직접 끌어당기는 측면벽이 있는 '보트' 트랩을 이용해 공기 중 큰 금속 입자를 광학적으로 포획하는 방법

요약

이 논문은 역동적이고 보트 모양의 광동 트랩을 사용하여 공기 중 큰 금속 입자를 장기간 안정적으로 포획하고 정확한 위치를 파악하는 실험적 방법을 설명합니다. 이 시스템은 플라즈모닉 상호작용 연구에 적합한 제어된 조작을 가능하게 합니다.

초록

우리는 집중 빔을 이용해 음향광학 변조기로 스캔하여 공기 중에 포물선 트랩 단면을 직접 그리는 것을 이용해 큰 금속 입자(>1.16 μm 평균 직경의 순인 금 입자와 >100 μm 도체 코팅 미세구체)를 안정적으로 광학 포획하는 방법을 제안합니다.  이 당기는 동작의 결과로 상단이 열려 큰 금속 입자를 포획, 적재, 점프 없이 안정적으로 고정할 수 있는 '보트' 트랩이 형성됩니다.  고출력 연속파 532nm 레이저가 x방향과 y 방향 양쪽에서 스캔되어, 미소구를 포획하는 데 최적화된 보트 모양의 강도 분포를 형성합니다. 트랩 시간은 입자 역학에 비해 연속적으로 보이도록 충분히 빠르면서도 트랩 왜곡을 피할 만큼 느리게 드로잉 주파수를 신중하게 선택함으로써 극대화됩니다. 이 프로토콜은 레이저 변조, 입자 도입 기법, 검증을 포함한 실험 환경을 설명합니다. 탄소 코팅 미세구체는 주로 트랩 형성과 안정성을 시각화하고 검증하는 데 사용되며, 순금 나노입자는 플라즈모닉 상호작용 연구의 표적 역할을 합니다. 이 방법은 여러 단면을 실시간으로 명령에 따라 그릴 수 있게 하여, 장시간 동안 공기 중 입자를 포획, 적재, 번역하는 견고하고 유연한 접근법을 제공하며, 부상 광학 시스템의 플라즈모닉 향상에 잠재적으로 응용될 수 있습니다.

서론

이 연구는 동적으로 생성된 보트 트랩을 사용하여 공기 중 큰 금속 입자를 정밀하게 포획, 배치 및 조작하는 방법을 제시합니다. 느슨하게 집중된 가우시안 빔¹, 수차 트랩², 스펙클 필드 ^3,4,5, 또는 소용돌이 빔 ^6,7과 같은 이전 접근법들은 회전 운동¹, 다중 안정적인 트랩 위치 ^2,3,4,5, 또는 단일 명확히 정의된 트랩 사이트⁶의 부재 등 주요 한계를 겪고 있습니다^.7^{은 일부} 기하학에서 여러 안정 트랩 좌위 ^3,7 사이를 이동하게 할 수 있다(그림 1A 참조).  주목할 만한 예외는 위쪽 방향의 액시콘 트랩으로, 단일 트랩 위치를 제공하고, 탑 로딩을 지원하며, 적어도 이론적으로는 수평 이동⁸을 허용합니다. 여기서 설명하는 방법은 이러한 장점을 유지하면서도 세 가지 중요한 개선점을 도입합니다: (1) 금속 입자의 견고한 포획, (2) 수평 빔 형상, (3) 직접 그려진 광학 벽을 통한 포획 퍼텐셜의 실시간 재구성 가능성.

지금까지 금 입자를 포획하는 방법은 주로 ^9,10,11 물에서 수행되었으며, 회전 운동¹²를 부여하는 트랩 특성이나 포획된 입자¹³의 유연한 이동을 억제하는 역전파 빔을 사용할 수 있습니다. 직경 1μm를 초과하는 순금 입자에 대한 이러한 도전을 극복하기 위해 동적으로 변조된 광동 '보트' 트랩이 사용됩니다.

이 방법은 20 nm 탄소 나노스피어 클러스터부터 100 μm 코팅 유리 마이크로스피어까지 다양한 입자 크기와 유형에 적용 가능합니다. 개방된 환경과 폐쇄 부분 압력 환경 모두에서 효과적입니다. 이 기술은 최대 수십 와트의 출력으로 동작할 수 있습니다.  트랩은 점이 아닌 선으로 분포되어 광전력이 넓은 영역에 분산되어 있기 때문에, 실용적인 구현은 1W 이상의 전력에서 가장 효과적입니다.

