Cattura ottica di grandi particelle metalliche nell'aria usando una trappola 'barca' con pareti laterali tirate direttamente

Sommario

Questo articolo descrive il metodo sperimentale per ottenere un intrappolamento stabile e di lunga durata e un posizionamento preciso di grandi particelle metalliche nell'aria utilizzando una trappola fotoforetica dinamica a forma di barca. Questo sistema consente una manipolazione controllata adatta agli studi di interazione plasmonica.

Abstract

Presentiamo un metodo per ottenere un intrappolamento ottico stabile di particelle metalliche di grandi dimensioni (particelle d'oro solido di diametro medio >1,16 μm e microsfere rivestite da conduttori di >100 μm) utilizzando un fascio focalizzato, scansionato da modulatori acusto-ottici per tracciare direttamente una sezione trasversale parabolica della trappola nell'aria.  Il risultato di questa azione di estrazione è la formazione di una trappola a 'barca', aperta sopra, capace di catturare, caricare e contenere stabilmente grandi particelle metalliche senza saltellare.  Un laser ad onde continue ad alta potenza da 532 nm viene scansionato sia nella direzione x che in quella y, formando una distribuzione di intensità a forma di barca ottimizzata per intrappolare microsfere. La durata di intrappolamento viene massimizzata selezionando attentamente la frequenza di estrazione in modo che sia abbastanza veloce da sembrare continua rispetto alla dinamica delle particelle, ma abbastanza lenta da evitare la distorsione della trappola. Questo protocollo descrive la configurazione sperimentale, inclusa modulazione laser, tecniche di introduzione delle particelle e validazione. Le microsfere rivestite di carbonio sono utilizzate principalmente per visualizzare e convalidare la formazione e la stabilità delle trappole, mentre le nanoparticelle d'oro solido fungono da bersaglio per gli studi di interazione plasmonica. Questo metodo consente di disegnare in tempo reale una qualsiasi delle numerose sezioni d'urto su comando, fornendo un approccio robusto e flessibile per catturare, caricare e traslare particelle sospese aeree su lunghe scale temporali, con potenziali applicazioni nel potenziamento plasmonico di sistemi ottici levitati.

Introduzione

Questo lavoro presenta un metodo per la cattura, posizionamento e manipolazione precisa di grandi particelle metalliche nell'aria utilizzando una trappola per barche generata dinamicamente. Gli approcci precedenti—come quelli che impiegano fasci gaussiani¹ a focalizzazione debolmente, trappole^{aberranti 2}, campi speckle ^3,4,5 o fasci^{vortice 6,7}—presentano limitazioni chiave, tra cui il moto rotazionale¹, più loci stabili di intrappolamento ^2,3,4,5 o la mancanza di un unico sito di intrappolamento ben^{definito 6,7}, che in alcune geometrie può portare a salti tra più loci stabili di intrappolamento ^3,7 (vedi Figura 1A).  Un'eccezione degna di nota è la trappola axico orientata verso l'alto, che fornisce un unico loco di trappolamento, supporta il carico dall'alto e—almeno teoricamente—consente la traslazione^{laterale 8}. Il metodo descritto qui mantiene tali vantaggi introducendo tre miglioramenti fondamentali: (1) intrappolamento robusto delle particelle metalliche, (2) una geometria orizzontale del fascio e (3) riconfigurabilità in tempo reale del potenziale di intrappolamento tramite pareti ottiche disegnate direttamente.

Gli approcci finora per intrappolare particelle d'oro sono stati tipicamente eseguiti in acqua ^9,10,11, possono avere caratteristiche di trappola che conferiscono moto^{rotazionale 12}, oppure impiegare fasci a propagazione contraria che inibiscono la traslazione flessibile di una particella¹³ intrappolata. Per superare queste sfide per particelle d'oro solido con diametri superiori a 1 μm, viene utilizzata una trappola fotoforetica a 'barca' dinamicamente modulata.

