Veilig experimenten in optische levitatie van geladen druppels met behulp van externe Labs

Summary

Optische levitatie is een methode voor zwevende micrometer en middelgrote diëlektrische objecten met behulp van laserlicht. Met behulp van computers en automatiseringssystemen, een experiment met optische levitatie kan op afstand worden aangestuurd. Hier presenteren wij onze een op afstand bestuurbaar optische levitatie systeem dat gebruikt zowel voor onderwijs en onderzoek doeleinden.

Abstract

Het werk presenteert een experiment waarmee de studie van vele fundamentele fysisch bepaalde processen, zoals het foton druk, diffractie van licht of de beweging van geladen deeltjes in elektrische velden. In dit experiment, een gerichte laser beam wijzen naar boven zweven vloeibare druppeltjes. De druppels zijn levitated door de foton druk van de gerichte laserstraal die tegoeden van de zwaartekracht. Het patroon van de diffractie gemaakt wanneer verlicht met laserlicht kan helpen de grootte van een gevangen droplet meten. De lading van de gevangen druppel kan worden bepaald door het bestuderen van de beweging als een verticaal gestuurde elektrisch veld wordt toegepast. Er zijn verschillende redenen dit experiment te motiveren om op afstand worden gecontroleerd. De investeringen welke vereist zijn voor de setup groter is dan het bedrag dat normaal gesproken beschikbaar in undergraduate onderwijs laboratoria. Het experiment vereist een laser van klasse 4, die schadelijk is voor de ogen en de huid en het experiment gebruikt spanningen die schadelijk zijn.

Introduction

Het feit dat licht impuls draagt was eerst voorgesteld door Kepler toen hij verklaarde waarom de staart van een komeet wijst altijd weg van de zon. Het gebruik van een laser om te bewegen en macroscopische objecten overlappen werd eerst gemeld door A. Ashkin en J. M. Dziedzic in 1971 toen zij aangetoond dat het mogelijk is te zweven micrometer formaat diëlektrische objecten¹. Het ingesloten object werd blootgesteld aan een opwaartse geregisseerd laserstraal. Deel van de laserstraal kwam tot uiting op het object die opgelegd een stralingsdruk daarop dat voldoende was als tegenwicht tegen de zwaartekracht. De meeste van het licht, werd echter gebroken door de diëlektrische object. De verandering van de richting van het licht zorgt ervoor dat een terugslag van het object.  Het netto-effect van de terugslag voor een deeltje in een Gaussiaanse bundel profiel geplaatst is dat de druppel naar de regio van hoogste lichtintensiteit^{2 bewegen zal}. Vandaar, de positie van een stabiele overlapping ontstaat in het midden van de laserstraal op een positie iets boven het focal point waar stralingsdruk saldi zwaartekracht.

Aangezien de optische levitatie methode kan kleine objecten worden gevangen en gecontroleerd zonder in contact met alle objecten, kunnen verschillende fysische verschijnselen worden bestudeerd met behulp van een levitated druppel. Het experiment kampt echter twee beperkingen worden gereproduceerd en toegepast op scholen of universiteiten, aangezien niet alle instellingen zich niet de benodigde apparatuur veroorloven kunnen en er bepaalde risico's in de praktische werking van de laser zijn.

Externe laboratoria (RLs) bieden online externe toegang tot de echte laboratoriumapparatuur voor experimentele activiteiten. RLs verscheen voor het eerst aan het eind van de jaren ' 90, met de komst van het Internet, en hun belang en het gebruik zijn gegroeid door de jaren heen, aangezien de technologie is verbeterd en sommige van hun belangrijkste zorgen opgelost^{3 zijn}. Echter, de kern van RLs is hetzelfde gebleven na verloop van tijd: het gebruik van een elektronisch apparaat met internetverbinding toegang tot een lab, en te beheersen en te controleren van een experiment.