트랩 메커니즘은 레이저 빔에 의한 입자의 비대칭 가열에서 발생하는 양광동에 의존합니다. 흡수하는 금속 입자가 조명될 때, 뜨거운 쪽이 차가운 쪽보다 더 큰 운동량으로 가스 분자를 방출하여, 입자를 빛에서 멀어지게 하는 순힘이 발생합니다. 이 광동력은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

여기서 C는 입자 기하학, 기체 특성, 열 수용 계수에 의존하는 계수이고, ∇T는 입자 표면을 따라 나타나는 온도 구배입니다. 이 시스템에서는 이 힘이 트랩 안에서 위쪽으로 향해 중력을 상쇄하여 안정적인 부양을 가능하게 합니다. 광동력에 대한 보다 상세한 유도 설명—방사성 압력과 열 크리프 효과를 모두 포함하여—는 Mirzaei-Ghormish 등¹⁴편에서 제공된다.

보트 트랩은 임의의 파형 발생기(AWG)를 사용하여 음향-광학 변조기(AOM)를 제어하며, 집중 연속파(CW) 레이저 빔을 스캔하여 안정적인 포물선 트래핑 퍼텐셜¹⁴ 를 생성하여 고강도 광학 벽을 형성합니다( 그림 1B 참조).  이 접근법은 트랩 형태를 정밀하게 제어할 수 있게 하여 입자를 가두고, 고정시키고, 한 표면에 노출시킬 수 있게 하며, 이는 나노다이아몬드를 1μm 이상의 금 플라즈모닉 입자에 가까이 접근하는 것과 같은 응용 분야의 핵심 요구사항입니다. 퍼셀 향상 나노다이아몬드 형광¹¹

프로토콜

이 절에서는 입자 준비와 광학 장치 구성에 대해 설명합니다. 이 구성은 소용돌이, 회절 및 다른 파면 형성 방식과 다르며, 이들은 단일 트랩 형태를 초래합니다(파면 형성^{트랩 8}에 대한 리뷰는 Gong 등). 이 설정에서는 초점 점의 원시체를 스캔하여 여러 트랩 단면을 생성할 수 있습니다. 따라서 이 연구는 보트 트랩 형태에 중점을 두지만, 설명된 설정은 향후 연구에서 다룰 수 있는 다양한 트랩 기하학을 만들 만큼 유연하다는 점을 유념해야 합니다.

1. 입자 준비

1. 탄소 코팅 유리 마이크로스피어 (시각화에 사용, 그림 2)
   1. 깨끗한 주걱을 사용해 3mL의 미세구를 작고 깨끗한 결정화 접시(그림 2A, 왼쪽)에 옮깁니다. 이 과정을 후드에서 수행하면 미세한 유리 입자가 대량으로 퍼지는 것을 방지할 수 있습니다.
      참고: 훈드 후드는 음압을 유지하며 평균 면속 101피트·분^-1로 공기를 안으로 끌어들였다.
   2. 접시를 뚜껑이나 시계 유리로 덮고 탄소 막대 증발 시스템으로 옮기세요(그림 2B).
   3. 증발 루틴을 73A 펄스 전류, 3초 펄스 길이, 10초 펄스 간격으로 설정하세요( 표 1 참조).
   4. 뚜껑을 열어. 입자 접시 삽입. 코팅 프로그램을 실행하세요. 뚜껑을 다시 덮으세요. 접시를 치워.
   5. 입자를 흔들어 입자 위치를 무작위로 만들어 접시를 흔들어 격선을 흔들 수 있습니다(그림 2C). 뚜껑을 열고 그릇을 코팅하기 위해 다시 코터에 넣으세요. 10번 반복하세요.
      참고: 코팅 후 입자는 그림 2A의 오른쪽과 비슷한 모습을 보일 것입니다. 또한 탄소 코팅 미세구의 결과 크기는 거의 변하지 않으며, 20 nm 코팅이 탄소 코팅 마이크로스피어의 평균 직경(60 μm을 초과할 수 있음)에 비해 작기 때문입니다.
   6. 생성된 입자를 시계 유리나 필름으로 덮고 습도를 조절한 환경에 보관하세요.
      참고: 모든 코팅 및 실험 작업은 실내 실험실 환경에서 유지되며, 온도는 21-25°C(70-75°F), 상대습도는 20-45%였습니다.
2. 순금 입자 (플라즈모닉 실험에 사용됨)
   1. 순금 입자는 평균 직경 1 μm의 건조 상태로 판매됩니다( 그림 2D 및 재료표 참조). 사용 준비가 되면 건조된 입자를 회전하는 유리 입자 챔버로 옮깁니다(그림 2E).

