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

Il nostro lavoro descrive la costruzione e il funzionamento di una trappola ottica a forma di barca riconfigurabile per catturare e manipolare particelle nell'aria. I metodi di cattura esistenti contrastano tra localizzazione della trappola e area di cattura. Questo protocollo introduce una trappola per barche, ottenendo entrambe contemporaneamente.

Questo protocollo può essere applicato in ambienti di laboratorio standard in condizioni atmosferiche ambientali, seguendo protocolli di sicurezza laser di Classe 4. Dopo aver preparato le microsfere di vetro rivestite al carbonio, si installa il sistema ottico utilizzando un elevatore a fascio cinematico e un righello per impostare l'altezza del fascio a 23 centimetri. Riduci la potenza del laser a meno di 50 milliwatt.

Usa un polarizzatore per determinare se la polarizzazione è orientata verticalmente. Regolare il microscopio all'altezza del fascio rivolto nella direzione Z negativa a una distanza superiore a 100 centimetri dall'uscita dell'elevatore del fascio. Posizionare una lente della trasformata di Fourier a 10 centimetri nella direzione Z negativa, con la superficie convessa rivolta nella direzione Z positiva.

Poi posizionare le restanti tre lenti della trasformata di Fourier a 20 centimetri di distanza con convessità alternate. Posizionare i modulatori acusto-ottici a 10 centimetri nella direzione Z negativa rispetto alle lenti più vicine e terzamente più vicine al laser. Assicurarsi che il modulatore acusto-ottico più vicino al laser sia orientato verticalmente.

Posizionare il modulatore acusto-ottico a due decine di centimetri dalla lente terza più vicina al laser. Allinealo orizzontalmente e ruotalo di circa due gradi lontano dall'asse ottico. Per ogni canale del generatore di forma d'onda arbitraria, collega un oscillatore controllato in tensione, un amplificatore e un modulatore acusto-ottico.

Poi collega gli amplificatori ai modulatori acusto-ottici. Utilizzando il generatore di forme d'onda arbitrarie, imposta la tensione fornita a entrambi gli oscillatori controllati dalla tensione a cinque volt, corrispondenti a una frequenza di 100 megahertz. Poi diminuisci l'inclinazione del modulatore acusto-ottico a due a zero.

Aumentare gradualmente l'angolo finché il fascio di primo ordine raggiunge la sua luminosità massima. Allineare entrambi i fasci che escono dal primo modulatore acusto-ottico per entrare nel secondo modulatore. Dei quattro fasci che escono dal secondo modulatore acusto-ottico, permettono solo al fascio in alto a destra di passare attraverso l'apertura.

Successivamente, posiziona un divisore di fascio per indirizzare una porzione del fascio verso una superficie di osservazione. Con le ampiezza arbitrarie del generatore di forma d'onda impostate a zero, osserva il fascio risultante sulla superficie di osservazione che appare come un punto. Imposta lo sfasamento verticale a cinque volt, l'ampiezza a tre volt e la frequenza a quattro kilohertz.

Osserva il fascio che forma una linea verticale sulla superficie di osservazione. Poi regola lo spostamento del canale orizzontale a cinque volt, l'ampiezza a tre volt e la frequenza a quattro kilohertz. Il fascio dovrebbe formare una linea diagonale sulla superficie di osservazione.

Regolare il canale verticale a otto kilohertz e uno sfasamento di 90 gradi, risultando in un pattern di Lissajous sulla superficie di osservazione. Poi premi il pulsante Allineare la Fase per convertire il motivo di Lissajous in una forma parabolica. Regolare lo spostamento di fase verticale del canale per affinare la forma parabolica e osservare il pattern parabolico raffinato sulla superficie di osservazione.

Posizionare una lente telecentrica con una lunghezza focale di 45 millimetri su un palcoscenico lineare, posizionandola 55 millimetri davanti all'obiettivo nella direzione Z positiva. Poi posiziona un filtro dicroico progettato per riflettere la luce da 532 nanometri davanti all'obiettivo. Collega la fotocamera a un computer personale utilizzando un cavo Universal Serial Bus con il relativo software di imaging.

Poi inclina leggermente il filtro dicroico tra i cinque e i dieci gradi finché non appare la forma della trappola parabolica. Illumina il divisore di fascio con una sorgente di luce in fibra e regola la luce in fibra per centrare la sua illuminazione attorno alla trappola parabolica. Utilizzando una spatola da laboratorio, posizionare circa un grammo di particelle all'interno di un cilindro di vetro lungo 25 millimetri e diametro di 12 millimetri, montato per permettere la rotazione lungo l'asse del cilindro.