Als gevolg van hun afgelegen karakter, kunnen de RLs worden gebruikt voor experimentele activiteiten aan gebruikers aanbieden zonder dat zij worden blootgesteld aan de risico's die gekoppeld aan de realisatie van dergelijke experimenten worden kunnen. Deze hulpmiddelen laten studenten te besteden meer tijd werken met laboratoriumapparatuur, en dus betere laboratorium vaardigheden te ontwikkelen. Andere voordelen van RLs zijn dat zij 1) voor gehandicapten uitvoeren van experimenteel werk vergemakkelijken, 2) Vouw de catalogus van experimenten aangeboden aan studenten door het delen van RLs tussen universiteiten en 3) verhogen de flexibiliteit bij het plannen van laboratoriumwerk, Aangezien het kan worden uitgevoerd vanuit huis als is een fysieke laboratorium gesloten. Ten slotte, RLs bieden ook trainingen in besturingssystemen computergestuurde, die tegenwoordig een belangrijk onderdeel van onderzoek, ontwikkeling en industrie. Daarom, RLs kunnen niet alleen een oplossing bieden voor zowel de financiële en veiligheid kwesties dat traditionele labs presenteren, maar ook interessanter experimentele mogelijkheden bieden.

Met de experimentele opstelling in dit werk gebruikt, is het mogelijk de grootte meten en rekenen van een gevangen droplet, onderzoeken van de beweging van geladen deeltjes in elektrische velden en analyseren hoe een radioactieve bron kan worden gebruikt voor het wijzigen van de lading op een druppel⁴ .

In de experimentele opzet gepresenteerd, is een krachtige laser naar boven gericht en geconcentreerd in het midden van een cel glas⁴. De laser is een 2 W 532 nm diode gepompte vaste-stof laser (CW), waar meestal ongeveer 1 Watt (W) wordt gebruikt. De brandpuntsafstand van de lens van de overlapping is 3,0 cm. druppels worden gegenereerd met een piëzo druppel dispenser en afdalen via de laserstraal totdat zij net boven de focus van de laser zitten. Overlapping optreedt wanneer de kracht van de opwaartse gericht stralingsdruk is gelijk aan de neerwaartse gestuurde zwaartekracht. Er is geen bovengrens met een korte tijd die wordt waargenomen voor overvulling. De langste tijd die een droplet heeft gevangen is 9 uur, daarna, de val was uitgeschakeld. De interactie tussen de druppel en de laser veld produceert een diffractie patroon dat wordt gebruikt om te bepalen van de grootte van de druppels.

De druppels uitgestoten uit het zeepbakje bestaan uit 10% glycerol en 90% water. Het deel water verdampt snel, een 20 tot 30 µm formaat glycerol droplet verlaten in de val. De maximale grootte van een druppel die kan worden onderschept is ongeveer 40 µm. Er is geen verdamping waargenomen na ongeveer 10 s. Op dit punt verwacht alle water verdampt. De overlapping van de lange tijd zonder waarneembare verdamping geeft aan dat er minimale absorptie is en dat de druppel in wezen bij kamertemperatuur. De oppervlaktespanning van de druppels maakt ze sferische. De last van de druppels gegenereerd door de druppel dispenser is afhankelijk van de milieuomstandigheden in het laboratorium, waar ze meestal worden negatief geladen. De bovenkant en de onderkant van de cel van de overlapping bestaat uit twee elektroden Geplaatst 25 mm uit elkaar. Ze kunnen worden gebruikt om het toepassen van een verticale elektrische gelijkstroom (DC) of wisselstroom (AC) veld over de druppel. Het elektrisch veld is niet sterk genoeg om elke bogen maken zelfs als 1000 volt (V) wordt toegepast op de elektroden. Als een DC-veld wordt gebruikt, beweegt de druppel omhoog of omlaag in de laserstraal naar een nieuwe positie stabiel evenwicht. Als een veld AC in plaats daarvan wordt toegepast, schommelt de druppel rond de positie van haar evenwicht. De omvang van de trillingen zijn, is afhankelijk van de grootte en de last van de druppel, op de intensiteit van het elektrisch veld en op de stijfheid van de val van de laser. Een afbeelding van de droplet wordt geprojecteerd op een positie-gevoelig-detector (PSD), die gebruikers toestaat om spoor van de verticale positie van de druppel.