2. 광학 시스템 설치

참고: 광학 구성은 그림 3에 나와 있습니다. 설치 완료에 필요한 광학 및 전기 부품의 전체 목록은 재료표에 제공되어 있습니다. 이 구성에서는 네 개의 동일한 렌즈가 두 개의 계쇄 4F 릴레이를 만들어 AOM₁ 을 AOM₂에 영상화합니다. AOM₁ 은 빔을 수직으로 편향시키고, AOM₂ 는 수평으로 편향시키며, 초점 거리가 같기 때문에 AOM₁ 의 공액면은 AOM₂와 일치합니다.

1. 레이저 광원과 초기 빔 정렬
   1. 광학 테이블 위에 532 nm 빛 출력의 <5 mW에서 >5 W까지 출력이 가능한 레이저 광원을 놓으세요.
      참고: 이 실험에 사용된 소스 레이저는 10W 이상의 전력을 포획할 수 있었습니다. 레이저 출력과 AOM¹에 진입하기 전, 빔은 약 1.3 mm(1/e² 강도 폭)의 직경으로 빔을 콜리메이트하여 빔 프로파일러를 사용해 측정합니다. 532 nm 소스가 선택된 이유는 고배율에 우수한 빔 품질과 표적 입자에 대한 좋은 플라스모닉 흡수를 제공하기 때문입니다.
   2. 레이저 출력을 < 5 mW로 낮추세요. 편광 필터를 사용해 편광이 수직 방향인지 확인하세요. 그렇지 않다면 레이저나 인서트를 회전시키고 고출력 반파장 판을 회전시켜 수직 편광 방향을 보장하세요. 운동학적 빔 엘리베이터(그림 4A, 오른쪽)와 자를 사용해 빔 높이를 23 ± 0.5cm로 설정하세요(이 높이는 임의이지만 편리함이 입증되었습니다). 엘리베이터에서 10cm 떨어진 빔 높이와 40cm 지점에서 측정하세요. 이 두 치수 모두 높이가 23cm인지 확인하세요.
      참고: AOM은 텔루륨 이산화물(TeO₂) 내 느린 전단 모드 복절 음-광학 상호작용을 사용하여 작동하며, 입력 빔이 수평 편광되어야 합니다. 회절 빔은 상호작용의 복절성 특성 때문에 수직 편광으로 나타납니다. 첫 번째 AOM은 전역 좌표계에 대해 물리적으로 90° 회전되어 있기 때문에, 입력 빔은 전역 좌표에서 수직 편광되어 AOM의 내부 수평 편광 축과 일치해야 합니다.
2. 대물렌즈 및 릴레이 렌즈 배치
   1. 빔 엘리베이터 출력에서 100cm 이상 떨어진 곳에서 -z 방향으로 빔 높이를 조정합니다(그림 4A,B).
   2. -z 방향으로 10cm 떨어진 푸리에 변환 렌즈를 배치하고, 볼록한 면은 +z 방향을 향합니다(그림 4C,D).
   3. 나머지 세 개의 푸리에 변환 렌즈를 20cm 간격으로 배치하고, 볼록함을 번갈아 배치하여 그림 4E에 보입니다.
3. AOM 구성
   1. AOM은 레이저 렌즈에서 가장 가깝고 가장 먼 방향으로 10cm 떨어진 곳에 배치하세요. 그림 5,B에 나타난 것처럼요.
   2. AOM₁ (레이저에 가장 가까운 AOM)이 수직 방향인지 확인하세요.
      참고: 이 구현에서는 이를 위해 맞춤형 3D 프린팅 보유자가 제작되었습니다. AOM₁ 을 광축 방향으로 약 2° 회전시키세요(그림 5A).
