Optisch grote metalen deeltjes in de lucht opvangen met een 'boot'-val met direct getrokken zijwanden

Samenvatting

Dit artikel beschrijft de experimentele methode om langdurige stabiele vangst en nauwkeurige positionering van grote metaaldeeltjes in de lucht te bereiken met behulp van een dynamische, bootvormige fotoforetische val. Dit systeem maakt gecontroleerde manipulatie mogelijk die geschikt is voor studies naar plasmonische interacties.

Samenvatting

We presenteren een methode om stabiele optische vangst te bereiken van grote metalen deeltjes (>1,16 μm gemiddelde diameter massief gouddeeltjes, en >100 μm geleidergecoate microsferen) met behulp van een gefocuste bundel, gescand door akusto-optische modulatoren om direct een parabolische val-dwarsdoorsnede in de lucht te tekenen.  Het resultaat van deze trekactie is de vorming van een 'bootval', open bovenop, die in staat is grote metalen deeltjes te vangen, te laden en stabiel vast te houden zonder te springen.  Een hoogvermogen continue golf 532 nm laser wordt zowel in de x- als y-richting gescand, waardoor een bootvormige intensiteitsverdeling ontstaat die geoptimaliseerd is voor het vangen van microsferen. De vangtijd wordt gemaximaliseerd door zorgvuldige selectie van de trekfrequentie die snel genoeg is om continu te lijken ten opzichte van de deeltjesdynamiek, maar langzaam genoeg om valvervorming te voorkomen. Dit protocol beschrijft de experimentele opstelling, inclusief lasermodulatie, deeltjesintroductietechnieken en validatie. Koolstofgecoate microsferen worden voornamelijk gebruikt om valsteenvorming en stabiliteit te visualiseren en te valideren, terwijl massieve gouden nanodeeltjes dienen als doelwit voor plasmonische interactiestudies. Deze methode maakt het mogelijk om op commando in realtime elk van een aantal dwarsdoorsneden te tekenen, wat een robuuste, flexibele aanpak biedt voor het vangen, laden en vertalen van luchtdeeltjes over lange tijdsperioden, met potentiële toepassingen in plasmonische versterking van geleviteerde optische systemen.

Inleiding

Dit werk presenteert een methode voor het nauwkeurig vangen, plaatsen en manipuleren van grote metalen deeltjes in de lucht met behulp van een dynamisch gegenereerde bootval. Eerdere benaderingen—zoals die met losjes gefocuste Gaussische bundels¹, aberratievallen², specklevelden ^3,4,5, of vortexbundels ^6,7—hebben belangrijke beperkingen, waaronder rotatiebeweging¹, meervoudige stabiele vanglocaties 2,3,4,5, of het ontbreken van een enkele, goed gedefinieerde vangplaats 6,⁷, wat in sommige geometrieën kan leiden tot springen tussen meerdere stabiele vanglocaties ^3,7 (zie Figuur 1A).  Een opmerkelijke uitzondering is de naar boven gerichte axiconval, die een enkele vangplek biedt, top-loading ondersteunt en—althans theoretisch—laterale translatie⁸ toestaat. De hier beschreven methode behoudt deze voordelen en introduceert drie cruciale verbeteringen: (1) robuuste vangst van metalen deeltjes, (2) een horizontale bundelgeometrie, en (3) realtime herconfigureerbaarheid van het vangpotentiaal via direct getekende optische wanden.

Benaderingen om gouddeeltjes te vangen zijn tot nu toe doorgaans in water uitgevoerd ^9,10,11, kunnen vangkenmerken hebben die rotatiebeweging¹² geven, of gebruik maken van tegenpropagerende stralen die de flexibele translatie van een gevangen deeltje¹³ remmen. Om deze uitdagingen voor massief gouddeeltjes met diameters groter dan 1 μm te overwinnen, wordt een dynamisch gemoduleerde fotoforetische 'boot'-val gebruikt.

Deze methode is toepasbaar op een breed scala aan deeltjesgroottes en -typen, van 20 nm koolstofnanosfeerclusters tot 100 μm gecoate glazen microsferen. Het is effectief in zowel open omgevingsomgevingen als gesloten gedeeltelijke drukomgevingen. De techniek kan werken op vermogens tot enkele tientallen watt.  Omdat de vallen als lijnen in plaats van punten zijn verdeeld, met optisch vermogen verspreid over grote gebieden, is de praktische implementatie het meest effectief bij vermogens boven 1 W.