Questo metodo è applicabile a una vasta gamma di dimensioni e tipi di particelle, dai cluster di nanosfere di carbonio da 20 nm a microsfere di vetro rivestite da 100 μm. È efficace sia in ambienti aperti che in ambienti chiusi a pressione parziale. La tecnica può funzionare a potenze fino a diverse decine di Watt.  Poiché le trappole sono distribuite come linee anziché come punti, con la potenza ottica distribuita su ampie aree, l'implementazione pratica è più efficace a potenze superiori a 1 W.

Il meccanismo di intrappolamento si basa sulla fotoforesi positiva, che deriva dal riscaldamento asimmetrico della particella da parte del fascio laser. Quando una particella metallica assorbente viene illuminata, il lato più caldo emette molecole di gas con maggiore quantità di moto rispetto al lato più freddo, generando una forza netta che spinge la particella lontano dalla luce. Questa forza fotoforetica può essere espressa come:

dove C è un coefficiente che dipende dalla geometria della particella, dalle proprietà del gas e dal coefficiente di accomodazione termica, e ∇T è il gradiente di temperatura lungo la superficie della particella. In questo sistema, questa forza viene diretta verso l'alto nella trappola e contrasta la gravità, permettendo una levitazione stabile. Una derivazione più dettagliata della forza fotoforetica—includendo sia gli effetti di pressione radiometrica che di flusso termico—è fornita in Mirzaei-Ghormish et ^al.14.

La trappola per barche utilizza un generatore arbitrario di forme d'onda (AWG) per controllare modulatori acusto-ottici (AOM) e formare una parete ottica ad alta intensità creata scansionando un fascio laser a onda continua focalizzata (CW) per generare un potenziale di intrappolamento parabolico^{stabile 14} (vedi Figura 1B).  Questo approccio consente un controllo preciso della forma della trappola, permettendo alle particelle di essere intrappolate, mantenute ferme ed esposte su una sola superficie—requisiti chiave per applicazioni come l'avvicinamento dei nanodiamanti a particelle plasmoniche d'oro di dimensione superiore a 1 μm per il potenziamento Purcell della fluorescenza del nanodiamante¹¹

Protocollo

Questa sezione descrive la preparazione delle particelle e la costruzione dell'impianto ottico. Si noti che questa configurazione differisce da quella dei vortice, diffracting e altri approcci di modellazione del fronte d'onda, che portano a una morfologia a singola trappola (vedi Gong et al. per una revisione delle trappole di modellazione del fronte^{d'onda 8}). In questo allestamento, scansionando una primitiva a punto focalizzato, si possono creare molte sezioni trasversali trappole. Pertanto, sebbene questo lavoro enfatizzi la morfologia delle trappole per barche, tieni presente che la configurazione descritta è abbastanza flessibile da creare molte altre geometrie delle trappole da trattare in lavori futuri.