   3. AOM₂ 를 렌즈에서 레이저에서 가장 멀리 떨어진 곳에 10cm 배치하세요. 이 AOM은 수평으로 배치됩니다(그림 5B). AOM₂ 를 광축에서 약 2° 정도 회전시키세요(그림 5B).
   4. 레이저를 저출력(예: <5 mW)으로 켜세요.
   5. AWG의 각 채널마다 전압 제어 발진기(VCO), 증폭기, 그리고 하나의 AOM을 연결합니다(그림 5C). 먼저, 증폭기를 그림 5D, E에 표시된 대로 AOM에 연결합니다.
      참고: 전원을 켜기 전에 반드시 부하에 연결되어야 합니다. 증폭기와 VCO는 모두 12V DC 전력을 사용하며, 그림 5F에 보이는 바나나 클립으로 공통 12V 전원에 연결할 수 있습니다.
4. AOM 최적화
   1. 그림 6A에 표시된 대로 시스템에 개구부를 설치합니다.
   2. AWG를 사용하여 두 AOM에 보내는 무선 주파수 신호를 175 MHz(VCO에서는 ~5 V)로 변환합니다.
      참고: 이제 AOM¹ 이후에는 두 개의 빔, AOM² 이후에는 네 개의 빔이 추가됩니다( 그림 6B 참조).
   3. AOM₁ 의 기울기 각도를 0으로 낮춥니다. 각도를 점차 증가시켜 1차 빔( 그림 6C에서 -z 방향으로 볼 때 나타나는 오른쪽 상단의 '통과 빔')이 가장 밝아질 때까지 진행합니다. AOM은 원래 기울기의 약 2°로 돌아갔습니다.
   4. AOM₂ 의 기울기를 0으로 낮춥니다. 각도를 점차 증가시켜 1차 빔이 가장 밝아질 때까지 합니다. AOM은 원래 기울기의 약 2°로 돌아갔습니다.
      참고: 각 AOM의 평균 회절 효율(1W 전력으로 구동 시)은 약 70%였습니다. 전체 시스템 광 효율은 약 30%였습니다.
   5. 첫 번째 AOM에서 나가는 두 빔이 두 번째 AOM에 들어오도록 하세요. 두 번째 AOM에 들어오는 네 개의 빔 중 오른쪽 위 빔이 개구부를 통과하도록 선택하세요.
      참고: 개구부는 '블록 빔'을 가릴 만큼 충분히 작아야 하며, AOM에 의해 편향되어도 '통과 빔'이 진행할 수 있어야 합니다(그림 6C,D).
   6. 그림 6E에 표시된 빔스플리터를 배치하여 빔의 일부를 관측면으로 향하게 합니다(그림 6E,F).
5. AWG 제어
   1. AWG 진폭을 0으로 설정하거나 AWG 출력을 '꺼짐'으로 설정했을 때, 관측면에서 생성된 빔은 점처럼 보입니다(그림 7A, B).
   2. 수직 채널 오프셋을 3 V, 진폭을 5 V, 주파수를 4 kHz로 설정하면 수직 선이 보입니다(그림 7C,D).
   3. 수평 채널 오프셋을 3V, 진폭을 5V, 주파수를 4kHz로 설정하면 대각선 선을 볼 수 있습니다(그림 7E, F).
   4. 수직 채널 주파수를 8kHz로 설정하고 위상 오프셋을 90°로 설정하면 리사주 패턴을 볼 수 있습니다(그림 7G,H).
   5. 정렬 위상 버튼을 눌러 리사주 패턴을 포물선 모양으로 변환합니다(그림 7I, J).
   6. 수직 채널 위상 오프셋을 조정하여 포물선 모양을 정교하게 만듭니다(그림 7K,L).

