直接引き出された側面壁を持つ「ボート」トラップを用いて、空気中の大きな金属粒子を光学的に捕捉する方法

サマリー

本論文では、動的でボート型の光泳トラップを用いて、空気中の大きな金属粒子を長時間安定に捕獲し、正確な位置決めを実現する実験的方法について説明しています。このシステムはプラズモニック相互作用研究に適した制御された操作を可能にします。

要約

私たちは、集束ビームを用いて、音響光学変調器で空気中に放物線トラップ断面を直接描画し、大型金属粒子(>1.16μm平均直径の純金粒子および>100μm導体被覆微球)を安定的に光学的に捕捉する方法を提案します。 この引き出し作用の結果、上部が開いた「ボート」トラップが形成され、大きな金属粒子を跳ねずにキャッチ・積み込み・安定的に保持できます。 高出力の連続波532nmレーザーがx方向とy方向の両方で走査され、微小球を捕捉するのに最適化されたボート型の強度分布を形成します。トラップの持続時間は、粒子の動態に対して連続的に見えるほど速く、かつトラップ歪みを避けるために遅い描画周波数を慎重に選ぶことで最大化されます。このプロトコルは、レーザー変調、粒子導入技術、検証を含む実験セットアップを記述します。炭素被覆されたマイクロスフィアは主にトラップ形成と安定性の可視化と検証に用いられ、一方で純金ナノ粒子はプラズモニック相互作用研究のターゲットとして機能します。この方法は、複数の断面のいずれかをリアルタイムで指示で描画でき、長期間にわたって空気中の粒子を捕捉、ロード、移動させるための堅牢かつ柔軟なアプローチを提供し、浮上光学システムのプラズモニック増強に応用する可能性があります。

概要

この研究は、動的に生成されたボートトラップを用いて、空気中の大きな金属粒子を正確に捕捉、配置、操作する方法を提示します。従来の手法、例えば緩やかに集束したガウスビーム¹、収差トラップ²、スペックル場^3,4,5、渦ビーム^6,7などは、回転運動¹、複数の安定したトラップロキ^{2345、または}単一の明確に定義されたト^{ラップサイト6}の欠如など、重要な制約を抱えています^。これは、ある形状では複数の安定トラップ遺伝子座^3,7間を跳ね回ることがある(図1A参照)。 注目すべき例外として、上向きの軸状トラップは単一のトラップ環を提供し、トップローディングをサポートし、理論上は横方向並行移動8を許容^します。ここで説明する手法はこれらの利点を維持しつつ、3つの重要な改良点を導入しています:(1) 金属粒子の堅牢なトラップ、(2) 水平ビーム形状、(3) 直接描画光学壁によるトラップポテンシャルのリアルタイム再構成可能性。

これまでの金粒子の捕捉手法は、通常^{9,10,11の水中で}行われており、回転運動¹²をもたらすトラップ特性を持つ場合や、捕捉された粒子¹³の柔軟な平行移動を妨害する逆伝播ビームを用いる場合もあります。直径1μmを超える純金粒子に対するこれらの課題を克服するために、動的に変調された光動的「ボート」トラップが用いられます。

この方法は、20 nmの炭素ナノスフィアクラスターから100μmコーティングされたガラスマイクロスフィアまで、幅広い粒子サイズとタイプに適用可能です。開放型常温環境および閉鎖型分圧環境の両方で効果的です。この技術は数十ワットの出力で動作可能です。 トラップは点ではなく線状に分布し、光電力が広い範囲に分散するため、実用的な実装は1W以上の出力で最も効果的です。

このトラップ機構は、レーザービームによる粒子の非対称加熱によって生じる正の光泳に依存しています。吸収する金属粒子が照射されると、熱い側がより大きな運動量で気体分子を放出し、その結果、粒子を光から遠ざける力が生じます。この光動力は次のように表せます:

ここでCは粒子の形状、気体の性質、熱的収容係数に依存する係数であり、∇Tは粒子表面に沿った温度勾配です。このシステムでは、この力がトラップ内で上方に向けられ、重力に打ち消されて安定した浮遊が可能となります。放射圧と熱クリープ効果を含む光動力のより詳細な導出は、Mirzaei-Ghormishら¹⁴に記載されています。

ボートトラップは任意の波形発生装置(AWG)を用いて音響光学変調器(AOM)を制御し、集束連続波(CW)レーザービームをスキャンして安定した放物線トラップポテンシャル¹⁴を生成する高強度光学壁を形成します(図1B参照)。 このアプローチにより、トラップ形状を正確に制御でき、粒子を一つの表面に捕捉・固定・露出させることが可能になります。これは、ナノダイヤモンド蛍光のパーセル強化において1μmを超える金プラズモニック粒子にナノダイヤモンドを近づけるなどの応用における重要な要件です

プロトコル

この節では、粒子の調製と光学装置の構築について説明します。この構成は、渦、回折、その他の波面形成手法とは異なり、単一のトラップ形態を生じます(波面形成トラップ⁸のレビューはGongらを参照)。この構成では、焦点を合わせた点プリミティブをスキャンすることで、多くのトラップ断面を作成できます。したがって、本研究はボートトラップの形態を重視していますが、説明したセットアップは将来の研究で扱う多くのトラップ形状を柔軟に作り出すことに注意してください。

1. 粒子の調製

1. 炭素被覆ガラスマイクロスフィア(可視化に使用、 図2)
   1. 3mLの微小球を、清潔なスヘラを使って小さく清潔な結晶化皿(図2A、左)に移します。この工程は、微細なガラス粒子の大量拡散を防ぐために、排気フード内で実施してください。
      注:フームフードは負圧を維持し、平均面速度101フィート分¹で空気を内側に引き込みました。
   2. 皿を蓋や時計ガラスで覆い、カーボンロッド蒸発システムに移します(図2B)。
   3. 蒸発ルーチンを3パルス、73Aパルス電流、3秒パルス長、10秒パルス間隔に設定します( 表1参照)。
   4. 蓋を外せ。粒子皿を挿入します。コーティングプログラムを実行してください。蓋を交換してください。皿を片付けろ。
   5. 粒子を十分に振って粒子の位置をランダム化して撹拌します(図2C)。蓋を外して、皿をコーティングのためにコーターに戻します。これを10回繰り返します。
      注:コーティング後、粒子は 右側の図2Aのもののように見えます。また、炭素被覆マイクロスフィアの最終サイズはほぼ変わらず、20 nmのコーティングは炭素被覆マイクロスフィアの平均直径(60μmを超えることがある)に比べて小さいことに注意してください。
   6. できた粒子は時計やフィルムで覆い、湿度管理された環境で保管してください。
      注:すべてのコーティングおよび実験作業は、室内実験室の環境で、温度21-25°C(70-75°F)、相対湿度20-45%で行われました。
2. 純金粒子(プラズモニック実験に使用)
   1. 純金粒子は平均直径1μmのドライ販売されています( 図2D および 材料表参照)。使用準備が整ったら、乾燥粒子を回転ガラス粒子チャンバーに移します(図2E)。

2. 光学システムのセットアップ

注:光学装置は 図3に示されています。セットアップに必要な光学および電気部品の完全なリストは 材料表に記載されています。この構成では、4つの同一レンズが2つのカスケード4Fリレーを作り、AOM₁ をAOM₂にイメージします。AOM₁ はビームを垂直方向に偏向させ、AOM₂ は水平方向に偏向させ、焦点距離が等しいため、AOM₁ の共役面はAOM₂と一致します。