1. Preparazione delle particelle

1. Microsfere di vetro rivestite al carbonio (usate per la visualizzazione, Figura 2)
   1. Trasferire 3 mL di microsfere in una piccola piastra di cristallizzazione pulita (Figura 2A, a sinistra) usando una spatola pulita. Esegui questo passaggio in una cappa per evitare la dispersione massiva di particelle di vetro fine.
      NOTA: La cappa ha mantenuto una pressione negativa, aspirando aria verso l'interno con una velocità media facciale di 101 ft·^min-1.
   2. Copri il piatto con un coperchio o un vetro per orologio e trasferisci in un sistema di evaporazione a barre di carbonio (Figura 2B).
   3. Imposta la routine di evaporazione a 3 impulsi a 73 A di corrente d'impulso, 3 s di lunghezza dell'impulso e intervallo di 10 s (vedi Tabella 1).
   4. Togli il coperchio. Inserisci il piatto di particelle. Esegui il programma di rivestimento. Sostituisci il coperchio. Togli il piatto.
   5. Agitare il piatto scuotendo le particelle con una forza sufficiente da randomizzare le posizioni delle particelle (Figura 2C). Rimuovi il coperchio e rimetti il piatto nel rivestimento per il rivestimento. Ripeti 10 volte.
      NOTA: Dopo il rivestimento, le particelle appariranno come quelle della Figura 2A, sul lato destro. Si noti inoltre che la dimensione risultante della microsfera rivestita di carbonio è praticamente invariata, poiché il rivestimento da 20 nm è piccolo rispetto al diametro medio di una microsfera rivestita di carbonio, che può superare i 60 μm.
   6. Copri le particelle risultanti con un vetro o una pellicola e conservale in un ambiente con umidità controllata.
      NOTA: Tutti i lavori di rivestimento e sperimenti sono stati eseguiti in un ambiente mantenuto in condizioni di laboratorio al chiuso, con una temperatura di 21-25 °C (70-75 °F) e umidità relativa del 20-45%.
2. Particelle d'oro massiccio (usate per esperimenti plasmonici)
   1. Le particelle d'oro solido vengono vendute asciutte con diametri medi di 1 μm (vedi Figura 2D e Tabella dei Materiali). Quando pronto all'uso, trasferire le particelle secche nella camera rotante di particelle di vetro (Figura 2E).

2. Installazione del sistema ottico

NOTA: L'impostazione ottica è mostrata nella Figura 3. L'elenco completo dei componenti ottici ed elettrici necessari per completare l'installazione è fornito nella Tabella dei Materiali. In questa configurazione, quattro obiettivi identici creano due relè 4F a cascata che immanettono AOM₁ su AOM₂. AOM₁ devia il fascio verticalmente, AOM₂ lo defetta orizzontalmente e, poiché le lunghezze focali sono uguali, il piano coniugato di AOM₁ coincide con AOM₂.