3. 영상 시스템 설정

참고: 이 영상 시스템은 축방향(즉, '정면'), 후방 조명 관찰과 트랩 프로파일을 제공합니다.

1. 카메라, 필터, 그리고 인터페이스
   참고: 카메라의 최대 속도는 명목상 751fps이며; 하지만 실제 속도는 선택한 해상도와 시스템 지연에 따라 크게 달라집니다. 이 실험들에서 실제 속도는 약 500fps였습니다. 재생은 1/100초 속도 또는 5fps(캡처 시 프레임이 떨어지지 않는다고 가정할 때)에서 가장 유용했습니다.
   1. 텔레센트릭 렌즈를 선형 스테이지(z축을 따라 이동 가능)에 놓고, 초점 거리는 45mm이며, 대물렌즈 앞쪽은 55mm(+z 방향, 그림 8A)에 위치합니다. 532 nm 빛을 반사하도록 설계된 이색성 필터(재료표 참조)를 렌즈 앞에 배치하라(그림 8A,B에 나타난 것 처럼).
   2. 카메라를 USB로 PC와 관련 영상 소프트웨어(유형과 브랜드는 재료표 참조)에 연결 하세요 . 초기 카메라 설정은 표 2를 참조하세요).
   3. 이색성 필터를 약간 기울여 포물선 트랩 모양이 나타날 때까지 5-10 ° 기울이세요(그림 8C,D).
   4. 카메라를 선형 스테이지에 올려놓고(그림 8E), 렌즈를 뒤로 옮겨 이미지 초점을 정교하게 조정합니다(그림 8F).
   5. 빔스플리터를 광섬유 광원으로 조명하세요(그림 8G).
   6. 광섬유 조명을 포물선 트랩( 그림 8H의 비중심 조명 예시, 그림 8I의 중심 온센터 조명 예시)을 중심으로 조정하세요.