Dit werk presenteert een geslaagd initiatief van modernisering van onderwijs en onderzoek met behulp van informatie- en communicatietechnologieën via een innovatieve RL op optische levitatie van geladen druppels die illustreert van moderne concepten in de natuurkunde. Figuur 1 toont de architectuur van de RL. Tabel 1 toont de mogelijke verwondingen die lasers volgens hun klasse veroorzaken kunnen; Bij deze instelling is een laser klasse IV gebruikt, die de meest gevaarlijke is. Het kan werken met maximaal 2.0 W van zichtbare laserstraling, zodat de veiligheid geboden door de bediening op afstand duidelijk geschikt is voor dit experiment. De optische levitatie van geladen druppels RL werd gepresenteerd in het werk van D. Galan et al. in 2018⁵. In dit werk wordt aangetoond hoe het online kan worden gebruikt door docenten die hun leerlingen kennismaken met moderne begrippen van de natuurkunde willen zonder te zijn bezorgd over de kosten, de logistiek of de veiligheidskwesties. Studenten toegang krijgen tot de RL via een webportal genaamd universitaire netwerk van interactieve laboratoria (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) in die ze alle documentatie met betrekking tot de theorie gerelateerd aan het experiment en het gebruik van de experimentele vinden kunnen installatie door middel van een web-applicatie. Met behulp van het concept van een extern laboratorium, kan experimenteel werk in de moderne natuurkunde die vereist dat gevaarlijke en dure apparatuur beschikbaar worden gesteld aan nieuwe groepen van studenten. Bovendien verbetert het het formele leren door middel van traditionele studenten met meer laboratorium tijd en experimenten die normaal niet toegankelijk zijn buiten onderzoekslaboratoria zijn.

Protocol

Opmerking: De laser gebruikt in dit experiment is een klasse IV laser leveren maximaal 1 W van zichtbare laserstraling. Al het personeel aanwezig in het laboratorium van de laser moeten voldoende laser veiligheidstraining hebben uitgevoerd.

