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

우리의 연구는 공기 중 입자를 포착하고 조작하기 위한 재구성 가능한 보트 모양 광학 트랩의 제작 및 작동을 설명합니다. 기존의 포획 방법은 트랩 위치와 포획 영역 사이에서 타협을 일으킵니다. 이 프로토콜은 보트 트랩을 도입하여 두 가지 모두를 동시에 달성합니다.

이 프로토콜은 클래스 4 레이저 안전 프로토콜을 준수하면서 주변 대기 조건의 표준 실험실 환경에서 적용할 수 있습니다. 탄소 코팅 유리 마이크로스피어를 준비한 후, 운동학적 빔 엘리베이터와 자를 사용해 빔 높이를 23센티미터로 설정했습니다. 레이저 출력을 50밀리와트 미만으로 줄이세요.

편광 필터를 사용해 편광이 수직 방향인지 확인하세요. 빔 엘리베이터 출력에서 100cm 이상 떨어진 곳에서 음의 Z 방향을 향한 빔 높이로 현미경을 조정합니다. 푸리에 변환 렌즈를 음의 Z 방향으로 10센티미터 놓고, 볼록한 표면은 양의 Z 방향을 향하게 합니다.

그 다음 나머지 세 개의 푸리에 변환 렌즈를 20cm 간격으로 교차 볼록하게 배치합니다. 음향-광학 변조기를 렌즈에서 음의 Z 방향으로 10센티미터 위치, 레이저에 가장 가까운 렌즈에서 세 번째로 가까운 위치에 배치하세요. 레이저에 가장 가까운 음향-광학 변조기가 수직 방향인지 확인하세요.

음향-광학 변조기를 렌즈에서 3분의 1 센티미터 떨어진 곳에 위치시키세요. 수평으로 정렬하고 광축에서 약 2도 정도 회전시키세요. 임의의 파형 발생기의 각 채널마다 전압 제어 발진기, 증폭기, 그리고 하나의 음향-광학 변조기를 연결합니다.

그 다음 증폭기를 음향-광학 변조기에 연결하세요. 임의의 파형 발생기를 사용해 두 전압 제어 발진기에 공급되는 전압을 5볼트, 즉 100메가헤르츠 주파수로 설정합니다. 그 다음 음향-광학 변조기 2의 기울기를 0으로 줄입니다.

각도를 점차 증가시켜 1차 빔이 최대 밝기에 도달할 때까지 진행합니다. 첫 번째 음향-광학 변조기에서 나오는 두 빔을 두 번째 변조기로 정렬하세요. 두 번째 음향광학 변조기에서 나오는 네 개의 빔 중 오른쪽 위 빔만 개구부를 통과하도록 허용합니다.

다음으로, 빔 스플리터를 설치해 빔의 일부를 관측면으로 유도합니다. 임의의 파형 발생기 진폭을 0으로 설정하면, 관찰면에서 생성된 빔이 점처럼 나타나는 것을 관찰합니다. 수직 채널 오프셋을 5볼트, 진폭을 3볼트, 주파수를 4킬로헤르츠로 설정하세요.

관측면에서 빔이 수직선을 이루는 것을 관찰하세요. 그 다음 수평 채널 오프셋을 5볼트, 진폭을 3볼트, 주파수를 4킬로헤르츠로 조정합니다. 빔은 관측면에서 대각선을 이루어야 합니다.

수직 채널을 8킬로헤르츠와 90도 위상 오스셋으로 조정하여 관측면에 리사주 패턴을 만듭니다. 그 다음 정렬 위상 버튼을 눌러 리사주 패턴을 포물선 모양으로 변환하세요. 수직 채널 위상 오프셋을 조정하여 포물선 형태를 정교하게 만들고 관측면에서 정교한 포물선 패턴을 관찰합니다.

초점거리 45밀리미터의 텔레센트릭 렌즈를 선형 스테이지에 놓고, 대물렌즈 앞 55밀리미터 방향에 양의 Z 방향으로 위치시킵니다. 그 다음 532나노미터 빛을 반사하도록 설계된 이색성 필터를 렌즈 앞에 배치합니다. 카메라를 Universal Serial Bus 케이블과 관련 영상 소프트웨어로 개인용 컴퓨터에 연결합니다.

그 다음 이색성 필터를 5도에서 10도 사이로 약간 기울여 포물선 트랩 모양이 나타날 때까지 합니다. 광섬유 광원으로 빔 스플리터를 비추고, 광섬유 빛을 포물선 트랩 중심에 집중하도록 조정하세요. 실험실 주걱을 사용해 약 1그램의 입자를 25밀리미터 길이, 12밀리미터 직경의 유리 실린더 안에 넣어 원통 축을 따라 회전할 수 있도록 장착합니다.