4. 입자 하중 및 포획

1. 실험실 주걱을 사용해 소량(~1g)의 입자를 25mm 길이, 12mm 직경의 유리 실린더 안에 넣어 원통 축을 따라 회전할 수 있도록 장착합니다(그림 9A).
2. 장전된 유리 실린더를 대물렌즈에서 15mm(즉, 대물렌즈 작동 거리) 중심에 놓으세요(그림 9B).
3. 실린더를 회전시키고(그림 9C), 실린더를 두드린 후 카메라 디스플레이를 관찰합니다. 사용자가 탭을 할 때 다음과 같은 상태를 관찰할 수 있습니다: 기본값/갇힌 입자 없음(그림 9D), 떨어지는 입자(그림 9E), 그리고 갇힌 입자들(그림 9F).

5. OpenCV를 이용한 계산 추적

참고: 입자 추적과 보존 시간 정량화는 C++로 개발되고 Microsoft Visual Studio 2022에서 실행된 맞춤형 OpenCV 기반 프로그램(OpenCV 버전 4.6.0)을 사용하여 수행되었습니다.

1. 설치 소프트웨어
   1. 사용자의 사용 상황이 허용된다면, https://visualstudio.microsoft.com/downloads/ 에서 Visual Studio 2022 커뮤니티 에디션을 설치하세요. C++ 워크로드 로 데스크톱 개발 을 설치하세요.
   2. OpenCV를 다운로드하고 설치하세요. https://github.com/opencv/opencv/releases. 설치할 때는 설치 디렉터리를 꼭 확인하세요.
   3. NI VISA를 다운로드하고 설치하세요. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html 설치하려면 계정을 만들어야 합니다. 설치할 때는 설치 디렉터리를 꼭 확인하세요.
   4. Pylon 버전 7.5.0.15658을 다운로드하여 설치하세요. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. 설치할 때는 설치 디렉터리를 꼭 확인하세요.
2. 소프트웨어 구성
   1. Visual Studio CE를 열고 새 빈 프로젝트를 생성하세요.
   2. main.cpp 소스 파일을 추가하고 보조 파일 1(main.cpp)의 코드를 새 소스 파일에 붙여넣으세요.
      참고: Visual Studio의 프로젝트 파일 구조와 충돌을 피하기 위해 외부 파일을 가져오지 않고 Visual Studio에서 만든 파일에 코드를 복사하세요.
   3. 프로젝트 > YourProjectNameHere 속성으로 가세요.
   4. 모든 구성으로 설정을 변경하고, 플랫폼을 x64로 변경하세요.
   5. 설정 속성을 일반 > C++ 언어 표준> ISO C++14 표준으로 변경하세요.
   6. C /C>++> 일반 > 추가 포함 디렉터리 를 OpenCV 헤더를 포함하도록 설정 속성을 변경하세요. 이 연구에서는 이 도구들이 C:\Program Files\opencv\build\include에 설치되었습니다.
   7. 동일한 추가 포함 디렉터리 텍스트 박스에서 경로를 일반 파일런 헤더와 파일런 샘플 헤더에 추가합니다. 이 연구에서는 각각 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include 및 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include 에 설치되었습니다.
   8. 동일한 추가 디렉터리 포함 텍스트 박스에 일반 파일런 헤더와 파일런 샘플 헤더를 추가하세요. 이 연구에서는 각각 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include 및 C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include 에 설치되었습니다.
   9. 같은 추가 디렉터리 포함 텍스트 박스에 VISA 헤더를 추가하세요. 이 연구에서는 이 자료들이 C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include에 설치되었습니다.
   10. Linker> 구성 속성을 변경하여 OpenCV 라이브러리 폴더를 포함하도록 일반 >> 추가 라이브러리 디렉터리 로 변경하세요. 이 연구에서는 이 자료들이 C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib에 설치되었습니다.
   11. 같은 추가 라이브러리 디렉토리 텍스트 박스에 파일론 라이브러리 폴더를 추가하세요. 이 연구에서는 이 도구들이 C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64에 설치되었습니다.
   12. 같은 추가 도서관 디렉토리 텍스트 박스에 VISA 라이브러리 폴더를 추가하세요. 이 연구에서는 이 자료들이 C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc에 설치되었습니다.
   13. 구성을 디버그로 변경한 후, 입력 >> 추가 의존성을 > 링커 설정하여 opencv_world460d.lib와 visa64.lib를 모두 포함하도록 설정하세요.
   14. 구성을 릴리스로 변경한 후, 입력 > 추가 opencv_world460의존성을 포함하도록 Linker >> 구성 속성 변경 설정하세요.
3. 소프트웨어 보정
   1. Visual Studio 2022를 실행하고 사용자의 프로젝트를 열어 YourProjectNameHere.sln.
   2. 초록색 Run/Play 버튼을 누르세요. 비디오 피드와 단말기가 나타납니다(그림 10A).
   3. 녹색 포획 포물선이 보이도록 하세요. 그렇지 않으면 가둠 영역이 보이도록 출력, 필터링, 정렬을 필요에 따라 조정하세요.
   4. 먼저 Windows 키 + Shift + S 를 누르고, 마우스 포인터를 클릭 후 드래그하여 화면 피드의 왼쪽 상단에서 오른쪽 하단으로 이동하세요(그림 10B). 화면 캡처 유틸리티가 팝업을 생성합니다. 이 팝업을 클릭하면 스크린샷 편집기를 열어보세요. 이 편집기 내에는 MS 페인트에서 편집할 수 있는 버튼이 있습니다. MS 페인트에서 편집 버튼을 클릭하세요.