Het vangmechanisme is afhankelijk van positieve fotoforese, die ontstaat door asymmetrische verhitting van het deeltje door de laserstraal. Wanneer een absorberend metaaldeeltje wordt belicht, zendt de hetere kant gasmoleculen uit met meer impuls dan de koelere kant, wat resulteert in een nettokracht die het deeltje van het licht wegduwt. Deze fotoforetische kracht kan worden uitgedrukt als:

waarbij C een coëfficiënt is die afhangt van de deeltjesgeometrie, gaseigenschappen en thermische accommodatiecoëfficiënt, en ∇T de temperatuurgradiënt langs het deeltjesoppervlak. In dit systeem wordt deze kracht omhoog gericht in de val en werkt het de zwaartekracht tegen, waardoor stabiele levitatie mogelijk wordt. Een meer gedetailleerde afleiding van de fotoforetische kracht—inclusief zowel radiometrische druk als thermische kruipeffecten—wordt gegeven in Mirzaei-Ghormish et ^al.14.

De bootval gebruikt een willekeurige golfvormgenerator (AWG) om akusto-optische modulatoren (AOM's) te regelen en zo een hoogintensiteit optische wand te vormen die wordt gecreëerd door een gefocuste continue golf (CW) laserstraal te scannen om een stabiele parabolische vangpotentiaal¹⁴ te genereren (zie Figuur 1B).  Deze aanpak maakt nauwkeurige controle van de valvorm mogelijk, waardoor deeltjes kunnen worden gevangen, stilgehouden en blootgesteld op één oppervlak—belangrijke vereisten voor toepassingen zoals het dicht bij gouden plasmonische deeltjes van een dimensie groter dan 1 μm brengen voor Purcell-versterking van nanodiamantfluorescentie¹¹

Protocol

Deze sectie beschrijft de voorbereiding van deeltjes en de constructie van de optische opstelling. Let op dat deze opstelling verschilt van vortex-, diffracting- en andere wavefront-shaping methoden, die resulteren in een singletrap-morfologie (zie Gong et al. voor een overzicht van wavefront shaping traps⁸). In deze opstelling kan men door het scannen van een gefocuste puntprimitief veel valdoorsneden creëren. Daarom, hoewel dit werk de bootvalmorfologie benadrukt, moet je je ervan bewust zijn dat de beschreven opstelling flexibel genoeg is om veel andere valgeometrieën te creëren die in toekomstig werk behandeld zullen worden.

1. Voorbereiding van deeltjes

1. Koolstofgecoate glazen microsferen (gebruikt voor visualisatie, Figuur 2)
   1. Breng 3 ml microsferen over in een kleine, schone kristallisatieschaal (Figuur 2A, links) met een schone spatel. Voer deze stap uit in een dampkap om te voorkomen dat fijne glasdeeltjes massaal verspreiden.
      OPMERKING: De dampkap behield een negatieve druk en trok lucht naar binnen met een gemiddelde gezichtssnelheid van 101 ft·^min-1.
   2. Bedek de schaal met een deksel of horlogeglas en doe het over in een koolstofstaafverdampingssysteem (Figuur 2B).
   3. Stel de verdampingsroutine in op 3 pulsen bij 73 A pulsstroom, 3 s pulslengte en 10 s pulsinterval (zie Tabel 1).
   4. Verwijder het deksel. Voeg deeltjesschaal in. Start het coatingprogramma. Vervang het deksel. Verwijder het gerecht.
   5. Beweeg de schotel door de deeltjes met voldoende kracht te schudden om de deeltjesposities te randomiseren (Figuur 2C). Verwijder het deksel en plaats het schaaltje terug in de coater voor coating. Herhaal dit 10 keer.
      OPMERKING: Na het coaten zullen de deeltjes eruitzien zoals die in Figuur 2A, aan de rechterkant. Let ook op dat de resulterende grootte van de koolstofgecoate microsfeer vrijwel ongewijzigd blijft, aangezien de 20 nm-coating klein is vergeleken met de gemiddelde diameter van een koolstofgecoate microsfeer, die meer dan 60 μm kan zijn.
   6. Bedek de resulterende deeltjes met een horlogeglas of film en bewaar ze in een vochtigheidsgecontroleerde omgeving.
      OPMERKING: Alle coating- en experimentele werkzaamheden werden uitgevoerd in een omgeving die binnen laboratoriumomstandigheden werd gehandhaafd met een temperatuur van 21-25 °C en 20-45% relatieve luchtvochtigheid.
2. Massief gouddeeltjes (gebruikt voor plasmonische experimenten)
   1. Massieve gouddeeltjes worden droog verkocht met een gemiddelde diameter van 1 μm (zie Figuur 2D en Tabel van Materiaal). Wanneer ze klaar zijn om te gebruiken, breng je de gedroogde deeltjes over in de roterende glasdeeltjeskamer (Figuur 2E).