1. hands-On experimenteel Protocol

1. Veiligheid
   1. Zorg ervoor dat iedereen in het lab is zich ervan bewust dat een laser wordt ingeschakeld.
   2. Zet de laser waarschuwing lamp in het lab.
   3. Zorg ervoor dat geen horloge of metalen ringen gedragen en de laser-bril zetten.
   4. Controleer of de vier licht absorberen van planken, dichtst bij het experiment, aanwezig zijn.
   5. Controleer de ruimte tussen de laser en de absorberende board voor obstakels. Controleer of de ruimte tussen de overlapping cel en de lichtbundel blokkeren is ook vrij van objecten.
2. De software en het experiment voorbereiden.
   1. Zet de computer lab. Wacht totdat het klaar om te werken.
   2. Open de map Externe opstarten vanaf het bureaublad en klik op het pictogram Main1806.vi. Voer het programma door te drukken op de pijl in de linker bovenhoek.
      Opmerking: Hiermee opent u het besturingsprogramma (b.v., Labview) weergegeven in Figuur 2 en Figuur 3 en schakelt automatisch op zowel het aanbod van de macht voor de laser en het elektrisch veld. Alle knoppen van nu af aan verwezen in deze sectie verwijzen naar degenen die in deze cijfers worden weergegeven.
   3. Onder "EJS variabelen", Vink het selectievakje met de naam "Laser externe Enable2" macht en stel "laser current2" tot en met 25, zodat de laser macht dia rechts op 25 eindigt %. Let op de uitlijning laser veiligheidsbril gebruiken om ervoor te zorgen dat de lichtbundel in de dump beam eindigt laserstraal. Als dat niet het geval is, pas de positie van de lichtbundel dump.
   4. Controleren Drops2 en verplaats het puntje van de druppel dispenser totdat de druppels in de laserstraal vallen. Dit doen door het aanpassen van de fase van de vertaling gemarkeerd met de letter A in Figuur 4. Voor dat doel, draai zachtjes de drijvende schroeven aan de voet van de vertaling-fase tot de gewenste positie is bereikt.
      1. Als geen druppels komen te staan, wat druk in de spuit van toepassing totdat een droplet wordt weergegeven in de tip van de dispenser. Veeg het af zorgvuldig (fragiele tip) met behulp van een papier met aceton. Komt nu beginnen met de druppels. Wanneer dit gebeurt, herbeginnen vanaf punt 1.2.4.
   5. De kracht van de laser tot ongeveer 66% van de met behulp van de Laser huidige 2 invoerveld en trap een droplet verhogen. Schakel Drops2 zodra een droplet is gevangen.
      Opmerking: Figuur 5 toont een droplet gevangen in de experimentele omgeving. De lagere groene stip correspondeert met de echte druppel, terwijl de bovenste plaat is de reflectie op het glas van de cel waarin de druppel zich bevindt. Vanaf dit moment zullen dat de gevangen druppel is nu beeld naar de PSD.
3. Bepaal de grootte van een druppel.
   1. Pas de kracht van de laser, totdat de PSD-positie zo dicht mogelijk bij nul is.
      Opmerking: zoals druppels kunnen worden gevangen onder of boven eerdere standpunten van de overlapping, afhankelijk van de kracht van de laser of de grootte/gewicht. Deze stap wordt uitgevoerd de druppel als afbeelding wilt verplaatsen naar het midden van de PSD.
   2. Observeer de diffractie patroon gemaakt op het scherm (Zie Figuur 1). Maak een foto met de webcamera die is gepositioneerd om te zien hoe het scherm van onder.
      Opmerking: Het patroon wordt veroorzaakt door laserlicht eiwitkristallen door de gevangen druppel.
   3. De afbeelding gebruiken om te bepalen afstand van de lijn gemarkeerd 1 tot en met twee willekeurige minima in de afbeelding. De afstand is positief als het verder van de druppel dan de lijn 1, anders negatieve gekenmerkt. Dan, voeg 40 cm aan beide afstanden. Bel de kortste een₁, en de langste een₂. Vergelijking 1 gebruiken voor het berekenen van de grootte van de druppel:
      (1)
      waar x is de verticale afstand van de druppel op het scherm (x = 23,5 cm), λ de golflengte van het laserlicht is (λ = 532 nm) en Δn is het aantal franjes (integer) tussen de twee minima gebruikt in de berekening.
      Opmerking: Wanneer de druppel is beeld in het midden van de PSD, de afstand (x), van de druppel op het scherm wordt 23,5 ± 0,1 cm. Een meer gedetailleerde uitleg van het proces kan worden gevonden in het werk van J. Swithenbank et al. ⁶.
4. Bepaalt de polariteit van de lading van de druppel.
   1. Kies het tabblad uitvoeren naar rechts van EJS variabelen en het E-veld DC besturingselement2 ingesteld op + 2 V (Zie Figuur 3). Wees voorzichtig, want de spanning op de elektrode nu 200 V is.
      Opmerking: De polariteit van de druppel lading wordt bepaald door het observeren van hoe de druppel reageren op een toegepaste verticale elektrisch veld. Een schets van hoe het elektrisch veld wordt toegepast is te zien in Figuur 6
5. Bepalen van de lading van de druppel
   Opmerking: Als u wilt berekenen van de lading van de druppel, is het nodig eerst voor het meten van de grootte van de druppel. Het gewicht van de druppel kan vervolgens worden bepaald omdat de dichtheid van de vloeistof is bekend. Figuur 7 beschrijft de procedure schematisch.
   1. Het E-veld DC besturingselement2 op nul gezet.
   2. Schatten en nota van een gemiddelde waarde voor de positie van de druppel door het spoor van de PSD Normalize positie in de Grafiek golfvorm.
   3. Opmerking de waarde van de kracht van de laser. Deze waarde zal worden F_Rad1 in vergelijking 2.
   4. Instellen van het E-veld DC besturingselement2 tussen + 1 en + 5 Volts of -1 en -5 volt zodat de daling wordt naar boven verplaatst. De druppel is nu op een nieuwe positie. Langzaam verminderen de kracht van de laser, totdat de druppel terug in de oorspronkelijke positie als aangegeven in stap 1.5.2 is. Noteer de nieuwe laser-kracht (F_Rad2).
      Als de druppel verloren gaat, Drops2 controleren en opnieuw beginnen vanaf stap 1.2.4.
   5. Gebruik de volgende procedure voor het berekenen van de kosten. Eerst, het berekenen van de kracht van het elektrisch veld:
      (2)
   6. Bepalen van de absolute lading met de expressie
      (3)
      Hier d is de afstand tussen de elektroden en U de toegepaste spanning.