1. レーザー光源と初期ビームの整列
   1. 光学テーブルの上に、532 nmの光出力で<5 mWから>5 Wの出力を持つレーザー光源を置きます。
      注:これらの実験で使用されたソースレーザーは10Wを超えるトラップパワーを発生させることができました。レーザーの出力およびAOM¹に入る前に、ビームは直径約1.3 mm(強度1/e²)でコリメートされ、ビームプロファイラーで測定されます。532 nmの光源が選ばれたのは、高出力で良好なビーム品質があり、ターゲット粒子に対する良好なプラズモニック吸収が特徴だからです。
   2. レーザー出力を< mWに下げてください。偏光フィルターを使って偏光が垂直方向に向いているかどうかを判断します。もしそうでなければ、レーザーやインサートを回転させて高出力の半波長板を回転させ、垂直偏光の向きを確保してください。キネマティックビームエレベーター(図4A、右側)と定規を使って、ビームの高さを23±0.5cmに設定します(この高さは任意ですが、便利であることが証明されています)。エレベーターから10cm離れた位置と40cmの位置でビームの高さを測定します。両方の寸法で高さが23cmであることを確認しましょう。
      注:AOMは二酸化テルル(TeO₂)中の低速せん断モード複屈折音響-光学相互作用を用いて動作し、入力ビームが水平偏光である必要があります。回折ビームは、相互作用の複屈折特性により垂直偏波で現れます。最初のAOMはグローバル座標系に対して物理的に90°回転しているため、入力ビームはAOMの内部水平偏光軸に合わせてグローバル座標で垂直偏光する必要があります。
2. 対物レンズとリレーレンズの配置
   1. 顕微鏡をビームの高さに合わせて、ビームエレベーターの出力から100cm以上の距離で-z方向に調整します(図4A,B)。
   2. -z方向に10cmのフーリエ変換レンズを置き、+z方向に向いた凸面を置きます(図4C,D)。
   3. 残りの3つのフーリエ変換レンズを20cm間隔で配置し、図 4Eのように凸性を交互に配置します。
3. AOM構成
   1. AOMは、レーザーから最も近いレンズから-z方向に10cmの位置に配置します。図5,Bに示されています。
   2. レーザーに最も近い_AOM1 が垂直方向であることを確認しましょう。
      注:この実装では、この目的のためにカスタム3Dプリントホルダーが作成されました。AOM₁ を光学軸方向に約2°回転させます(図5A)。
   3. AOM₂ はレンズからレーザーから最も遠い10cmの位置に置きます。このAOMは水平方向に配置されます(図5B)。AOM₂ を光軸から約2°回転させます(図5B参照)。
   4. レーザーを低出力(例:< 5 mW)にオンにします。
   5. AWGの各チャンネルに対して、電圧制御発振器(VCO)、アンプ、そして1台のAOM(図5C)を接続します。まず、 図5D、Eに示されるようにアンプをAOMに接続します。
      注意:アンプは電源を入れる前に負荷に接続されていることを確認することが重要です。アンプとVCOはどちらも12V直流電源を消費し、 図5Fに示すようにバナナクリップで共通の12V電源に接続できます。
4. AOM最適化
   1. 図6Aに示されたようにシステム内に開口部を設置します。
   2. AWGを使って、両方のAOMへの無線周波数信号を175 MHz(VCOでは~5 V)に変換します。
      注:AOM¹ の後に2本、AOM² の後に4本のビームが増えます( 図6B参照)。
   3. AOM₁ の傾き角をゼロに下げます。角度を徐々に上げて、1次ビーム( 図6Cに示すように-z方向に見たときに現れる右上の「パスビーム」)が最も明るくなるまで進めます。AOMは元の傾き角であるおおよそ2°に戻っています。
   4. AOM₂ の傾きをゼロに下げます。角度を徐々に上げて、一等ビームが最も明るくなるまで続けます。AOMは元の傾き角であるおおよそ2°に戻っています。
      注:1Wの電力で駆動した場合の平均回折効率は、各AOMの約70%でした。システムの総光効率は約30%でした。
   5. 最初のAOMから出る両方のビームが2つ目のAOMに入っていることを確認してください。2つ目のAOMに入る4本のビームのうち、右上のビームが開口部を通過するようにしてください。
      注意:開口部は「ブロックビーム」を遮り、「パスビーム」がAOMによって偏向しても通過できるように十分に小さくなければなりません(図6C,D)。
   6. 図6Eに示されるようにビームスプリッターを設置し、ビームの一部を観測面に向けます(図6E、F)。
5. AWG制御
   1. AWG振幅をゼロに設定(またはAWG出力を「オフ」)とすると、観測面で得られるビームは点のように見えます(図7A,B)。
   2. 垂直チャンネルのオフセットを3V、振幅を5V、周波数を4kHzに設定すると、垂直線が表示されます(図7C,D)。
   3. 水平チャンネルのオフセットを3V、振幅を5V、周波数を4kHzに設定すると、斜めの線が表示されます(図7E,F)。
   4. 垂直チャンネル周波数を8kHzに、位相オフセットを90°に設定するとリッサジューパターンが表示されます(図7G,H)。
   5. アラインフェーズボタンを押すとリッサジューパターンを放物線形状に変換します(図7I,J)。
   6. 垂直チャネル位相オフセットを調整して放物線形状を精緻化します(図7K,L)。