1. Sorgente laser e allineamento iniziale del fascio
   1. Su un tavolo ottico, posizionare una sorgente laser in grado di fornire potenze da <5 mW a >5 W di luce da 532 nm.
      NOTA: Il laser sorgente utilizzato in questi esperimenti era in grado di fornire potenze di trappola superiori a 10 W. All'uscita del laser e prima di entrare in AOM¹, il fascio viene collimato con un diametro di circa 1,3 mm (larghezza di intensità 1/e²), misurato tramite un profiler di fascio. È stata scelta una sorgente da 532 nm perché disponibile ad alte potenze, buona qualità del fascio e con buona assorbimento plasmonico per le particelle bersaglio.
   2. Riduci la potenza del laser a <5 mW. Usa un polarizzatore per determinare se la polarizzazione è orientata verticalmente. Se non lo è, ruota il laser o l'inserimento e ruota una piastra a mezza onda ad alta potenza per garantire l'orientamento della polarizzazione verticale. Utilizzare un elevatore cinematico a fascio (Figura 4A, lato destro) e un righello per impostare l'altezza del fascio a 23 ± 0,5 cm (questa altezza è arbitraria ma si è dimostrata comoda). Misura l'altezza del fascio a 10 cm dall'elevatore e a 40 cm. Assicurati che entrambe queste misure indichino un'altezza di 23 cm.
      NOTA: L'AOM opera utilizzando un'interazione acousto-ottica birifringente in modalità di taglio lenta nel biossido di tellurio (TeO₂), che richiede che il fascio di ingresso sia polarizzato orizzontalmente. Il fascio diffratto emerge con polarizzazione verticale a causa della natura birrifringente dell'interazione. Poiché il primo AOM è fisicamente ruotato di 90° rispetto al sistema di coordinate globali, il fascio di ingresso deve essere polarizzato verticalmente in coordinate globali per allinearsi con l'asse di polarizzazione orizzontale interno dell'AOM.
2. Posizionamento dell'obiettivo e dell'obiettivo del relè
   1. Regolare il microscopio all'altezza del fascio, rivolto nella direzione -z, a una distanza superiore a 100 cm dall'uscita dell'elevatore a fascio (Figura 4A,B).
   2. Posiziona una lente a trasformata di Fourier a 10 cm nella direzione -z con una superficie convessa rivolta nella direzione +z (Figura 4C,D).
   3. Posizionare le restanti tre lenti della trasformata di Fourier a 20 cm di distanza con convessità alternate come mostrato nella Figura 4E.
3. Configurazione AOM
   1. Posizionare le AOM a 10 cm nella direzione -z dalle lenti più vicine e più lontane dal laser, come mostrato nella Figura 5,B.
   2. Assicurati che AOM₁ (l'AOM più vicino al laser) sia orientato verticalmente.
      NOTA: In questa istanziazione è stato creato un portaoggetti stampato in 3D personalizzato per questo scopo. Ruota AOM₁ di circa 2° verso l'asse ottico come mostrato (Figura 5A).
   3. Posiziona AOM₂ a 10 cm dall'obiettivo più lontano dal laser. Questa AOM sarà orientata orizzontalmente (Figura 5B). Ruota AOM₂ di circa 2° lontano dall'asse ottico come mostrato (Figura 5B).
   4. Accendi il laser a bassa potenza (ad esempio, <5 mW).
   5. Per ogni canale dell'AWG, collegare un oscillatore controllato in tensione (VCO), un amplificatore e un AOM (Figura 5C). Per prima cosa, collega gli amplificatori agli AOM come mostrato nella Figura 5D, E.
      NOTA: È importante assicurarsi che gli amplificatori siano collegati a un carico prima di essere accesi. Amplificatori e VCO assumono entrambi alimentazione DC a 12 V e possono essere collegati a una sorgente comune da 12 V con clip banana come mostrato nella Figura 5F.
4. Ottimizzazione AOM
   1. Inserire un'apertura nel sistema come mostrato nella Figura 6A.
   2. Utilizzando l'AWG, gira il segnale a radiofrequenza di entrambe le AOM a un valore di 175 MHz (~5 V sul VCO).
      NOTA: Ora ci saranno due fasci dopo AOM¹ e quattro fasci dopo AOM² (vedi Figura 6B).
   3. Riduci l'angolo di inclinazione_{dell'AOM 1} a zero. Aumentare gradualmente l'angolo finché il fascio di primo ordine (il fascio di passaggio in alto a destra, che appare guardando nella direzione -z come mostrato nella Figura 6C) raggiunge il suo massimo splendore. L'AOM sarà tornata approssimativamente all'angolo di inclinazione originale di 2°.
   4. Riduci l'inclinazione dell'AOM₂ a zero. Aumentare gradualmente l'angolo finché il fascio di primo ordine non raggiunge il suo massimo splendore. L'AOM sarà tornata approssimativamente all'angolo di inclinazione originale di 2°.
      NOTA: L'efficienza media di diffrazione (quando alimentata a 1 W di potenza elettrica) era di circa il 70% per ogni AOM. L'efficienza ottica totale del sistema era di circa il 30%.
   5. Assicurati che entrambi i fasci che escono dal primo AOM entrino nel secondo. Assicurati che, tra i quattro fasci che entrano nella seconda AOM, il fascio in alto a destra sia scelto per passare attraverso un'apertura.
      NOTA: L'apertura deve essere abbastanza piccola da ostruire i 'fasci di blocco' e permettere al 'fascio di passaggio' di procedere anche se deviato dall'AOM (Figura 6C,D).
   6. Posizionare un divisore di fascio come mostrato nella Figura 6E per dirigere una porzione del fascio verso una superficie di osservazione (Figura 6E,F).
5. Controllo AWG
   1. Con le ampiezze AWG impostate a zero (o le uscite AWG impostate su 'spenta'), il fascio risultante sulla superficie di osservazione sembrerà un punto (Figura 7A,B).
   2. Imposta lo spostamento del canale verticale a 3 V, l'ampiezza a 5 V e la frequenza a 4 kHz per vedere una linea verticale (Figura 7C,D).
   3. Imposta lo spostamento del canale orizzontale a 3 V, l'ampiezza a 5 V e la frequenza a 4 kHz per vedere una linea diagonale (Figura 7E,F).
   4. Imposta la frequenza verticale del canale a 8 kHz e lo sfasamento a 90° per vedere un pattern di Lissajous (Figura 7G,H).
   5. Premi il pulsante di allineamento della fase per convertire il motivo di Lissajous in una forma parabolica (Figura 7I,J).
   6. Regolare lo spostamento di fase verticale del canale per affinare la forma parabolica (Figura 7K,L).

