Sicuro sperimentazione in ottica levitazione di goccioline caricate utilizzando Remote Labs

Summary

Levitazione ottica è un metodo per levitare oggetti di dielettrico micrometro-dimensioni usando la luce laser. Che utilizzano computer e sistemi di automazione, un esperimento sulla levitazione ottico può essere controllato da remoto. Qui, vi presentiamo un sistema di levitazione ottica comandati a distanza che è utilizzato sia per la didattica e scopi di ricerca.

Abstract

Il lavoro presenta un esperimento che permette lo studio di molti processi fisici fondamentali, quali la pressione del fotone, diffrazione della luce o il movimento di particelle cariche in campi elettrici. In questo esperimento, un fascio laser focalizzato che punta verso l'alto levitare delle gocce liquide. Le goccioline sono levitated dalla pressione del fotone del raggio laser focalizzato che bilancia la forza gravitazionale. Il modello di diffrazione creato quando illuminato con la luce laser può aiutare a misurare la dimensione di una gocciolina intrappolata. La carica della goccia intrappolata può essere determinata studiando il movimento quando viene applicato un campo elettrico diretto verticalmente. Ci sono diverse ragioni che motivano questo esperimento per essere controllata in remoto. Gli investimenti necessari per l'installazione supera la quantità normalmente disponibile nei laboratori di insegnamento universitario. L'esperimento richiede che un laser di classe 4, che è nocivo per la pelle e gli occhi e l'esperimento utilizza tensioni dannose.

Introduction

Il fatto che la luce porta slancio fu suggerito da Kepler quando ha spiegato perché la coda di una cometa sempre punti lontano dal sole. L'uso di un laser per spostare e intrappolare oggetti macroscopici in primo luogo è stato segnalato da r. Ashkin e J. M. Dziedzic nel 1971 quando hanno dimostrato che è possibile per far levitare micrometro dimensioni dielettrico oggetti¹. L'oggetto intrappolato è stato esposto a un ascendente diretto il raggio laser. Parte del fascio laser è stata riflessa sull'oggetto che ha imposto una pressione di radiazione esercitata su di esso che era sufficiente a controbilanciare la gravità. La maggior parte della luce, tuttavia, era rifratta attraverso l'oggetto dielettrico. Il cambiamento della direzione della luce provoca un rinculo dell'oggetto.  L'effetto netto del rinculo per una particella collocato in un profilo di fascio gaussiano è che la goccia si muoverà verso la regione di più alta intensità della luce². Quindi, una posizione di cattura stabile è creata al centro del fascio laser in una posizione leggermente sopra il punto focale dove la pressione di radiazione equilibra gravità.

Poiché il metodo di levitazione ottico consente piccoli oggetti intercettati e controllati senza essere in contatto con eventuali oggetti, fenomeni fisici differenti possono essere studiati utilizzando una gocciolina sospesi. Tuttavia, l'esperimento presenta due limitazioni per essere riprodotto e applicato alle scuole o università, poiché non tutte le istituzioni possono permettersi l'attrezzatura necessaria e ci sono alcuni rischi nell'operazione di hands-on del laser.

Laboratori remoti (RLs) offrono accesso remoto online per l'apparecchiatura di vero e proprio laboratorio per attività sperimentali. RLs per la prima volta alla fine degli anni 90, con l'avvento di Internet, e la loro importanza e l'uso sono cresciuti nel corso degli anni, come la tecnologia è progredita e alcune delle loro principali preoccupazioni sono state solved³. Tuttavia, il nucleo di RLs è rimasta la stessa nel tempo: l'uso di un dispositivo elettronico con connessione a Internet per accedere a un laboratorio e controllare e monitorare un esperimento.