3. イメージングシステムのセットアップ

注:イメージングシステムは軸方向(すなわち「正面から」)後方照射による粒子およびトラッププロファイルの観察を可能にします。

1. カメラ、フィルター、インターフェース
   注:カメラの名目上の最大速度は751fpsです。しかし、実際のレートは選択した解像度やシステムレイテンシによって大きく異なります。これらの実験では、実際の速度は約500fpsでした。再生は1/100速度または5fps(キャプチャ時にフレームが落ちていなければ)で最も便利でした。
   1. テレセントリックレンズを、焦点距離45mmの直線ステージ(z軸に沿って移動可能)に設置し、対物レンズより55mm前方(+z方向、図8A)に設置します。図8A,Bに示すように、532 nmの光を反射するよう設計された二色性フィルター(材料表参照)をレンズの前に置きます。
   2. カメラをUSBでPCに接続し、関連するイメージングソフトウェアを用いてください(種類とブランドについては 「材料表 」を参照)。初期カメラ設定については 表2 を参照してください。
   3. 二色性フィルターをわずかに(5〜10°)傾けて放物線トラップ形状が現れるまで行います(図8C,D)。
   4. カメラをリニアステージに置き(図8E)、レンズを後ろに動かして画像のピントを調整します(図8F)。
   5. ビームスプリッターをファイバー光源で照らします(図8G)。
   6. ファイバーライトを調整して、放物線トラップの周りに照明を集中させます( 図8Hのオフセンター照明の例、 図8Iの中心外照明の例)。

4. 粒子負荷と捕捉

1. 実験室用ヘラを使い、長さ25mm、直径12mmのガラスシリンダーの中に少量(~1g)の粒子を置き、円筒軸に沿って回転できるように取り付けます(図9A)。
2. 装填済みガラスシリンダーを対物レンズから15mm(つまり対物レンズ作動距離)中心に置きます(図9B)。
3. シリンダーを回転させ(図9C)、シリンダーをタップし、カメラの表示を観察します。ユーザーがタップすると、以下の状態を観察できます:デフォルト/トラップなし(図9D)、落下する粒子(図9E)、トラップされた粒子(図9F)。

5. OpenCVによる計算トラッキング

注:パーティクルトラッキングおよび保持時間の定量化は、C++で開発されMicrosoft Visual Studio 2022上で実行されたカスタムOpenCVベースのプログラム(OpenCVバージョン4.6.0)を使用して実施されました。