3. Configurazione del sistema di imaging

NOTA: Il sistema di imaging consente la visuale assiale (cioè 'frontale'), retroilluminata delle particelle e del profilo della trappola.

1. Fotocamera, filtro e interfaccia
   NOTA: La fotocamera ha una velocità massima nominale di 751 fps; tuttavia, la velocità effettiva varierà drasticamente in base alla risoluzione scelta e alla latenza del sistema. In questi esperimenti, la velocità effettiva era di circa 500 fps. La riproduzione era più utile a velocità di 1/100 o 5 fps (supponendo che non venissero persi fotogrammi durante la cattura).
   1. Posizionare una lente telecentrica su un palco lineare (mobile lungo l'asse z) con una lunghezza focale di 45 mm, 55 mm davanti all'obiettivo (+direzione z, Figura 8A). Posizionare un filtro dicroico progettato per riflettere la luce a 532 nm (vedi Tabella dei materiali) davanti alla lente come mostrato nella Figura 8A,B.
   2. Collega la fotocamera tramite USB a un PC con il relativo software di imaging (vedi Tabella dei materiali per tipo e marchio). Vedi la Tabella 2 per le impostazioni iniziali della fotocamera).
   3. Inclinare leggermente il filtro dicroico (5-10°) finché non appare la forma della trappola parabolica (Figura 8C,D).
   4. Posiziona la fotocamera su un palco lineare (Figura 8E) e sposta l'obiettivo indietro per affinare la messa a fuoco dell'immagine (Figura 8F).
   5. Illuminare il divisore di fascio con una sorgente di luce in fibra (Figura 8G).
   6. Regola la luce in fibra per centrare la sua illuminazione attorno alla trappola parabolica (un esempio di illuminazione spostata nella Figura 8H, e on-center nella Figura 8I).

4. Carico e intrappolamento delle particelle

1. Utilizzando una spatola da laboratorio, posizionare una piccola quantità (~1 g) di particelle all'interno di un cilindro di vetro lungo 25 mm e diametro di 12 mm, montato per consentire la rotazione lungo l'asse del cilindro (Figura 9A).
2. Posizionare il cilindro di vetro carico al centro a 15 mm (cioè distanza di lavoro dell'obiettivo) dall'obiettivo (Figura 9B).
3. Ruota il cilindro (Figura 9C), tocca il cilindro e osserva il display della telecamera. Mentre l'utente tocca, può osservare i seguenti stati: particelle intrappolate di default/nessuna (Figura 9D), particelle che cadono (Figura 9E) e particelle intrappolate (Figura 9F).

5. Tracciamento computazionale con OpenCV

NOTA: Il tracciamento delle particelle e la quantificazione dei tempi di ritenzione sono stati eseguiti utilizzando un programma personalizzato basato su OpenCV (OpenCV versione 4.6.0) sviluppato in C++ ed eseguito in Microsoft Visual Studio 2022.

