור הווידאו (איור 10B). כלי צילום המסך ייצור חלון קופץ. לחצו על הפופ-אפ הזה כדי לפתוח את עורך צילומי המסך. בתוך העורך הזה יש כפתור לעריכה ב-MS Paint. לחצו על כפתור העריכה ב-MS Paint .
   5. הנח את הסמן בפינה השמאלית העליונה של הפרבולה שמוצג בחלון MS Paint. רשמו את הקואורדינטות המוצגות בפינה השמאלית התחתונה של חלון MS Paint (איור 10C). קואורדינטות נקראות (xmin, ymin).
   6. הנח את הסמן בפינה הימנית התחתונה של הפרבולה. הקלט את הקואורדינטות המוצגות בפינה השמאלית התחתונה של חלון MS Paint. קואורדינטות נקראות (xmax, ymax).
   7. סגור את שידור הווידאו על ידי לחיצה על מקש ה-escape .
   8. הכנס xmin, xmax ו-ymin, ymax בשורה 280 בפונקציה is_trapped() של main.cpp בתוך הפרויקט של המשתמש: לדוגמה, Mat cropped_image = input_image(טווח (335, 403), טווח (322, 385));
      הערה: פונקציית הטווח הראשונה לוקחת את xmin ו-xmax כפרמטרים, בעוד שפונקציית הטווח השנייה היא ymin ו-ymax. זה יקבע את חלון הזיהוי לגילוי החלקיקים (איור 10D).
4. בחירת תדרים
   1. השיק את Visual Studio 2022 ופתח את הפרויקט של המשתמש, YourProjectNameHere.sln אם לא כבר פתוח.
   2. Open PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) או שורת הפקודה.
      הרצה: python -c "ייבוא אקראי; print(random.sample(range(0,101),101))"
      העתק את רשימת מספרי הבדיקה שנוצרה.
      הערה: כל מספר שנוצר מייצג תדר. המיפוי המתמטי ממספר לתדירות הוא:
      f(n) = 100 • 10^0.03n Hz
      Domain: n∈{0,1,...,100}
      טווח: f(0) = 100Hz עד f(100) = 100,000Hz (100 kHz)
      השלבים מרווחים ביולוגית. תסריט זה כלול כקובץ משלים 2, numbershuffler.py לנוחות הקורא.
   3. עריכת שורה 443 של main.cpp על ידי העתקת רשימת המספרים שנוצרה לרצף מספרי הבדיקה: לדוגמה,
      וקטור 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. תשמור את הפרויקט.
5. ניהול ניסוי
   1. הכינו את הלייזר. אפשר ללייזר להשלים את שגרת החימום שלו במידת הצורך. פתח את תריס הלייזר והעלה את ההספק לרמת היעד. במקרה זה היה בערך 8 וואט.
   2. פתוח YourProjectNameHere.sln ב-Visual Studio.
   3. ודא שהמצלמה מחוברת למחשב דרך USB.
   4. ודא שה-AWG מחובר דרך USB למחשב.
      הערה: עבור ה-AWG המופיע בטבלת החומרים, יציאת ה-USB הנכונה לבקרת VISA היא יציאת USB-B הממוקמת מאחורי המכשיר (איור 11A).
   5. ודא שהמגברים מסתיימים ב-AOMs. הפעל את ספקי הכוח של ה-VCO.
   6. הדלק את מנורת האור הלבן וכיוון אותה כך שתאיר את הפרבולה באופן אחיד.
      הערה: הקוד יזהה צללים של חלקיקים כהים, יסמן מלכודות מוצלחות, ויתזמן את משך הזמן שלהן. התוצאות מיוצאות אוטומטית לקובץ טקסט.
   7. לחץ על כפתור הפעלה/הפעלה ב-Visual Studio כדי להריץ את הפרויקט. יופיע שידור וידאו.
      הערה: אם התוכנית קורסת, נסה לעבור בין הגדרות Debug ל-Release (ראו הנחיות מיקרוסופט: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. כוון את נטיית מסנן החריץ עד שהלייזר בעוצמה מלאה (≈8 וואט) כמעט לא נראה.
   9. טפח על צינור הזכוכית וצפה בהזנה כשהחלקיקים נופלים. במקרה של חלקיקי מיקרוספירות זכוכית מצופות פחמן, החלקיקים יופיעו כמעגלים שחורים הנופלים במהירות בשדה הראייה של המצלמה. תמשיך להקיש. התוכנית תתחיל בתדר הראשון של רצף התדרים שנקבע. לאחר שהוא רשם 10 אירועי מלכודת בכל אורך זמן (כולל חלקיקים שעוברים רק דרך אזור הגילוי), הוא יתקדם לתדר הבא ברצף. אם מספר החלקיקים הנופלים במהלך הנקישה קטן, סובבו את צינור הזכוכית ב-180° והמשיכו בנקישות. כאשר כל התדרים נבדקו, התוכנית תסתיים והמשתמש עשוי להפסיק להקיש.
6. ויזואליזציה של נתונים
   1. פתח את קובץ ה-results.txt (קובץ משלים 3) בעורך טקסט. במחקר זה, הקובץ נמצא בכתובת C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt. בכל פעם שהתוכנית מריצה, תוצאות חדשות מופיעות תחת הכותרת "התחלת אצווה חדשה של תוצאות." בפורמט <מספר בדיקה> התוצאה: <זמן מלכודת ב-ns>.
   2. השתמש ב-Find and Replace כדי להחליף את כל המופעים של "result:" בפסיק (,). מחק את כל הנתונים שאינם קשורים לריצה הנוכחית. השתמש בשמירה כ- כדי לשמור את הקובץ המנוקה כ-results.csv.
   3. פתח results.csv בגיליון אלקטרוני. העתק את מספרי הבדיקה וזמני המלכודת מקובץ .csv לגיליון האלקטרוני example.xlsx (קובץ משלים 4). הדביק את מספרי הבדיקה לעמודה הראשונה. העמודה השנייה תתמלא אוטומטית בתדירות הכתיבה המתאימה בהרץ, המחושב ממספרי הבדיקה. הדביק את נתוני זמן המלכודת בעמודה השלישית. עמודות נוספות יתמלאו אוטומטית על ידי החלת מסננים כמו מסנני זמן מינימלי. גרף פיזור יתמלא לאחר מכן, ויציג נקודות נתונים המייצגות זמני מלכודת לעומת תדירות ציור המלכודת (איור 11B).
      הערה: קובץ ה-STL של מחזיק ה-AOM הניתן להדפסה בתלת-ממד המשמש להרכבת AOM₁ מוצג בקובץ המשלים 5.