1. インストールソフトウェア
   1. ユーザーのユースケースが許せば、Visual Studio 2022 Community Editionを https://visualstudio.microsoft.com/downloads/ インストールしてください。 C++ワークロードでデスクトップ開発 をインストールしてください。
   2. OpenCVをダウンロードしてインストールしてください。https://github.com/opencv/opencv/releases。インストール時にはインストールディレクトリに注意してください。
   3. NI VISAをダウンロードしてインストールしてください。https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html インストールするにはアカウントを作成する必要があります。インストール時にはインストールディレクトリに注意してください。
   4. Pylonバージョン7.5.0.15658をダウンロードしてインストールしてください。https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/。インストール時にはインストールディレクトリに注意してください。
2. ソフトウェア構成
   1. Visual Studio CEを開いて、新しい空プロジェクトを作成します。
   2. main.cppソースファイルを追加し、補足ファイル1(main.cpp)のコードを新しいソースファイルに貼り付けます。
      注意:Visual Studioのプロジェクトファイル構造との競合を避けるため、外部ファイルをインポートせずにVisual Studioで作成されたファイルにコードをコピーしてください。
   3. Project > YourProjectNameHere プロパティにアクセスしてください。
   4. 設定をすべての構成に変更し、プラットフォームをx64に変更します。
   5. 構成プロパティを>一般的な > C++ 言語標準から ISO C++14 標準に変更します。
   6. 構成 プロパティ>C/C++>一般>追加インカリクトディレクトリ に変更し、OpenCVヘッダーを含めるようにします。この研究では、これらは C:\Program Files\opencv\build\includeにインストールされました。
   7. 同じ 追加ディレクトリのインクルー ブテキストボックス内で、通常のパイロンヘッダーとパイロンサンプルヘッダーへのパスを追加します。本研究では、それぞれC :\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include および C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include にインストールされました。
   8. 同じ 追加ディレクトリの含めるテキストボックス内に、通常のパイロンヘッダーとパイロンサンプルヘッダーを追加してください。本研究では、それぞれC :\Program Files\Basler\pylon 7\Development\includeおよびC:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include にインストールされました。
   9. 同じ 追加ディレクトリのテキスト ボックス内に、VISAヘッダーを追加してください。本研究では、これらの資料は C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Includeにインストールされました。
   10. Linker >設定プロパティを変更し>一般>追加ライブラリディレクトリ にOpenCV libフォルダを含めるようにします。この研究では、これらは C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\libにインストールされました。
   11. 同じ 追加ライブラリディレクトリ のテキストボックス内にpylonライブラリフォルダを追加してください。本研究では、これらは C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64にインストールされました。
   12. 同じ 追加ライブラリ ディレクトリのテキストボックス内にVISAライブラリフォルダを追加してください。本研究では、これらは C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\mscにインストールされました。
   13. 設定をデバッグに変更し、その後、リンカー>入力>追加依存関係>設定設定を、64.lib opencv_world460d.libとvisa64.libの両方を含めるように設定します。
   14. 設定 をリリースに変更し、その後、 Linker>入力>追加依存関係>設定プロパティを変更し 、 opencv_world460.lib と visa64.libの両方を含めるように設定します。
3. ソフトウェアキャリブレーション
   1. Visual Studio 2022を起動し、ユーザーのプロジェクトを YourProjectNameHere.sln開いてください。
   2. 緑の 「走る/再生 」ボタンを押してください。映像フィードと端末が表示されます(図10A)。
   3. 緑色のトラップ放物線が見えるようにしてください。もしそうでなければ、必要に応じて出力、フィルタリング、アライメントを調整し、トラップ領域が見えるまで調整してください。
   4. 画面をキャプチャするには、まず Windowsキー+Shift+S を押し、その後クリックしてマウスポインターを動画フィードの左上から右下にドラッグします(図10B)。スクリーンキャプチャユーティリティはポップアップを生成します。このポップアップをクリックするとスクリーンショットエディターが開かれます。このエディター内には MS Paintで編集するボタンがあります。 MSペイントで編集 ボタンをクリックしてください。