1. Installa software
   1. Installa Visual Studio 2022 Community Edition (se l'uso dell'utente lo consente) su https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. Installa il carico di lavoro di sviluppo desktop con C++ .
   2. Scarica e installa OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. Durante l'installazione, prendi nota della directory di installazione.
   3. Scarica e installa NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html Bisogna creare un account per installarlo. Durante l'installazione, prendi nota della directory di installazione.
   4. Scarica e installa la versione 7.5.0.15658 di Pylon. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. Durante l'installazione, prendi nota della directory di installazione.
2. Configurazione software
   1. Apri Visual Studio CE e crea un nuovo progetto vuoto.
   2. Aggiungi un file sorgente main.cpp e incolla il codice del File Supplementare 1 ( main.cpp) nel nuovo file sorgente.
      NOTA: Copia il codice in file creati da Visual Studio invece di importare file esterni per evitare conflitti con la struttura dei file di progetto di Visual Studio.
   3. Vai su Project > Proprietà YourProjectNameHere.
   4. Cambia la configurazione in tutte le configurazioni e cambia piattaforma in x64.
   5. Modifica le proprietà di configurazione > Standard del linguaggio generale > C++ allo standard ISO C++14.
   6. Modifica le proprietà di configurazione > C/C++ > generali > ulteriori include le directory in modo che includa le intestazioni OpenCV. In questo studio, questi sono stati installati in C:\Program Files\opencv\build\include.
   7. Nella stessa casella di testo Include Directories Aggiuntivi , aggiungi i percorsi alle intestazioni normali dei piloni e alle intestazioni campioni dei piloni. In questo studio, questi sono stati installati rispettivamente in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\ include e C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include .
   8. Nella stessa casella di testo Include Directories Aggiuntivi, aggiungi le normali intestazioni dei piloni e le intestazioni di campione dei piloni. In questo studio, questi sono stati installati rispettivamente in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include e C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include .
   9. Nella stessa casella di testo Cartelle Include Aggiunti , aggiungi le intestazioni VISA. In questo studio, questi sono stati installati in C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. Modifica le proprietà di configurazione > Linker > General > Additional Library Directories in modo che includa la cartella lib OpenCV. In questo studio, questi sono stati installati in C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. Nella stessa casella di testo delle Directorie Aggiuntive delle Librerie , aggiungi la cartella Pylon Lib. In questo studio, questi sono stati installati in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. Nella stessa casella di testo delle Directorie Aggiuntive delle Biblioteche , aggiungi la cartella VISA lib. In questo studio, questi sono stati installati in C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
   13. Cambia Configurazione in Debug, poi imposta Modifica Proprietà di Configurazione > Linker > Input > Dipendenze Aggiuntive per includere sia opencv_world460d.lib che visa64.lib.
   14. Cambia la configurazione in Release, poi imposta Modifica Proprietà di Configurazione > Linker > Input > Dipendenze Aggiuntive per includere sia opencv_world460.lib che visa64.lib.
3. Calibrazione software
   1. Avvia Visual Studio 2022 e apri il progetto dell'utente, YourProjectNameHere.sln.
   2. Premi il pulsante verde Run/Play . Appariranno un feed video e un terminale (Figura 10A).
   3. Assicurati che la parabola verde che intrappolante sia visibile. In caso contrario, regola potenza, filtraggio e/o allineamento secondo necessità finché la regione di intrappolamento non sarà visibile.
   4. Cattura lo schermo premendo prima il tasto Windows + Shift + S e poi cliccando e trascinando il puntatore del mouse dall'angolo in alto a sinistra all'angolo in basso a destra del feed video (Figura 10B). L'utility di cattura dello schermo genera un pop-up. Clicca su questo pop-up per aprire l'editor degli screenshot. All'interno di questo editor c'è un pulsante per Modifica in MS Paint. Clicca sul pulsante Modifica in MS Paint .
   5. Posiziona il cursore nell'angolo in alto a sinistra della parabola mostrata nella finestra di MS Paint. Annota le coordinate mostrate nell'angolo in basso a sinistra della finestra di MS Paint (Figura 10C). Le coordinate sono indicate come (xmin, ymin).
   6. Metti il cursore nell'angolo in basso a destra della parabola. Annota le coordinate mostrate nell'angolo in basso a sinistra della finestra di MS Paint. Le coordinate sono indicate come (xmax, ymax).