תוצאות

תוצאות עבור מיקרוספירות מצופות פחמן

מיקרוספירות מצופות פחמן מספקות את החלקיקים הנוחים ביותר ללכידה מבין שני סוגי החלקיקים שטופלו במאמר זה (כלומר, מיקרוספירות מצופות פחמן וחלקיקי זהב מוצק). מיקרוספירות מצופות פחמן מייצרות צללים כהים כאשר הן מוארות מאחור, כפי שמוצג באיור 9E,F.  זה הופך אותם לאידיאליים לאימות ההתקנה של ציוד מלכודת הסירות. הנראות הגבוהה שלהם מאפשרת להשתמש בתוכנת זיהוי חלקיקים אוטומטית...

דיון

היישום המוצלח של טכניקת הלכידה הזו נשען על מודולציה מדויקת של תדרי ה-AOM ועל יישור נכון של רכיבים אופטיים. אחד השלבים הקריטיים ביותר הוא להבטיח שקרן הלייזר הסורקת תייצר פוטנציאל פרבולי מעוצב היטב.  בעוד שאורכי מוקד קצרים יותר וצמצמים מספריים גבוהים משפרים בדרך כלל את קשיחות המלכודת והכליאה, הנוחות של מטרה למרחק עבודה ארוך לטעינת חלקיקים ותצפית עלתה על היתרונות הללו ביישום זה.

אספקת חשמל לקויה (<800 mW) נמצאה כמקור נפוץ למלכודות לא יציבות, במיוחד עבור חלקיקים ב...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	משמש לצלם חלקיקים לכודים; עדשה טלצנטרית; מסומן כ-'i' באיור 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	משמש למרכז קרן ועלפה (מיישרן דנונים); אופטיקה מתווכת; מסומן כ-'b' באיור 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	טרנספורמציות פורייה של פלט AOMs; עדשה; מסומן כ-'g' באיור 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	משמש לשיפור ניגודיות התמונה; מקור אור לבן; מסומן כ-'f' באיור 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Acousto-optic Modulators (AOM), סריקה בכיוון y; Y-AOM; מסומן כ-'a' באיור 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM המשמש לסריקת קרן בכיוון x; X-AOM; מסומן כ-'c' באיור 3
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	משמש לגילוי חלקיקים; מצלמה; מסומן כ-'j' באיור 3
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	מצויד בתוכנת רכישת נתונים ותמונות
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	לייזר תאורה; מקור לייזר
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	תא מסתובב לחלקיקים; תא חלקיקים; מסומן כ-'h' באיור 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, משמש לייצוב זרימת האוויר
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	משמש לבדיקות השוואתיות
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	חלקיקים מזהב מוצק
model number TB-17	Minicircuits	15542	משמש להגברת האות ל-AOMs; מגברי RF; מסומן כ-'m' באיור 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	משמש לסינון מרחבי של הסדרים המוחזרים; צמצם; מסומן כ-'d' באיור 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	משמש להכנסת אור לבן לאורך הציר האופטי לתאורה אחורית של חלקיקים; מפלג קרן; מסומן כ-'e' באיור 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, המשמש לבקרת AOM; מחולל גלים שרירותי; מסומן כ-'k' באיור 3
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	משמש לכוונון תדר AOM; מתנדים מבוקרי מתח (VCOs); מסומן כ-'l' באיור 3