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

私たちの研究は、空気中の粒子を捕捉・操作するための再構成可能なボート型光学トラップの構築と運用について説明しています。既存の捕獲方法は、罠の局在化と捕獲範囲の間で妥協を生じています。このプロトコルではボートトラップを導入し、両方を同時に達成します。

このプロトコルは、標準的な実験室環境で環境空気のもと、クラス4レーザー安全プロトコルに従い適用可能です。炭素被覆ガラスのマイクロスフィアを準備した後、キネマティックビームエレベーターと定規を使ってビームの高さを23センチメートルに設定し、光学システムをセットアップしました。レーザー出力を50ミリワット未満に下げてください。

偏光フィルターを使って偏光が垂直方向かどうかを判断します。ビームエレベーターの出力から100センチ以上の距離で、負のZ方向を向くビーム高さに顕微鏡を調整します。フーリエ変換レンズを負のZ方向に10センチ置き、凸面は正のZ方向を向いています。

残りの3つのフーリエ変換レンズを20センチメートル間隔で交互凸で配置します。音響光学変調器を、レーザーに最も近いレンズから負のZ方向に10センチメートル配置します。レーザーに最も近い音響光学変調器が垂直に配置されていることを確認してください。

音響光学変調器をレンズからレーザーに最も近い3分の1の10センチメートルの位置に設置してください。水平に合わせ、光学軸から約2度回転させます。任意の波形発生器の各チャンネルに対して、電圧制御発振器、アンプ、そして音響光学変調器を接続します。

次にアンプを音響光学変調器に接続します。任意の波形発生器を使い、両方の電圧制御発振器に供給される電圧を5ボルト、すなわち100メガヘルツの周波数に設定します。次に音響光学変調器2の傾きをゼロに減らします。

角度を徐々に上げて、1次ビームが最大明るさに達するまで続けます。最初の音響光学変調器から出る両方のビームを、2つ目の変調器に合わせます。2つ目の音響光学変調器から出る4本のビームのうち、開口部を通せるのは右上のビームのみです。

次に、ビームスプリッターを設置してビームの一部を観測面に向けます。任意の波形発生器の振幅をゼロに設定すると、観測面で得られたビームが点として現れるのを観察します。垂直チャネルのオフセットを5ボルト、振幅を3ボルト、周波数を4キロヘルツに設定します。

観測面でビームが垂直線を形成しているのを観察してください。次に、水平チャンネルのオフセットを5ボルト、振幅を3ボルト、周波数を4キロヘルツに調整します。ビームは観測面で斜めの線を形成します。

垂直チャンネルを8キロヘルツに調整し、90度の位相オフセットを設定すれば、観測面にリッサジューパターンが現れます。次にアライン・フェーズボタンを押してリサジューパターンを放物線形状に変換します。垂直チャネルの位相オフセットを調整して放物線形状を精緻化し、観測面で精緻化された放物線パターンを観察します。

焦点距離45ミリのテレセントリックレンズをリニアステージに置き、対物レンズの前方55ミリメートルの正のZ方向に位置させます。次に、レンズの前に532ナノメートルの光を反射するよう設計された二色性フィルターを置きます。カメラをユニバーサルシリアルバスケーブルと関連するイメージングソフトウェアでパソコンに接続します。

次に、ダイクロイックフィルターをわずかに5度から10度傾けて放物線トラップの形状が現れるまで調整します。ファイバーライトソースでビームスプリッターを照らし、ファイバーライトの照射を放物線トラップの周りに合わせるように調整します。実験室用ヘラを使い、約1グラムの粒子を25ミリメートルの長さ、直径12ミリメートルのガラスシリンダー内に設置し、シリンダー軸に沿って回転できるように取り付けます。

装填済みのガラスシリンダーを対物鏡から15ミリ離れた中心に置き、これは対物レンズの作動距離に対応します。シリンダーを回転させて軽く叩いた後、カメラの表示にデフォルトまたは無のトラップ粒子、落下粒子、トラップされた粒子が表示されます。ソフトウェアをインストールし設定した後、Visual Studio 2022を起動し、プロジェクトファイルを開いてください。

緑色の「実行」ボタンを押してプログラムを開始します。画面に映る映像と端末を観察してください。緑色のトラップ放物線が映像に映っていることを確認してください。

もし見えなければ、出力、フィルタリング、アライメントを調整してトラップ領域が現れます。Windowsキー、Shiftキー、Sキーを同時に押すと画面をキャプチャできます。マウスポインターを左上から動画フィードの右下隅にドラッグします。

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きます。エディター内の「MSペイントで編集」ボタンをクリックします。次に、MS Paintウィンドウの放物線の左上隅にカーソルを配置します。

左下隅に示された座標をX最小値とY最小値として記録します。次に、MSペイントウィンドウの放物線の右下隅にカーソルを配置します。左下隅に示された座標をXの最大値とYの最大値として記録します。

終わったら、Escapeキーを押して映像を閉じます。主関数のis_trapped関数の280行目にX最小、X最大、Y最小、Y最大値を入力します。プロジェクト内のCPPです。

頻度ランダム化テストでは、Visual Studio 2022を起動し、まだ開いていない場合はプロジェクトファイルを開きます。WindowsのPowerShellまたはコマンドプロンプトを開きます。pythoncのインポートコマンドを実行し、レンジ0から101までのランダムサンプルを出力します。

次に、生成されたテスト番号のリストをコピーします。メインの443行目を編集。生成されたリストをテスト番号のシーケンスに貼り付けて、Visual Studio 2022でプロジェクトを保存してCPPを行ってください。

実験に必要なレベルまでレーザー出力を上げろ。緑の「実行」ボタンをクリックし、粒子のチューブをタップして回転させて実験を実行してください。実験が終わったら、結果を開けてください。

テキストエディタのtxtファイル。各プログラム実行では、新しい結果が「新しいバッチの開始」という見出しのもとで、フォーマット、テスト番号、結果、そしてナノ秒単位のトラップ時間が続きます。データ可視化のために、コンマ区切られた値ファイルからテスト数値とトラップ時間をexample.xlsxにコピーしてください。

必要なフィルターを適用した後、追加の列とトラップ時間とトラップの引き上げ頻度を反映した散乱図を観察します。カーボンコーティングされたマイクロスフィアは逆光で暗い影を作り出します。ガラスの微小球、すなわち寸法は約100マイクロメートルの粒子で、放物線トラップのほぼ底に沈降しました。

粒子が成功裏に捕獲されると、自動粒子検出ソフトウェアは赤いTを表示します。捕獲粒子が見つからない場合は、ソフトウェアは緑色のNを表示します。捕獲速度や寿命は温度や湿度などの環境変数の関数で増加または減少することがあります。1マイクロメートル程度の純金粒子は光軸に沿って観測できませんでしたが、光散乱は軸に直交して観測されました。映像記録により、粒子は数分を超える長期間その位置を維持していることが確認されました。

このプロトコルにより、研究者はボートトラップを素早く描き、空気中のさまざまな粒子を捕捉・移動させることができます。今後の研究では、フィールドプログラム可能ゲートアレイ制御を統合し、トラップ形状、重み付け、2次元平面内の断面位置のプログラム可能な操作が可能になります。