Posizionare il cilindro di vetro caricato al centro a 15 millimetri dall'obiettivo, corrispondente alla distanza di lavoro dell'obiettivo. Dopo aver ruotato e toccato il cilindro, osserva il display della telecamera che mostra particelle intrappolate di default o inesistenti, particelle che cadono e particelle intrappolate. Dopo aver installato e configurato il software, avvia Visual Studio 2022 e apri il file del progetto.

Premi il pulsante verde Run per avviare il programma. Osserva il feed video e il terminale che appaiono sullo schermo. Assicurati che la parabola verde che intrappolante sia visibile nel feed video.

Se non è visibile, regola potenza, filtraggio o allineamento finché non appare la regione di intrappolamento. Premi contemporaneamente i tasti Windows, Shift e S per catturare lo schermo. Clicca e trascina il puntatore del mouse dall'angolo in alto a sinistra all'angolo in basso a destra del feed video.

Clicca sul pop-up per aprire l'editor degli screenshot. Clicca sul pulsante Modifica in MS Paint all'interno dell'editor. Poi posiziona il cursore nell'angolo in alto a sinistra della parabola nella finestra di MS Paint.

Annota le coordinate mostrate nell'angolo in basso a sinistra come X minimo e Y minimo. Poi posiziona il cursore nell'angolo in basso a destra della parabola nella finestra di MS Paint. Annota le coordinate mostrate nell'angolo in basso a sinistra come X massimo e Y massimo.

Una volta fatto, chiudi il feed video premendo il tasto Escape. Inserisci X minimo, X massimo, Y minimo e Y massimo sulla riga 280 nella funzione is_trapped di main. CPP all'interno del progetto.

Per la randomizzazione della frequenza dei test, avvia Visual Studio 2022 e apri il file del progetto se non è già aperto. Apri PowerShell di Windows o il prompt dei comandi. Esegui il comando pythonc import random e stampa un campione casuale dall'intervallo zero a 101.

Poi copia la lista generata dei numeri di test. Modifica la riga 443 del main. CPP incollando la lista generata nella sequenza dei numeri di test e salvando il progetto in Visual Studio 2022.

Aumentare la potenza del laser al livello necessario per l'esperimento. Esegui l'esperimento cliccando sul pulsante verde di run e toccando e ruotando il tubo di particelle. Dopo che l'esperimento è terminato, apri i risultati.

file txt in un editor di testo. Osserva che ogni esecuzione di programma genera nuovi risultati sotto la testa, Inizio di un nuovo lotto di risultati, nel formato, numero di test, risultato, seguito da tempo di trappola in nanosecondi. Per la visualizzazione dei dati, copia i numeri di test e i tempi di trappola dal file Valori Separati dalla Virgola in example.xlsx.

Dopo aver applicato i filtri richiesti, osserva le colonne aggiuntive e un diagramma a scatter che popola il tempo di trappola rispetto alla frequenza di estrazione della trappola. Le microsfere rivestite di carbonio producono ombre scure quando vengono retroilluminate. Microsfere di vetro, particelle con dimensioni dell'ordine di 100 micrometri, si depositavano approssimativamente sul fondo della trappola parabolica.

Quando una particella veniva intrappolata con successo, il software automatico di rilevamento delle particelle mostrava una T rossa. Quando non veniva trovata alcuna particella intrappolata, il software mostrava una N verde. I tassi e le durate di catturatura possono aumentare o diminuire in funzione di variabili ambientali come temperatura o umidità. Le particelle d'oro massiccio dell'ordine di un micrometro non erano osservabili lungo l'asse ottico, ma la loro dispersione luminosa veniva osservata ortogonale all'asse. Le registrazioni video hanno confermato che le particelle hanno mantenuto la loro posizione per lunghi periodi superiori a diversi minuti.

Questo protocollo permette a un ricercatore di disegnare e modificare rapidamente una trappola per barca per intrappolare e muovere una grande varietà di particelle nell'aria. Studi futuri possono integrare il controllo Field Programmable Gate Array per consentire la manipolazione programmabile della forma della trappola, del peso e della posizione della sezione trasversale all'interno di un piano 2D.