2. Opzet van het optisch systeem

OPMERKING: De optische opstelling is te zien in Figuur 3. De volledige lijst van benodigde optische en elektrische componenten om de opstelling te voltooien wordt gegeven in de Materiaaltabel. In deze opstelling creëren vier identieke lenzen twee gecascadeerde 4F-relais die AOM₁ op AOM₂ afbeelden. AOM₁ buigt de bundel verticaal af, AOM₂ buigt deze horizontaal af, en omdat de brandpuntsafstanden gelijk zijn, valt het geconjugeerde vlak van AOM₁ samen met AOM₂.

1. Laserbron en initiële bundeluitlijning
   1. Plaats op een optisch bord een laserbron die vermogen kan leveren van <5 mW tot >5 W met een lichtopbrengst van 532 nm.
      OPMERKING: De bronlaser die in deze experimenten werd gebruikt, kon vangkrachten van meer dan 10 W aanleveren. Bij de uitgang van de laser en voordat hij AOM¹ binnengaat, wordt de bundel gecollimeerd met een diameter van ongeveer 1,3 mm (1/e² intensiteitsbreedte), gemeten met behulp van een bundelprofiler. Een bron van 532 nm werd gekozen omdat deze beschikbaar is bij hoge vermogens, goede bundelkwaliteit en een goede plasmonische absorptie heeft voor de doeldeeltjes.
   2. Verminder het laservermogen tot <5 mW. Gebruik een polarisator om te bepalen of de polarisatie verticaal is georiënteerd. Als dat niet zo is, draai dan de laser of insert en draai een hoogvermogen halfgolfplaat om verticale polarisatieoriëntatie te waarborgen. Gebruik een kinematische straallift (Figuur 4A, rechtszijde) en een liniaal om de bundelhoogte in te stellen op 23 ± 0,5 cm (deze hoogte is willekeurig, maar is handig gebleken). Meet de bundelhoogte op 10 cm vanaf de lift en op 40 cm. Zorg ervoor dat beide metingen een hoogte van 23 cm geven.
      OPMERKING: De AOM werkt met een langzame schuifmodus dubbelbrekende akusto-optische interactie in telluriumdioxide (TeO₂), waarbij de ingangsbundel horizontaal gepolariseerd moet zijn. De gediffrakteerde bundel komt met verticale polarisatie tevoorschijn vanwege de dubbelbrekende aard van de interactie. Aangezien de eerste AOM fysiek 90° wordt gedraaid ten opzichte van het globale coördinatensysteem, moet de ingangsstraal verticaal gepolariseerd zijn in globale coördinaten om uit te lijnen met de interne horizontale polarisatieas van de AOM.
2. Objectief en relaislensplaatsing
   1. Stel de microscoop af op bundelhoogte, gericht in de -z-richting, op een afstand van meer dan 100 cm van de uitgang van de bundellift (Figuur 4A,B).
   2. Plaats een Fouriertransformatielens 10 cm in de -z-richting met een convex oppervlak dat in de +z-richting wijst (Figuur 4C,D).
   3. Plaats de resterende drie Fouriertransformatielenzen 20 cm uit elkaar, met convexiteiten die afwisselen zoals getoond in Figuur 4E.
3. AOM-configuratie
   1. Positioneer AOMs 10 cm in de -z-richting van de lenzen die het dichtst en verst van de laser staan, zoals weergegeven in Figuur 5,B.
   2. Zorg ervoor dat AOM₁ (de AOM die het dichtst bij de laser ligt) verticaal is gepositioneerd.
      OPMERKING: In deze instantie werd hiervoor een aangepaste 3D-geprinte houder gemaakt. Draai AOM₁ ongeveer 2° naar de optische as zoals weergegeven (Figuur 5A).