A causa della loro natura remota, RLs può essere utilizzato per offrire attività sperimentali per utenti senza esporli a rischi che possono essere associati con la realizzazione di tali esperimenti. Questi strumenti consentono agli studenti di trascorrere più tempo al lavoro con attrezzature di laboratorio e quindi sviluppano migliori capacità di laboratorio. Altri vantaggi di RLs sono che 1) facilitano per portatori di handicap eseguire lavoro sperimentale, 2) espandere il catalogo degli esperimenti offerti agli studenti condividendo RLs tra università e 3) aumentare la flessibilità nella pianificazione del lavoro di laboratorio, dal momento che può essere eseguito da casa quando è chiuso un laboratorio di fisica. Infine, RLs offrono anche formazione in sistemi controllati da computer, che al giorno d'oggi sono una parte importante della ricerca, lo sviluppo e l'industria di funzionamento. Di conseguenza, RLs solo non può offrire una soluzione per entrambi i problemi finanziari e di sicurezza che tradizionali laboratori presentano, ma anche forniscono opportunità sperimentali più interessanti.

Con la messa a punto sperimentale utilizzato in questo lavoro, è possibile misurare la dimensione e carica di una gocciolina intrappolata, studiare il moto delle particelle cariche in campi elettrici e analizzare come una sorgente radioattiva può essere utilizzata per modificare la carica su una goccia⁴ .

Nel setup sperimentale presentato, un potente laser è diretto verso l'alto e messo a fuoco nel centro di una cella di vetro⁴. Il laser è un 2 W 532 nm pompato a diodi laser a stato solido (CW), dove di solito circa 1 Watt (W) è usato. La lunghezza focale della lente dell'intrappolamento è 3,0 cm. goccioline vengono generate con un dispenser per gocce piezo e scendono attraverso il raggio laser fino a quando sono intrappolati appena sopra il fuoco del laser. Intrappolamento si verifica quando la forza da verso l'alto diretto pressione di radiazione è uguale alla forza gravitazionale diretta verso il basso. Non c'è alcun limite di tempo osservato per il trapping. Il più lungo tempo che è stato intrappolato un droplet è 9 ore, da allora in poi, la trappola è stata disattivata. L'interazione tra la goccia e campo laser produce un pattern di diffrazione che viene utilizzato per determinare le dimensioni delle goccioline.

Le goccioline emesse dal dispenser è costituito da 10% glicerolo e 90% di acqua. La parte di acqua evapora rapidamente, lasciando una goccia di glicerolo dimensioni 20-30 µm nella trappola. La dimensione massima di una goccia che può essere intercettata è circa 40 µm. Non c'è nessuna evaporazione osservato dopo circa 10 s. A questo punto, tutta l'acqua dovrebbe avere evaporato. Il tempo di cattura lungo senza qualsiasi evaporazione osservabile indica che c'è un assorbimento minimo e che la goccia è essenzialmente a temperatura ambiente. La tensione superficiale delle gocce li rende sferica. La carica delle goccioline generate dal dispenser per gocce dipende dalle condizioni ambientali in laboratorio, dove hanno più comunemente diventare caricati negativamente. La parte superiore e parte inferiore della cella intrappolamento è costituito da due elettrodi posti 25 mm apart. Essi può essere utilizzati per applicare un verticale elettrico corrente (continua CC) o corrente alternata (AC) campo sopra la goccia. Il campo elettrico non è abbastanza forte per creare qualsiasi archi anche se 1000 Volt (V) è applicato sopra gli elettrodi. Se viene utilizzato un campo DC, la goccia si muove verso l'alto o verso il basso nel raggio laser in una nuova posizione di equilibrio stabile. Se invece è applicato un campo di AC, la gocciolina oscilla intorno alla sua posizione di equilibrio. L'ampiezza delle oscillazioni dipende dalla dimensione e carica della goccia, l'intensità del campo elettrico e sulla rigidità della trappola laser. Un'immagine della goccia è proiettata su un rivelatore sensibile alla posizione (PSD), che consente agli utenti di tenere traccia della posizione verticale della goccia.