   5. MS Paintウィンドウに表示されている放物線の左上隅にカーソルを置きます。MS Paintウィンドウの左下隅に示された座標(図10C)を記録します。座標は(xmin, ymin)と呼ばれます。
   6. 放物線の右下隅にカーソルを置きます。MS Paintウィンドウの左下に表示されている座標を記録してください。座標は(xmax, ymax)と呼ばれます。
   7. エ スケー プキーを押して映像を閉じる。
   8. ユーザーのプロジェクト内のmain.cppのis_trapped 280行目にxmin、xmax、ymin、ymaxを入力します。例:Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      注:最初のレンジ関数はxminとxmaxをパラメータとして取り、2つ目の レンジ 関数はyminとymaxを用います。これにより粒子検出の検出ウィンドウが決定されます(図10D)。
4. 周波数選択
   1. Visual Studio 2022を起動し、ユーザーのプロジェクトを開いてください。 YourProjectNameHere.sln、まだ開いていない場合は。
   2. PowerShell(Win+X→Windows PowerShell)またはコマンドプロンプトを開くことができます。
      実行: python -c "import random;print(random.sample(range(0,101),101))」
      生成されたテスト番号のリストをコピーしてください。
      注:生成される各数字は周波数を表します。数から周波数への数学的写像は次の通りです:
      f(n) = 100 • 10^0.03n Hz
      ドメイン: n∈{0,1,...,100}
      範囲:f(0) = 100Hz 最大 f(100) = 100,000Hz(100 kHz)
      段差は対数間隔で行われます。この脚本は読者の便宜のために補 足ファイル2として収録されており、 numbershuffler.py 。
   3. main.cppの443行目を、生成された番号リストをテスト番号のシーケンスにコピーして編集します:例:
      ベクトル 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. プロジェクトを救え。
5. 実験を実施する
   1. レーザーを準備しろ。必要ならレーザーがウォームアップを完了するまで待ってください。レーザーシャッターを開けて、ターゲットレベルまで出力を上げてください。この場合、これは約8Wでした。
   2. Visual Studioで YourProjectNameHere.slnを開きます。
   3. カメラがPCにUSB接続されていることを確認してください。
   4. AWGがUSB経由でPCに接続されていることを確認してください。
      注: 材料表に記載されているAWGの場合、VISA制御用の正しいUSBポートは機器背面にあるUSB-Bポートです(図11A)。
   5. アンプはAOMで終端されていることを確認してください。VCO電源をつけてください。
   6. ホワイトライトランプを点灯し、放物線を均等に照らすように調整してください。
      注意:コードはダークパーティクルシャドウを検出し、成功した罠をマークし、その持続時間を計算します。結果は自動的にテキストファイルに書き出されます。
   7. Visual Studioの 「実行/再生 」ボタンを押してプロジェクトを実行してください。映像映像が表示されます。
      注意:プログラムがクラッシュした場合は、 Debug と Release の設定を切り替えてみてください(Microsoftガイダンス:https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022 参照)。
   8. ノッチフィルターの傾きを調整し、レーザーがフルパワー(≈8W)でかろうじて見えるようにします。
   9. ガラス管を軽く叩き、粒子が落ちる様子を観察してください。炭素被覆ガラスの微小球粒子の場合、粒子はカメラの視野に急速に落ちる黒い円として現れます。叩き続けて。プログラムは指定された周波数シーケンスの最初の周波数から開始されます。検出ゾーンを通過する粒子を含む任意の時間長のトラップイベントを10回記録すると、シーケンスの次の周波数に進みます。タッピング中に落下する粒子の数が減った場合は、ガラス管を180°回転させてタッピングを再開します。すべての周波数がテストされると、プログラムは終了し、ユーザーはタップを停止できます。
6. データ可視化
   1. テキストエディタで results.txt ファイル(補足ファイル3)を開きます。この研究では、ファイルは C\:Users\\source\nepos\\\ results.txtに位置していました。プログラムを実行するたびに、新しい結果が「新しい結果の開始」という見出しの下に表示されます。形式 は結果:です。
   2. Find and Restitu(Find and Restitu )を使って、「result:」のすべてのインスタンスをコンマ(,)に置き換えます。現在のランに関係ないデータはすべて削除してください。「 名前を付けて保存 」を使って、クリーンになったファイルを results.csvとして保存してください。
   3. スプレッドシートで results.csv を開きます。.csvファイルのテスト数値とトラップタイムをスプレッドシート example.xlsx にコピーしてください(補足ファイル4)。テスト番号を最初の列に貼り付けます。2列目にはテスト数値から計算された対応する書き込み周波数(Hz)が自動的に入力されます。トラップの時間データを3列目に貼り付けます。追加の列は最小時間フィルターなどのフィルターを適用することで自動で埋められます。その後、散布図グラフが生成され、トラップ時間とトラップドロー頻度を表すデータポイントが表示されます(図11B)。
      注:AOM₁ の取り付けに使用された3Dプリント可能なAOMホルダーのSTLファイルは補足ファイル5に示されています。