   5. MS 페인트 창에 표시된 포물선 왼쪽 상단에 커서를 배치하세요. MS 페인트 창 왼쪽 하단에 표시된 좌표를 기록하세요(그림 10C). 좌표는 (xmin, ymin)이라고 부릅니다.
   6. 포물선 오른쪽 아래 모서리에 커서를 배치하세요. MS 페인트 창 왼쪽 하단에 표시된 좌표를 기록하세요. 좌표는 (xmax, ymax)로 불립니다.
   7. 이 스케이 프 키를 눌러 영상 피드를 닫으세요.
   8. 사용자 프로젝트 내 main.cpp 함수의 is_trapped() 함수 280줄에 xmin, xmax, ymin, ymax를 입력하세요: 예: Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      참고: 첫 번째 범위 함수는 xmin과 xmax를 매개변수로 사용하고, 두 번째 범위 함수는 ymin과 ymax를 사용합니다. 이 검사는 입자 검출 창을 결정합니다(그림 10D).
4. 주파수 선택
   1. Visual Studio 2022를 실행하고 사용자의 프로젝트를 열어보세요. YourProjectNameHere.sln 아직 열려 있지 않다면 말이죠.
   2. PowerShell(윈도우 PowerShell→ Win+X) 또는 명령 프롬프트를 열어보세요.
      실행: python -c "import random; print(random.sample(range(0,101),101))"
      생성된 테스트 번호 목록을 복사하세요.
      참고: 생성된 각 숫자는 주파수를 나타냅니다. 수에서 주파수로의 수학적 대응은 다음과 같습니다:
      f(n) = 100 • 10^0.03n Hz
      도메인: n∈{0,1,...,100}
      범위: f(0) = 100Hz 최대 f(100) = 100,000Hz (100 kHz)
      계단은 로그 간격으로 배치되어 있습니다. 이 대본은 독자의 편의를 위해 보충 파일 2로 numbershuffler.py 포함되어 있습니다.
   3. main.cpp 443행을 수정하여 생성된 숫자 목록을 테스트 번호 시퀀스에 복사하세요: 예를 들어,
      벡터 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. 프로젝트를 구하세요.
5. 실험 진행
   1. 레이저 준비해. 필요하다면 레이저가 워밍업 루틴을 마칠 때까지 기다려 주세요. 레이저 셔터를 열고 출력 높이를 목표 수준으로 올려. 이 경우 약 8W였습니다.
   2. Visual Studio에서 YourProjectNameHere.sln 열어보세요.
   3. 카메라가 PC에 USB로 연결되어 있는지 확인하세요.
   4. AWG가 PC에 USB로 연결되어 있는지 확인하세요.
      참고: 재료표에 나열된 AWG의 경우, VISA 제어를 위한 올바른 USB 포트는 기기 뒤쪽에 위치한 USB-B 포트입니다(그림 11A).
   5. 증폭기가 AOM에 종단되도록 하세요. VCO 전원 공급 장치를 켜세요.
   6. 백색광 램프를 켜고 포물선을 고르게 비추도록 조절하세요.
      참고: 코드는 어두운 입자 그림자를 감지하고, 성공적인 함정을 표시하며, 그 지속 시간을 측정합니다. 결과는 자동으로 텍스트 형식으로 내보내집니다.
   7. Visual Studio에서 실행/재생 버튼을 눌러 프로젝트를 실행하세요. 영상 피드가 나타날 것입니다.
      참고: 프로그램이 충돌할 경우, 디버그 와 릴리스 구성 사이를 번갈아 사용해 보세요(마이크로소프트 가이드: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022 참조).
   8. 노치 필터의 기울기를 최대 출력(≈8W)으로 거의 보이게 할 때까지 조정하세요.
   9. 유리관을 두드리고 입자가 떨어지는 피드를 관찰하세요. 탄소 코팅 유리 미세구 입자의 경우, 입자는 카메라 시야에 빠르게 떨어지는 검은 원으로 나타납니다. 계속 두드려. 프로그램은 지정된 주파수 시퀀스의 첫 번째 주파수에서 시작됩니다. 측정 영역을 통과하는 입자 포함, 시간 길이에 상관없는 10개의 트랩 이벤트를 기록하면, 다음 주파수로 진행됩니다. 탭핑 중 떨어지는 입자 수가 줄어들면 유리관을 180° 회전시키고 탭을 재개하세요. 모든 주파수가 테스트되면 프로그램은 종료되고 사용자는 탭을 멈출 수 있습니다.
6. 데이터 시각화
   1. 텍스트 편집기에서 results.txt 파일(보충 파일 3)을 엽니다. 이 연구에서 파일은 C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt에 위치해 있었습니다. 프로그램이 실행될 때마다 "새로운 결과 시작"이라는 제목 아래 <테스트 번호> 결과: <트랩 시간 in ns> 형식으로 새로운 결과가 나타납니다.
   2. Find and Replace를 사용해 "result:"의 모든 인스턴스를 쉼표(,)로 대체하세요. 현재 실행 중과 관련 없는 모든 데이터를 삭제하세요. 정리된 파일을 results.csv 상태로 저장하려면 '다른 이름으로 저장'을 사용하세요.
   3. 스프레드시트에서 results.csv 열어보세요. .csv 파일의 테스트 수치와 트랩 시간을 스프레드시트 example.xlsx (보충 파일 4)에 복사하세요. 테스트 수치를 첫 번째 열에 붙여넣으세요. 두 번째 열은 테스트 수치에서 계산된 Hz 단위의 해당 쓰기 주파수를 자동으로 채웁니다. 트랩 시간 데이터를 세 번째 열에 붙여넣으세요. 추가 열은 최소 시간 필터와 같은 필터를 적용하여 자동으로 채워집니다. 산점도 그래프가 생성되며, 덫 시간 대비 덫 당김 빈도를 나타내는 데이터 포인트가 표시됩니다(그림 11B).
      참고: AOM₁ 을 장착하는 데 사용된 3D 출력식 AOM 홀더의 STL 파일은 보조 파일 5에 표시되어 있습니다.