Questo lavoro presenta un'iniziativa di successo di modernizzare l'insegnamento e la ricerca utilizzando tecnologie dell'informazione e comunicazione attraverso un innovativo RL sulla levitazione ottica di goccioline cariche che illustra concetti moderni in fisica. Figura 1 illustra l'architettura del RL. La tabella 1 Mostra le possibili lesioni che possono causare i laser in base alla loro classe; In questa configurazione, è stato utilizzato un laser di classe IV, che è quella più pericolosa. Può funzionare con fino a 2.0 W della radiazione laser visibile, così la sicurezza fornita dall'operazione remota è chiaramente adatta per questo esperimento. La levitazione ottica di goccioline cariche di RL è stato presentato nell'opera di D. Galan et nel 2018⁵. In questo lavoro, è dimostrato come può essere utilizzato online da insegnanti che vogliono introdurre gli studenti ai moderni concetti di fisica senza dover essere preoccupati per i costi, la logistica o i problemi di sicurezza. Il RL di accesso gli studenti attraverso un portale web chiamato rete di laboratori interattivi di Università (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) in cui si possono trovare tutti i documenti riguardanti la teoria relazionato all'esperimento e l'uso di sperimentale installazione per mezzo di un'applicazione web. Utilizzando il concetto di un laboratorio remoto, lavoro sperimentale nella fisica moderna che richiede attrezzature costose e pericolose possono essere resi disponibile a nuovi gruppi di studenti. Inoltre, migliora l'apprendimento formale fornendo agli studenti tradizionali con più tempo di laboratorio e con esperimenti che normalmente non sono accessibili all'esterno di laboratori di ricerca.

Protocol

Nota: Il laser utilizzato in questo esperimento è un laser di classe IV consegna fino a 1 W di radiazione laser visibile. Tutto il personale presente in laboratorio laser devono hanno condotto la formazione sulla sicurezza laser adeguata.