   3. Plaats AOM₂ 10 cm van de lens het verst van de laser. Deze AOM zal horizontaal georiënteerd zijn (Figuur 5B). Draai AOM₂ ongeveer 2° van de optische as af zoals weergegeven (Figuur 5B).
   4. Zet de laser op een laag vermogen (bijvoorbeeld <5 mW).
   5. Voor elk kanaal van de AWG sluit je een spanningsgestuurde oscillator (VCO), een versterker en één AOM aan (Figuur 5C). Verbind eerst de versterkers met de AOMs zoals weergegeven in Figuur 5D, E.
      OPMERKING: Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de versterkers op een belasting zijn aangesloten voordat ze worden ingeschakeld. Versterkers en VCO's gebruiken beide 12 V gelijkstroom en kunnen worden aangesloten op een gemeenschappelijke 12 V bron met bananenklemmen, zoals weergegeven in figuur 5F.
4. AOM-optimalisatie
   1. Plaats een opening in het systeem zoals weergegeven in Figuur 6A.
   2. Met de AWG wordt het radiofrequentiesignaal naar beide AOM's aangepast tot een waarde van 175 MHz (~5 V op de VCO).
      OPMERKING: Er zullen nu twee bundels zijn na AOM¹ en vier bundels na AOM² (zie Figuur 6B).
   3. Verlaag de kantelhoek van AOM₁ tot nul. Verhoog de hoek geleidelijk totdat de eerste-orde bundel (de rechterbovenste 'passstraal' die verschijnt wanneer je in de -z-richting kijkt zoals getoond in Figuur 6C) op zijn helderst is. De AOM zal ongeveer terugkeren naar de oorspronkelijke hellingshoek van 2°.
   4. Verlaag de kanteling van AOM₂ naar nul. Verhoog de hoek geleidelijk totdat de eerste-orde bundel op zijn helderst is. De AOM zal ongeveer terugkeren naar de oorspronkelijke hellingshoek van 2°.
      OPMERKING: De gemiddelde diffractie-efficiëntie (bij aangedreven met 1 W elektrisch vermogen) was ongeveer 70% per AOM. De totale optische efficiëntie van het systeem was ongeveer 30%.
   5. Zorg ervoor dat beide bundels die de eerste AOM verlaten de tweede binnenkomen. Zorg ervoor dat van de vier bundels die de tweede AOM binnenkomen, de rechterbovenbundel wordt gekozen om door een opening te gaan.
      OPMERKING: De opening moet klein genoeg zijn om de 'blokstralen' te blokkeren en de 'doorlaatstraal' te laten doorgaan, zelfs wanneer deze wordt afgebogen door de AOM (Figuur 6C,D).
   6. Plaats een beamsplitter zoals getoond in Figuur 6E om een deel van de bundel naar een observatieoppervlak te leiden (Figuur 6E,F).
5. AWG-regeling
   1. Met AWG-amplitudes op nul gezet (of AWG-uitgangen op 'uit'), zal de resulterende bundel op het observatieoppervlak eruitzien als een stip (Figuur 7A,B).
   2. Stel het verticale kanaal in op 3 V, de amplitude op 5 V en de frequentie op 4 kHz om een verticale lijn te zien (Figuur 7C,D).
   3. Stel de horizontale kanaaloffset in op 3 V, de amplitude op 5 V en de frequentie op 4 kHz om een diagonale lijn te zien (Figuur 7E,F).
   4. Stel de verticale kanaalfrequentie in op 8 kHz en faseverschuiving op 90° om een Lissajous-patroon te zien (Figuur 7G,H).
   5. Druk op de uitlijnfaseknop om het Lissajous-patroon om te zetten naar een parabolische vorm (Figuur 7I,J).
   6. Pas de verticale kanaalfaseverschuiving aan om de parabolische vorm te verfijnen (Figuur 7K,L).

3. Opstelling van beeldvormingssysteem

OPMERKING: Het beeldvormingssysteem maakt axiale (d.w.z. 'frontaal') verlichte achterwaartse waarneming van deeltjes en het valprofiel mogelijk.