결과

탄소 코팅 미세구에 대한 결과

탄소 코팅 미세구체는 본 논문에서 다룬 두 입자 유형(즉, 탄소 코팅 미세구체와 순금 입자) 중 가장 시각적으로 편리한 입자를 제공합니다. 탄소 코팅된 미세구체는 역광 시 어두운 그림자를 만들어내며, 이는 그림 9E, F에 나타난다.  이로 인해 보트 트랩 하드웨어의 세팅을 검증하는 데 이상적입니다. 높은 가시성 덕분에 위에서 설명한 자동 입자 탐지 소프트웨어를 사용할 수 있습니다.

100 μm 정도 크기의 유리 미세구 입자의 그림자는 매우 뚜렷하게 보이며, 스캔 방향 쪽으로 약간 기울어진 채 포물선 트랩 바닥에 대략 가라앉습니다(그림 9F).

토론

이 트랩 기법의 성공적인 구현은 AOM 주파수의 정밀한 변조와 광학 부품의 올바른 정렬에 달려 있습니다. 가장 중요한 단계 중 하나는 주사 레이저 빔이 잘 형성된 포물선 퍼텐셜을 생성하도록 하는 것입니다.  짧은 초점 거리와 높은 수치 조리개가 일반적으로 트랩의 강성과 가두기를 개선하지만, 입자 부하와 관측을 위한 긴 작업 거리 대물렌즈의 편리함이 이 응용 분야에서는 이러한 이점보다 더 컸습니다.

전력 전달 부적절한 <800 mW)은 특히 고질량 입자에서 불안정한 트랩의 흔한 원인으로 밝혀졌습니다. 따라서 충분한 레이저 출력을 보장하는 것이 필수적이다 ^1,3,7. 안정성을 높이고 입자 가둠을 최적화하기 위해 파형 발생기 설정을 변경할 수 있습니다. AOM...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
1x, 40 mm WD CompactTL 텔레센트릭 렌즈	Edmund Optics	63-745	갇힌 입자의 이미지화에 사용됨; 텔레센트릭 렌즈; 그림 3에서 'i'로 표시
50.8 mm (2 in) N-BK7 A 코팅 평면 볼록 렌즈	Thorlabs	LA1050-A	광선 정렬 및 중첩(정렬 논의됨)에 사용됨; 릴레이 광학; 그림 3에서 'b'로 표시
5x 긴 작동 거리 LM 플랜 아크로마틱 금속학 현미경 목적 렌즈 작동 거리 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	AOMs의 푸리에 변환 출력; 목적 렌즈; 그림 3에서 'g'로 표시
AmScope 강력한 6 와트 LED 이중 거위 목 조명기	Amscope	LED-6W	이미지 명암 개선에 사용됨; 백색 광원; 그림 3에서 'f'로 표시
AO 편이기, 부품 번호 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	음향-광학 변조기(AOM), y 방향 스캔; Y-AOM; 그림 3에서 'a'로 표시
AO 편이기, 부품 번호 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	x 방향으로 광선 스캔에 사용되는 AOM; X-AOM; 그림 3에서 'c'로 표시
Basler ace acA640-750uc USB3, 컬러	Edmund Optics	33975	입자 감지에 사용됨; 카메라; 그림 3에서 'j'로 표시
Windows 11을 실행하는 컴퓨터	Dell	n/a	데이터 획득 및 이미징 소프트웨어 장착
CW 레이저(532 nm, 최대 10 W)	Coherent	Verdi V10	조명 레이저; 레이저 소스
일회용 배양관	Fisher	14-961-26	입자의 회전 챔버; 입자 챔버; 그림 3에서 'h'로 표시
유리 챔버 길이 20 mm 직경 12 mm 보로실리케이트 유리 배양관 절단	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, 공기 흐름 안정화에 사용
유리 마이크로스피어 40-60 µm 평균 직경, 3M K1 '버블'	Kremer	#59910	비교 테스트에 사용됨
금 입자(평균 직경 1.16 µm)	ASI	162-0010	고체 금 입자
모델 번호 TB-17	Minicircuits	15542	AOM에 신호를 증폭하는 데 사용됨; RF 증폭기; 그림 3에서 'm'으로 표시
장착된 표준 아이리스, Ø25.0 mm 최대 조리개, TR3 포스트	Thorlabs	ID25	회절 차수를 공간 필터링하는 데 사용됨; 조리개; 그림 3에서 'd'로 표시
Ø1" 50:50 UVFS 플레이트 빔스플리터, 코팅: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	입자를 백라이트하기 위해 광학 축을 따라 백라이트를 도입하는 데 사용됨; 빔스플리터; 그림 3에서 'e'로 표시
Rigol DG4202, 2 채널 파형 생성기로 200 MHz 사인파 및 60 MHz 스퀘어 파 기능, 500 MSa/sec 샘플 속도, 16 kPt 임의 메모리 길이, 7인치 디스플레이, USB 및 이더넷(LXI) 인터페이스.	TestEquity	DG4202	AOM 제어에 사용되는 Rigol DG4202; 임의 파형 생성기; 그림 3에서 'k'로 표시
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	AOM 주파수 튜닝에 사용됨; 전압 제어 발진기(VCOs); 그림 3에서 'l'로 표시