1. protocollo sperimentale hands-on

1. Sicurezza
   1. Assicurarsi che tutti nel laboratorio è consapevoli che un laser si accende.
   2. Accendere la lampada spia laser in laboratorio.
   3. Verificare che nessun orologio o metallo anelli sono indossati e mettere gli occhiali laser.
   4. Controllare che le quattro tavole, più vicina all'esperimento di assorbimento della luce, sono a posto.
   5. Controllare lo spazio tra il laser e la piastra assorbente per ostacoli. Anche di verificare che lo spazio tra la cella di intrappolamento e il blocco del fascio sia libero da oggetti.
2. Preparare il software e l'esperimento.
   1. Accendere il computer di laboratorio. Attendere fino a quando è pronto per funzionare.
   2. Aprire la cartella di Avvio remoto dal desktop e fare clic sull'icona Main1806.vi. Eseguire il programma premendo la freccia in alto a sinistra.
      Nota: Verrà aperto il programma di controllo (per esempio, Labview) mostrato in Figura 2 e Figura 3 e si accende automaticamente l'alimentazione per il laser e il campo elettrico. Tutti i pulsanti a cui fa riferimento d'ora in avanti in questa sezione si riferiscono a quelli che compaiono in queste figure.
   3. Sotto "variabili di EJS", contrassegnare la casella di controllo denominato "Laser remoto Enable2" potenza e impostare "laser current2" a 25 in modo che la diapositiva di potenza laser a destra finisce al 25%. Osservare il fascio laser utilizzando occhiali laser di allineamento per assicurarsi che il fascio finisce nella discarica della trave. In caso contrario, regolare la posizione del dump fascio.
   4. Verifica versamento accidentale di liquidi2 e spostare la punta dell'erogatore goccia fino a quando le goccioline sono in calo il raggio laser. Eseguire questa operazione regolando la fase di traduzione contrassegnata con la lettera A nella Figura 4. A tale scopo, girare delicatamente le viti guida alla base della fase di traduzione fino a quando non viene raggiunta la posizione desiderata.
      1. Se non arrivano gocce, applicare un po' di pressione nella siringa fino a quando una gocciolina è mostrata nella punta dell'erogatore. Asciugarlo accuratamente (punta fragile) utilizzando una carta con acetone. Le goccioline dovrebbero ora cominciano ad arrivare. In questo caso, ricominciare dal punto 1.2.4.
   5. Aumentare la potenza del laser circa il 66% utilizzando il campo di input di corrente 2 Laser e trappola una gocciolina. Deselezionare il versamento accidentale di liquidi2 appena una gocciolina è intrappolata.
      Nota: La figura 5 Mostra una gocciolina catturata nell'ambiente sperimentale. Il punto verde inferiore corrisponde alla goccia reale, mentre quella superiore è suo riflesso sul vetro della cella in cui si trova la goccia. Da questo momento in poi, sarà che la goccia intrappolata ora è ripreso sul PSD.
3. Determinare la dimensione di una goccia.
   1. Regolare la potenza del laser fino a quando la posizione di PSD è il più vicina possibile a zero.
      Nota: poiché le goccioline possono essere intrappolate sotto o sopra le posizioni precedenti di intrappolamento, a seconda della potenza del laser o le dimensioni/peso. Questo passaggio viene eseguito per spostare l'immagine di goccia al centro del PSD.
   2. Osservare il modello di diffrazione creato sullo schermo (Vedi Figura 1). Scattare una foto con la webcam che è posizionata per osservare lo schermo da sotto.
      Nota: Il modello è causato da luce laser diffratto dalla gocciolina intrappolata.
   3. Utilizzare l'immagine per determinare distanze dalla riga contrassegnata 1 o due minimi arbitrari nell'immagine. La distanza è positiva se è più lontano la goccia che la riga contrassegnata 1, altro negativo. Quindi, aggiungere 40 cm per entrambe le distanze. Chiamare il più breve un₁e la più lunga un₂. Utilizzare 1 equazione per calcolare la dimensione della goccia:
      (1)
      dove x è la distanza verticale dal droplet per lo schermo (x = 23,5 cm), λ è la lunghezza d'onda della luce laser (λ = 532 nm) e Δn è il numero di frange (integer) tra i due minimi utilizzati nel calcolo.
      Nota: Quando la goccia è immaginata nel mezzo del PSD, la distanza (x), dalla goccia alla schermata è 23,5 ± 0,1 cm. Una spiegazione più dettagliata del processo può essere trovata nell'opera di J. Swithenbank et al. ⁶.
4. Determinare la polarità delle cariche della goccia.
   1. Scegliere la scheda esecuzione a destra delle variabili EJS e impostare il campo E DC control2 + 2 V (Vedi Figura 3). Fare attenzione, poiché la tensione sull'elettrodo è ora 200 V.
      Nota: La polarità della carica gocciolina è determinata osservando come la goccia rispondono a un campo elettrico verticale applicato. Uno schizzo di come viene applicato il campo elettrico può essere visto nella Figura 6
5. Determinare la carica della goccia
   Nota: Per calcolare la carica della goccia, è prima necessario misurare la dimensione della goccia. Il peso della goccia può essere determinato quindi poiché la densità del liquido è conosciuta. Figura 7 descrive schematicamente la procedura.
   1. Impostare il campo E DC control2 a zero.
   2. Stimare e prendere nota di un valore medio per la posizione della goccia dalla traccia PSD normalizzare posizione nel Grafico della forma d'onda.
   3. Nota il valore della potenza del laser. Questo valore sarà F_Rad1 nell'equazione 2.
   4. Impostare il campo E DC control2 tra + 1 e + 5 volt o -1 e -5 volt modo che la goccia si muove verso l'alto. La goccia è ora in una nuova posizione. Lentamente ridurre la potenza del laser fino a quando la goccia è tornato nella sua posizione originale come indicato nel passaggio 1.5.2. Annotare la nuova potenza del laser (F_Rad2).
      Se la goccia viene persa, verifica versamento accidentale di liquidi2 e ricominciare dal punto 1.2.4.
   5. Utilizzare la procedura seguente per calcolare la carica. In primo luogo, calcolare la forza del campo elettrico:
      (2)
   6. Determinare il carico assoluto utilizzando l'espressione
      (3)
      Qui d è la distanza tra gli elettrodi e U è la tensione applicata.