1. Camera, filter en interface
   OPMERKING: De camera heeft een nominale maximale snelheid van 751 fps; De werkelijke snelheid zal echter sterk variëren afhankelijk van de gekozen resolutie en systeemlatentie. In deze experimenten was de werkelijke snelheid ongeveer 500 fps. Afspelen was het meest nuttig bij 1/100e snelheid of 5 fps (ervan uitgaande dat er geen frames werden weggelaten bij de opname).
   1. Plaats een telecentrische lens op een lineair podium (beweegbaar langs de z-as) met een brandpuntsafstand van 45 mm, 55 mm voor het objectief (+z-richting, Figuur 8A). Plaats een dichroïsch filter dat ontworpen is om 532 nm licht te reflecteren (zie Materiaaltabel) voor de lens, zoals te zien is in Figuur 8A,B.
   2. Verbind de camera via USB met een pc met bijbehorende beeldsoftware (zie Materiaaltabel voor type en merk). Zie Tabel 2 voor de initiële camera-instellingen).
   3. Kantel het dichroïsche filter licht (5-10 °) totdat de vorm van de parabolische val verschijnt (Figuur 8C,D).
   4. Plaats de camera op een lineair podium (Figuur 8E) en schuif de lens terug om de beeldscherpstelling te verfijnen (Figuur 8F).
   5. Verlicht de beamsplitter met een glasvezellichtbron (Figuur 8G).
   6. Stel het vezellicht zo aan dat het licht rond de parabolische val wordt gecentreerd (een voorbeeld van verplaatste verlichting in Figuur 8H, en op het centrum in Figuur 8I).

4. Deeltjesbelasting en -vangst

1. Met een laboratoriumspatel plaats je een kleine hoeveelheid (~1 g) deeltjes in een glazen cilinder van 25 mm lang en 12 mm doorsnee, gemonteerd om rotatie langs de cilinderas mogelijk te maken (Figuur 9A).
2. Plaats de geladen glazen cilinder gecentreerd op 15 mm (d.w.z. werkafstand van het objectief) van het objectief (Figuur 9B).
3. Draai de cilinder (Figuur 9C), tik op de cilinder en bekijk het cameradisplay. Terwijl de gebruiker tikt, kan hij de volgende toestanden waarnemen: standaard/geen gevangen deeltjes (Figuur 9D), vallende deeltjes (Figuur 9E) en deeltjes(s) gevangen (Figuur 9F).

5. Computationele tracking met OpenCV

OPMERKING: Deeltjestracking en kwantificatie van retentietijd zijn uitgevoerd met een aangepast OpenCV-gebaseerd programma (OpenCV versie 4.6.0) ontwikkeld in C++ en uitgevoerd in Microsoft Visual Studio 2022.