結果

炭素被覆マイクロスフィアの結果

炭素被覆マイクロスフィアは、本論文で扱った2種類の粒子(すなわち炭素被覆マイクロスフィアと純金粒子)の中で、最も視覚的に便利なトラップ粒子を提供します。カーボンコーティングされた微小球は逆光時に暗い影を作り、 図9E、Fに示されています。 これにより、ボートトラップの設置を検証するのに理想的です。高い可視性により、上記の自動粒子検出ソフトウェアの使用が可能です。

100μm程度のガラスマイクロスフィア粒子の影は非常に明確になり、放物線トラップのほぼ底部に沈み、スキャン方向にわずかに偏って沈みます(図9F)。

成功した罠と失敗した罠猟

ディスカッション

このトラップ技術の成功した実装は、AOM周波数の正確な変調と光学部品の正しい整列に依存しています。最も重要なステップの一つは、走査レーザービームが適切に形成された放物線ポテンシャルを生成することです。 短い焦点距離と大きな数値絞りは一般的にトラップの剛性と閉じ込め性を向上させますが、この用途では粒子のロードと観測に長距離対物レンズの利便性がこれらの利点を上回りました。

電力供給不十分(<800 mW)は、特に質量の大きい粒子に対して不安定なトラップの一般的な原因であることが判明しました。したがって、十分なレーザー出力を確保することが不可欠です^。安定性を高め、粒子閉じ込めを最適化するために、波形発生装置の設定を変更することができます。AOMの走査周波数比を調整するとトラップ形状が微調整され、高速イメージングからのリアルタイムフィード...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	閉じ込められた粒子をイメージ化するために使用される。テレセントリックレンズ。図3で 'i'とラベル付け
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	ビームコリメータと重ね合わせに使用される（アラインメントが議論されている）。リレー光学。図3で 'b'とラベル付け
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	AOMの出力のフーリエ変換。目的。図3で 'g'とラベル付け
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	イメージのコントラストを向上させるために使用される。白色光源。図3で 'f'とラベル付け
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	アコースト光モジュレータ（AOM）、y方向スキャン。Y-AOM。図3で 'a'とラベル付け
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	x方向のビームスキャンに使用されるAOM。X-AOM。図3で 'c'とラベル付け
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	粒子を検出するために使用される。カメラ。図3で 'j'とラベル付け
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	データ取得およびイメージングソフトウェアを搭載
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	イルミネーションレーザー。レーザー光源
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	粒子用の回転チャンバー。粒子チャンバー。図3で 'h'とラベル付け
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm、空気流の安定化に使用
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	比較試験に使用
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	固体金粒子
model number TB-17	Minicircuits	15542	AOMへの信号増幅に使用。RF増幅器。図3で 'm'とラベル付け
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	回折秩序を空間的にフィルタリングするために使用。絞り。図3で 'd'とラベル付け
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	粒子をバックライトするために光軸に沿って白色光を導入するために使用。ビームスプリッタ。図3で 'e'とラベル付け
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	AOM制御に使用されるRigol DG4202。任意波形発生器。図3で 'k'とラベル付け
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	AOM周波数調整に使用。電圧制御発振器（VCO）。図3で 'l'とラベル付け