2. remoto sperimentazione protocollo

1. Accesso al laboratorio remoto.
   1. Aprire la pagina Web di UNILabs su un browser web: https://unilabs.dia.uned.es/
   2. Se necessario, selezionare la lingua desiderata. L'opzione si trova presso il primo elemento del menu sotto l'intestazione.
   3. Il login con i seguenti dati:
      Username: prova
      Password: prova
      Nota: Il telaio di login è sotto le informazioni notizie e introduzione della pagina Web.
   4. In zona corso, accanto all'area di login, clicca sul logo della Università di Göteborg (GU).
   5. Fare clic sulla Levitazione ottica per accedere al materiale di questo esperimento.
   6. Accesso remoto laboratorio cliccando sul Laboratorio remoto della levitazione ottica. Dopo di che, assicurarsi che il telaio principale della pagina Web Mostra l'interfaccia utente del laboratorio remoto, come mostrato in Figura 8.
2. Collegare al laboratorio ottico levitazione.
   Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 8.
   1. Fare clic sul pulsante Connetti . Se la connessione ha esito positivo, il testo del pulsante cambia in connesso.
      Nota: Quando un utente si connette al laboratorio remoto, emette un segnale acustico che avvisa altre persone nella zona circostante che qualcuno accende e manipolare il laser in modalità remota.
   2. Fare clic su rilevamento delle goccioline e verifica che i dati PSD viene ricevuti.
      Nota: Come non ci sono nessun goccioline catturate a questo punto, il valore ottenuto non è pertinente.
   3. Fare clic su vista generale per identificare tutti gli elementi del programma di installazione: il laser, il dispenser per gocce, la cella di intrappolamento e PSD.
3. Intercettare una gocciolina.
   Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 8.
   1. Una volta collegato il laboratorio remoto, fare clic sul pulsante catturare gocce di visualizzare la pipetta e l'ugello erogatore della gocciolina.
   2. Fare clic sul pulsante attivare laser per stabilire la connessione al laser.
      Nota: Il laser viene avviato manualmente e indipendentemente dal resto degli strumenti perché può danneggiare l'ambiente se non è correttamente allineato.
   3. Impostare la potenza del laser intorno al primo trimestre la striscia di controllo, che si trova sotto il pulsante attivare laser . Attendere che la luce verde è visibile.
   4. Controllare l'allineamento del laser.
      Nota: Se il laser è correttamente allineato, un fascio di luce sottile verde sarà visibili. In caso contrario, sarà percepita una macchia verde sparso. In caso di allineamento non corretto, arrestare il sistema e contattare i servizi di manutenzione del laboratorio. Per contattare i servizi di manutenzione, fare clic sull'icona che rappresenta una bolla di discorso, situato nell'angolo superiore sinistro della pagina Web UNILabs. Quindi fare clic su messaggio l'utente Admin , scrivere il messaggio nella parte inferiore che descrive il problema e premere Invia. Questo solitamente non accade, poiché tutte le ottiche sono fissi.
   5. Aumentare la potenza del laser a 3/4 della barra.
      Nota: Una potenza di 60% (550 mW) è sufficiente per catturare e mantenere una goccia levitava.
   6. Premere il pulsante Start gocce per accendere il dispenser per gocce.
   7. Guarda l'immagine della webcam e attendere fino a quando viene prodotto un flash. In quel momento, una gocciolina è stata catturata. Controllare di nuovo l'immagine della webcam e verificare che una gocciolina è levitante nel centro della cella dell'intrappolamento. Premere il tasto Stop gocce per spegnere il dispenser per gocce.
      Nota: Facoltativamente, è possibile ottenere una goccia più grande cattura molti di loro e in attesa di loro di fondersi con quella già catturato. È necessario tenere a mente che se molti sono catturati, l'aumenta la massa della gocciolina affinché la potenza del laser potrebbe non essere sufficiente per mantenerlo levitava.
4. Determinare la dimensione di una goccia.
   Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 9.
   1. Premere il pulsante di dimensionamento goccioline per osservare il modello di diffrazione formato dalla gocciolina intrappolata.
   2. Seguire la stessa procedura come il protocollo di sperimentazione pratica (passaggio 1.3) per determinare la dimensione della goccia mediante il modello di diffrazione.
5. Determinare la polarità di carica gocciolina.
   Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 10.
   1. Fare clic sul pulsante monitoraggio delle goccioline per visualizzare il grafico PSD e la visualizzazione di webcam della pipetta.
   2. Fare clic sulla scheda campo elettrico in basso a sinistra dell'interfaccia utente.
   3. Impostare la tensione di CC a 100 V. Per effettuare questa operazione, fare clic sul campo numerico a destra dell'etichetta DC (V) e immettere il valore 100.
   4. Controllare il grafico PSD che mostra la posizione della goccia e osservare se la goccia si muove verso l'alto o verso il basso quando il campo elettrico è applicato.
      Nota: La polarità delle piastre è organizzata in modo che se viene applicata una tensione positiva, una gocciolina di carica negativa si sposterà verso il basso e una gocciolina di carica positiva si sposterà verso l'alto.
   5. Ora modificare il valore del campo elettrico e verificare che la goccia si muove nella direzione opposta; per questo scopo, è necessario immettere -100 nel campo numerico di CC (V) .
6. Determinare la carica della goccia.
   Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 10.
   1. Avendo una gocciolina intrappolata, fare clic su visualizzazione monitoraggio delle goccioline .
   2. Selezionare il menu di campo elettrico .
   3. Impostare il campo elettrico DC a zero con il campo numerico di CC (V) .
   4. Stimare e nota un valore medio della posizione della gocciolina dato dal grafico e nota la potenza del laser.
   5. Impostare il campo elettrico DC su un valore compreso tra + 500 V e -500 V per rendere la goccia di modificarne la posizione.
   6. Ridurre o aumentare la potenza del laser con il dispositivo di scorrimento fino a quando la goccia è tornato nella sua posizione originale e annotare il nuovo valore della potenza del laser.
   7. Seguire la procedura descritta al punto 1.5.5 per calcolare la carica di goccia.