2. externe experimenten Protocol

1. Toegang tot de externe laboratorium.
   1. UNILabs webpagina in een webbrowser openen: https://unilabs.dia.uned.es/
   2. Selecteer de gewenste taal indien nodig. De optie zich bevindt op het eerste item in het menu onder de kop.
   3. Meld u aan met de volgende gegevens:
      Gebruikersnaam: testen
      Wachtwoord: test
      Opmerking: Het login-frame is onder de info van het nieuws en de invoering van de webpagina.
   4. Op het gebied van de cursus, naast het login-bereik, klik links op het logo van de Universiteit van Göteborg (GU).
   5. Klik op Optische levitatie voor toegang tot het materiaal van dit experiment.
   6. Toegang tot de externe laboratorium door te klikken op Externe laboratorium van optische levitatie. Daarna, ervoor zorgen dat het hoofdframe van de show van de webpagina de gebruikersinterface van het externe laboratorium, zoals afgebeeld in Figuur 8.
2. Verbinding maken met het optische levitatie laboratorium.
   Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 8.
   1. Klik op de knop verbinden . Als de verbinding lukt, verandert de knoptekst in verbonden.
      Opmerking: Wanneer een gebruiker verbinding met het externe laboratorium maakt, straalt het een akoestisch signaal dat waarschuwt van andere mensen in de omgeving dat iemand zal inschakelen en manipuleren van de laser op afstand.
   2. Klik op de druppels bijhouden en controleren dat de PSD-gegevens wordt ontvangen.
      Opmerking: Aangezien er geen druppels gevangen op dit punt, de gemeten waarde is niet relevant.
   3. Klik op overzicht om alle elementen van de setup te identificeren: de laser, de druppel dispenser, de overlapping cel en de PSD.
3. Val een druppel.
   Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 8.
   1. Zodra het extern laboratorium is verbonden, klik op de knop overvullen druppels te visualiseren de pipet en de druppel dispenser mondstuk.
   2. Klik op de knop inschakelen van laser om de verbinding met de laser.
      Opmerking: De laser wordt gestart handmatig en onafhankelijk van de rest van de instrumenten omdat het aan het milieu schade kan als het niet correct is uitgelijnd.
   3. Stel de macht van de laser rond het eerste kwartaal van de strook van de controle, die onder de knop inschakelen van laser ligt . Wacht tot het groene licht zichtbaar is.
   4. Controleer de uitlijning van de laser.
      Opmerking: Als de laser is correct uitgelijnd, zal er een lichtstraal dunne groen licht worden gezien. Anders zal een verspreide groene vlek worden opgevat. In geval van onjuiste uitlijning, afsluiten van het systeem, en neem contact op met de onderhoudsservices lab. Neem contact op met de onderhoudsdiensten, klik op het pictogram dat een tekstballon vertegenwoordigt, gelegen in de linker bovenhoek van de webpagina UNILabs. Klik dan op de Admin gebruiker bericht, schrijf het bericht bij de bodem met een beschrijving van het probleem en druk op verzenden. Dit meestal niet gebeurt, aangezien alle de optica worden opgelost.
   5. Verhoog het vermogen van de laser voor 3/4 van de bar.
      Opmerking: Een kracht van 60% (550 mW) is genoeg om te vangen en houden een droplet levitated.
   6. Druk op de knop Start daalt de druppel dispenser inschakelen.
   7. Bekijk de webcam afbeelding en wacht totdat een flits wordt geproduceerd. Op dat moment is een droplet veroverd. Controleer het webcambeeld weer en dat een droplet is zwevende in het midden van de overlapping-cel. Druk op de knop stoppen van druppels uit de dispenser druppel te schakelen.
      Opmerking: Optioneel, het is mogelijk om te krijgen een grotere droplet door verscheidene van hen vangen en wachten voor hen om samen te voegen met de reeds gevangen. Het is noodzakelijk in gedachten te houden dat als verschillende zijn gevangen, de massale verhogingen van de druppel zodat de kracht van de laser kan niet volstaan om het levitated te houden.
4. Bepaal de grootte van een druppel.
   Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar de Figuur 9.
   1. Druk op de knop formaat van de druppels te observeren de diffractie patroon gevormd door de gevangen druppel.
   2. Volg de procedure zoals in het protocol van de hands-on experimenten (stap 1.3) om te bepalen van de grootte van de druppel door middel van het patroon van diffractie.
5. Het bepalen van de druppel lading polariteit.
   Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 10.
   1. Klik op de knop voor het bijhouden van druppels om te bekijken de grafiek van de PSD en de weergave van de webcam van de pipet.
   2. Klik op het tabblad van de veldsterkte in de linkerbenedenhoek van de gebruikersinterface.
   3. De DC spanning ingesteld op 100 V. Om dit te doen, klik op het numerieke veld rechts van het DC (V) label en voer de waarde 100.
   4. Controleer de PSD-grafiek toont de positie van de druppel en observeren de druppel verplaatst naar boven of naar beneden wanneer het elektrische veld wordt toegepast.
      Opmerking: De polariteit van de platen is gerangschikt zodat als een positieve spanning wordt toegepast, een negatief geladen droplet naar beneden verplaatsen zal en een positief geladen droplet zal naar boven verplaatsen.
   5. Verander nu de waarde van het elektrisch veld en controleer of de druppel in de tegenovergestelde richting beweegt; voor dit doel, voert u-100 in het numerieke veld van DC (V) .
6. Bepalen de lading van de druppel.
   Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 10.
   1. Een droplet gevangen hebben, klik op de weergave bijhouden van druppels .
   2. Selecteer het menu van het elektrisch veld .
   3. Het DC elektrische veld instelt op nul met het numerieke veld van DC (V) .
   4. Schatten en Let erop van een gemiddelde waarde van de positie van de druppel gegeven door de grafiek en noteer de kracht van de laser.
   5. De DC elektrische veld instellen op een waarde tussen + 500 V en V-500 te maken van de druppel de positie ervan wijzigen.
   6. Verminderen of verhoog de kracht van de laser met de schuifregelaar totdat de druppel terug in de oorspronkelijke positie is en noteer de nieuwwaarde van de kracht van de laser.
   7. Volg de procedure die is beschreven in stap 1.5.5 voor het berekenen van de druppel lading.