   7. Chiudi il feed video premendo il tasto escape .
   8. Inserisci xmin, xmax e ymin, ymax alla riga 280 nella funzione is_trapped() di main.cpp all'interno del progetto dell'utente: ad esempio, Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      NOTA: La prima funzione Range prende xmin e xmax come parametri, mentre la seconda funzione Range come ymin e ymax. Questo determinerà la finestra di rilevamento per la rilevazione delle particelle (Figura 10D).
4. Selezione della frequenza
   1. Avvia Visual Studio 2022 e apri il progetto dell'utente, YourProjectNameHere.sln se non già aperto.
   2. Apri PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) o il prompt dei comandi.
      Run: python -c "importa casualmente; stampa(random.sample(range(0,101),101))"
      Copia la lista generata dei numeri di test.
      NOTA: Ogni numero generato rappresenta una frequenza. La mappa matematica dal numero alla frequenza è:
      f(n) = 100 • 10^{0,03 Hz}
      Domain: n∈{0,1,...,100}
      Intervallo: f(0) = 100Hz fino a f(100) = 100.000Hz (100 kHz)
      I passi sono a distanza logaritmica. Questo script è incluso come Supplementary File 2, numbershuffler.py per comodità del lettore.
   3. Modifica la riga 443 di main.cpp copiando la lista generata dei numeri nella sequenza dei numeri di test: ad esempio,
      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, 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. Salva il progetto.
5. Condurre un esperimento
   1. Preparate il laser. Lascia che il laser completi la sua routine di riscaldamento se necessario. Apri l'otturatore laser e aumenta la potenza al livello bersaglio. In questo caso erano circa 8 W.
   2. Apri YourProjectNameHere.sln in Visual Studio.
   3. Assicurati che la fotocamera sia collegata al PC tramite USB.
   4. Assicurati che l'AWG sia collegato via USB al PC.
      NOTA: Per l'AWG elencato nella Tabella dei Materiali, la porta USB corretta per il controllo VISA è la porta USB-B situata sul retro dello strumento (Figura 11A).
   5. Assicurarsi che gli amplificatori siano terminati agli AOM. Accendi gli alimentatori del VCO.
   6. Accendi la lampada a luce bianca e regolala per illuminare uniformemente la parabola.
      NOTA: Il codice rileverà ombre di particelle scure, segnerà le trappole riuscite e ne cronometrerà la durata. I risultati vengono esportati automaticamente in un file di testo.
   7. Premi il pulsante Run/Play in Visual Studio per eseguire il progetto. Apparirà un feed video.
      NOTA: Se il programma va in crash, prova a passare tra configurazioni Debug e Release (vedi le linee guida Microsoft: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. Regola l'inclinazione del filtro a tacca finché il laser a piena potenza (≈8 W) non è appena visibile.
   9. Tocca il tubo di vetro e osserva l'alimentazione mentre le particelle cadono. Nel caso delle particelle di vetro rivestite di carbonio, le particelle appariranno come cerchi neri che cadono rapidamente nel campo visivo della telecamera. Continua a battere. Il programma inizierà alla prima frequenza della sequenza di frequenza specificata. Una volta registrati 10 eventi di trappola di qualsiasi durata (inclusi i particelli che semplicemente attraversano la zona di rilevamento), passerà alla frequenza successiva della sequenza. Se il numero di particelle cadenti durante il tap diminuisce, ruota il tubo di vetro di 180° e riprende il tapping. Quando tutte le frequenze sono state testate, il programma terminerà e l'utente potrà smettere di battere.
6. Visualizzazione dei dati
   1. Apri il file results.txt (File Supplementare 3) in un editor di testo. In questo studio, il file era trovato su C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt. Ogni volta che il programma viene eseguito, nuovi risultati appaiono sotto l'intitolazione "Inizio di un nuovo lotto di risultati." nel formato risultato: .
   2. Usa Trova e Sostituisci per sostituire tutte le istanze di "risultato:" con una virgola (,). Elimina tutti i dati non correlati alla run in corso. Usa Salva come per salvare il file pulito come results.csv.
   3. Apri results.csv in un foglio di calcolo. Copia i numeri di test e i tempi di trappola dal file .csv nel foglio di calcolo example.xlsx (File Supplementare 4). Incolla i numeri del test nella prima colonna. La seconda colonna si popolerà automaticamente con la frequenza di scrittura corrispondente in Hz, calcolata dai numeri del test. Incolla i dati sui tempi delle trappole nella terza colonna. Colonne aggiuntive si popoleranno automaticamente applicando filtri come i filtri a tempo minimo. Un grafico a scatter plot si popolerà poi, mostrando i dati che rappresentano i tempi delle trappole rispetto alla frequenza di estrazione delle trappole (Figura 11B).
      NOTA: Il file STL per il supporto AOM stampabile in 3D usato per montare AOM₁ è mostrato nel File Supplementare 5.