장전된 유리 실린더를 대물에서 15밀리미터 떨어진 중앙에 놓으세요, 이는 목표물 작업 거리에 해당합니다. 원통을 돌리고 두드린 후, 카메라 디스플레이에 기본 또는 없는 갇힌 입자, 떨어지는 입자, 갇힌 입자가 표시되는 것을 관찰하세요. 소프트웨어를 설치하고 설정한 후, Visual Studio 2022를 실행하고 프로젝트 파일을 엽니다.

초록색 실행 버튼을 눌러 프로그램을 시작하세요. 화면에 영상 피드와 단말기가 나타나는 것을 관찰하세요. 녹색 트랩 포물선이 영상 피드에 보이도록 하세요.

만약 보이지 않는다면, 출력, 필터링, 정렬을 조정하여 트랩 영역이 나타나도록 하세요. Windows, Shift, S 키를 동시에 눌러 화면을 캡처하세요. 마우스 포인터를 왼쪽 상단에서 비디오 피드의 오른쪽 아래 모서리로 클릭하고 드래그하세요.

팝업을 클릭하면 스크린샷 편집기를 열어보세요. 편집기 내에서 MS 페인트에서 편집 버튼을 클릭하세요. 그 다음 MS 페인트 창에서 포물선 왼쪽 상단에 커서를 배치하세요.

좌표를 왼쪽 하단에 표시된 X최소값과 Y최소 값으로 기록하세요. 그 다음 MS 페인트 창에서 포물선 오른쪽 아래에 커서를 배치하세요. 좌표를 왼쪽 아래 모서리에 표시한 대로 X의 최대값과 Y의 최대값으로 기록하세요.

완료 후에는 Escape 키를 눌러 영상 피드를 닫으세요. 280번 줄에 X 최소값, X 최대값, Y 최소값, 그리고 Y 최대값을 is_trapped 함수에 입력합니다. 프로젝트 내 CPP.

테스트 주파수 무작위화를 위해 Visual Studio 2022를 실행하고 프로젝트 파일이 열려 있지 않다면 열어보세요. Windows PowerShell 또는 명령 프롬프트를 열어보세요. pythonc import 명령어를 실행해서 0부터 101까지의 무작위 샘플을 출력하세요.

그 다음 생성된 테스트 번호 목록을 복사하세요. 메인 443줄을 수정했습니다. 생성된 목록을 테스트 번호 시퀀스에 붙여넣고 Visual Studio 2022에 프로젝트를 저장하여 CPP를 실행하세요.

실험에 필요한 수준으로 레이저 출력을 높여라. 초록색 실행 버튼을 클릭하고 입자 튜브를 탭하고 회전시켜 실험을 진행하세요. 실험이 끝나면 결과를 열어보세요.

텍스트 편집기에서 TXT 파일을 작성합니다. 각 프로그램이 '새로운 배치 결과 시작'이라는 제목 아래에서 새로운 결과를 생성하는 것을 관찰하라. 형식은 테스트 번호, 결과, 그리고 나노초 단위의 트랩 시간이 이어진다. 데이터 시각화를 위해 쉼표 구분 값 파일에서 테스트 수치와 트랩 시간을 example.xlsx로 복사하세요.

필요한 필터를 적용한 후, 추가 열과 트랩 시간 대 트랩 드로잉 빈도를 표시한 산점도를 관찰합니다. 탄소 코팅된 미세구체는 역광 시 어두운 그림자를 만듭니다. 유리 마이크로스피어, 즉 100마이크로미터 크기의 입자들이 포물선 트랩의 대략 바닥에 가라앉았다.

입자가 성공적으로 포획되면 자동 입자 탐지 소프트웨어가 빨간색 T를 표시했습니다. 포획된 입자가 발견되지 않으면 녹색 N을 표시했습니다. 포획 속도와 수명은 온도나 습도와 같은 환경 변수에 따라 증가하거나 감소할 수 있습니다. 1마이크로미터 정도의 순금 입자는 광축을 따라 관측되지 않았지만, 광의 산란은 축에 수직으로 관찰되었습니다. 영상 녹화 결과 입자들이 몇 분 이상 그 위치를 유지한 것이 확인되었습니다.

이 프로토콜은 연구자가 보트 덫을 빠르게 개조하여 공기 중 다양한 입자를 포획하고 이동시킬 수 있게 해줍니다. 향후 연구에서는 필드 프로그래머블 게이트 어레이 제어를 통합하여 트랩 형태, 가중치, 단면 위치를 프로그래밍 가능하게 할 수 있습니다.