Results

Wanneer de laserstraal wordt goed uitgelijnd en de bodemplaat schoon is, zitten de druppels bijna onmiddellijk. Wanneer een droplet is gevangen kan het blijven in de val voor enkele uren, geven genoeg tijd voor onderzoek. De straal r van de druppels is in het bereik van 25 ≤ r ≤ 35 µm en de lading is gemeten tussen 1.1x10^-17 ±1.1 x10^-18 C en 5.5x10^-16 ±5.5 x10^-17 C. De grootte van de druppels blijft, volgens onze metingen, constante na ...

Discussion

Dit werk presenteert een setup voor het uitvoeren van een experiment van de moderne natuurkunde waarin druppels zijn optisch levitated. Het experiment kan worden uitgevoerd in een traditionele hands-on manier of op afstand. Met de oprichting van het externe systeem, kunnen studenten en onderzoekers over de hele wereld toegang krijgen tot de experimentele opstelling. Dit garandeert ook de veiligheid van de gebruikers, omdat zij niet hoeven te worden in aanwezigheid van de high-power laser en elektrische velden nodig zijn ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
GEM 532	Laser Quantum		Groene laser met instelbare vermogen tussen 50 mW en 2 W
Lateral Effect Position Sensor	THOR Lab	PDP90A	PSD om de positie van de druppel in de pipette te meten
Advanced Educational Spectrometer Kit, Metric	THOR Lab	EDU-SPEB1/M	Spiegels en andere elementen om de laserstraal te besturen
Pipette	Zelf gemaakt		De kamer waar de druppel wordt vastgehouden is speciaal gemaakt voor deze opstelling
AC/DC Voeding	Keithley Instruments, Inc.	2380-500-30	Een voeding om het elektrische veld te genereren (0V - 500V DC)
Power Distribution Unit	APC	AP7900	Een PDU om de laboratoriuminstrumenten op afstand aan te sluiten