Risultati

Risultati per microsfere rivestite di carbonio

Le microsfere rivestite di carbonio forniscono le particelle visivamente più comode da intrappolare tra i due tipi di particelle trattati in questo articolo (ad esempio, microsfere rivestite di carbonio e particelle d'oro massiccio). Le microsfere rivestite di carbonio producono ombre scure quando vengono retroilluminate, come mostrato nella Figura 9E,F

Discussione

L'implementazione efficace di questa tecnica di trappolamento si basa sulla modulazione precisa delle frequenze AOM e sull'allineamento corretto dei componenti ottici. Uno dei passaggi più critici è assicurarsi che il fascio laser a scansione generi un potenziale parabolico ben formato.  Sebbene lunghezze focali più corte e aperture numeriche più elevate migliorino generalmente la rigidità e il confinamento del trappolone, la comodità di un obiettivo a lunga distanza di lavoro per il car...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	Usato per l'imaging di particelle intrappolate; lente telecentrica; indicato come 'i' nella Figura 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	Usato per la collimatione del fascio e la sovrapposizione (allineamento discusso); Ottica di Relay; indicato come 'b' nella Figura 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	trasformate di Fourier in uscita degli AOM; obiettivo; indicato come 'g' nella Figura 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	Usato per migliorare il contrasto dell'imaging; Sorgente di luce bianca; indicato come 'f' nella Figura 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Acousto-optic Modulators (AOM), scansione nella direzione y; Y-AOM; indicato come 'a' nella Figura 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM usato per la scansione del fascio nella direzione x; X-AOM; indicato come 'c' nella Figura 3
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	Usato per rilevare le particelle; telecamera; indicato come 'j' nella Figura 3
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	Dotato di software di acquisizione dati e imaging
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	Laser di illuminazione; Sorgente laser
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	camera rotante per particelle; camera per particelle; indicato come 'h' nella Figura 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, usato per la stabilizzazione del flusso d'aria
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	Usato per test comparativi
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	Particelle di oro solido
model number TB-17	Minicircuits	15542	Usato per amplificare il segnale agli AOM; RF Amplificatori; indicato come 'm' nella Figura 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	Usato per filtrare spazialmente gli ordini diffratti; Diaframma; indicato come 'd' nella Figura 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	usato per introdurre la luce bianca lungo l'asse ottico per il retroilluminamento delle particelle; divisore di fascio; indicato come 'e' nella Figura 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, usato per il controllo AOM; Generatore di forme d'onda arbitrario; indicato come 'k' nella Figura 3
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	Usato per la messa a punto della frequenza AOM; Oscillatori a tensione controllata (VCO); indicato come 'l' nella Figura 3