Results

Quando il raggio laser è ben allineato e la piastra inferiore è pulita, le gocce sono intrappolate quasi immediatamente. Quando una gocciolina è intrappolata può rimanere nella trappola per diverse ore, dando un sacco di tempo per le indagini. Il raggio r delle goccioline è nella gamma di 25 ≤ r ≤ 35 µm e la carica è stata misurata tra 1.1x10^-17 ±1.1 x10^-18 C e 5.5x10^-16 ±5.5 x10^-17 C. Le dimensioni delle goccioline rimangono, secondo l...

Discussion

Questo lavoro presenta un programma di installazione per lo svolgimento di un esperimento di fisica moderna in cui goccioline sono otticamente levitava. L'esperimento può essere eseguito sia in modo tradizionale e hands-on che in remoto. Con l'istituzione del sistema remoto, studenti e ricercatori in tutto il mondo possono ottenere accesso alla messa a punto sperimentale. Questo garantisce anche la sicurezza degli utenti, poiché non è necessario essere in presenza del laser ad alta potenza e campi elettrici necessari per...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
GEM 532	Laser Quantum		Green laser con potenza regolabile tra 50 mW e 2 W
Sensore di posizione ad effetto laterale	THOR Lab	PDP90A	PSD per rilevare la posizione della gocciolina nella pipetta
Kit spettrometro didattico avanzato,	THOR metrico da laboratorio	EDU-SPEB1/M	Specchi e altri elementi per controllare il raggio laser.
Pipetta	autocostruita		La camera in cui è intrappolata la gocciolina è stata realizzata appositamente per questa configurazione
Alimentatore AC/DC	Keithley Instruments, Inc.	2380-500-30	A alimentatore per generare il campo elettrico (0V - 500V DC)
Unità di distribuzione dell'alimentazione	APC	AP7900	A PDU per collegare in remoto la strumentazione di laboratorio