1. Software installeren
   1. Installeer Visual Studio 2022 Community Edition (als het gebruik van de gebruiker het toelaat) op https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. Installeer de desktopontwikkeling met C++ workload.
   2. Download en installeer OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. Let tijdens het installeren op de installatiemap.
   3. Download en installeer NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html Je moet een account aanmaken om het te installeren. Let tijdens het installeren op de installatiemap.
   4. Download en installeer Pylon versie 7.5.0.15658. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. Let tijdens het installeren op de installatiemap.
2. Softwareconfiguratie
   1. Open Visual Studio CE en maak een nieuw leeg project.
   2. Voeg een main.cpp bronbestand toe en plak de code uit Aanvullend Bestand 1 ( main.cpp) in het nieuwe bronbestand.
      OPMERKING: Kopieer code naar bestanden die door Visual Studio zijn gemaakt in plaats van externe bestanden te importeren om conflicten met de projectbestandsstructuur van Visual Studio te voorkomen.
   3. Ga naar Project > YourProjectNameHere Properties.
   4. Verander de configuratie naar Alle configuraties en verander het platform naar x64.
   5. Verander configuratie-eigenschappen > Algemene > C++ LanguageStandard naar ISO C++14 standaard.
   6. Verander configuratie-eigenschappen > C/C++ > Algemene > Extra Include-mappen zodat de OpenCV-headers worden opgenomen. In deze studie werden deze geïnstalleerd in C:\Program Files\opencv\build\include.
   7. Voeg in hetzelfde tekstvak Additional Include Directories de paden toe aan de normale pylonheaders en de pylonsampleheaders. In deze studie werden deze respectievelijk geïnstalleerd in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include en C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include .
   8. Voeg in hetzelfde tekstvak Additional Include Directories de normale pylonheaders en de pylonsampleheaders toe. In deze studie werden deze respectievelijk geïnstalleerd in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include en C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include .
   9. Voeg in hetzelfde tekstvak Additional Include Directories de VISA-headers toe. In deze studie werden deze geïnstalleerd in C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. Verander configuratie-eigenschappen > Linker > General > Additional Library Directories zodat deze de OpenCV-libmap bevat. In deze studie werden deze geïnstalleerd in C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. Voeg in hetzelfde tekstvak Additional Library Directories de pylon lib-map toe. In deze studie werden deze geïnstalleerd in C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. Voeg in hetzelfde tekstvak Additional Library Directories de VISA-bibliotheekmap toe. In deze studie werden deze geïnstalleerd in C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
   13. Verander de configuratie naar debuggen, stel vervolgens Change Configuration Properties > Linker > Input > Additional Dependencies in om zowel opencv_world460d.lib als visa64.lib te omvatten.
   14. Verander de configuratie naar Release, stel vervolgens Change Configuration Properties > Linker > Input > Additional Dependencies in om zowel opencv_world460.lib als visa64.lib te omvatten.
3. Softwarekalibratie
   1. Start Visual Studio 2022 en open het project van de gebruiker, YourProjectNameHere.sln.
   2. Druk op de groene Run/Play-knop . Er verschijnen een videofeed en terminal (Figuur 10A).
   3. Zorg ervoor dat de groene vangparabool zichtbaar is. Zo niet, pas dan het vermogen, filtering en/of uitlijning aan indien nodig totdat het vanggebied zichtbaar is.
   4. Leg het scherm vast door eerst op de Windows-toets + Shift + S te drukken en vervolgens de muisaanwijzer van linksboven naar rechtsonder in de videofeed te slepen (Figuur 10B). De schermcapture-tool genereert een pop-up. Klik op deze pop-up om de screenshot-editor te openen. In deze editor bevindt zich een knop om te bewerken in MS Paint. Klik op de knop Bewerken in MS Paint .
   5. Plaats de cursor linksboven in de parabool die in het MS Paint-venster wordt getoond. Noteer de coördinaten die linksonder in het MS Paint-venster staan (Figuur 10C). Coördinaten worden aangeduid als (xmin, ymin).
   6. Plaats de cursor rechtsonder in de parabool. Noteer de coördinaten die linksonder in het MS Paint-venster staan. Coördinaten worden aangeduid als (xmax, ymax).
   7. Sluit de videofeed door op de escape-toets te drukken.
   8. Voer xmin, xmax en ymin, ymax in op regel 280 in de is_trapped() -functie van main.cpp binnen het project van de gebruiker: bijvoorbeeld, Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      OPMERKING: De eerste Range-functie neemt xmin en xmax als parameters, terwijl de tweede Range-functie ymin en ymax is. Dit bepaalt het detectievenster voor de deeltjesdetectie (Figuur 10D).
4. Frequentieselectie
   1. Start Visual Studio 2022 en open het project van de gebruiker, YourProjectNameHere.sln als het nog niet geopend is.
   2. Open PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) of de opdrachtprompt.
      Voer: python -c "import random; print(random.sample(range(0,101),101))"
      Kopieer de gegenereerde lijst met testnummers.
      OPMERKING: Elk gegenereerd getal vertegenwoordigt een frequentie. De wiskundige afbeelding van getal naar frequentie is:
      f(n) = 100 • 10^0,03n Hz
      Domain: n∈{0,1,...,100}
      Bereik: f(0) = 100Hz tot f(100) = 100.000Hz (100 kHz)
      Stappen zijn logspaced. Dit script is opgenomen als een Supplement File 2, numbershuffler.py voor het gemak van de lezer.
   3. Bewerk regel 443 van main.cpp door de gegenereerde lijst met getallen in de testnummerreeks te kopiëren: bijvoorbeeld,
      vector 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. Bewaar het project.
5. Een experiment uitvoeren
   1. Maak de laser klaar. Laat de laser indien nodig zijn warming-up routine voltooien. Open de lasersluiter en verhoog het vermogen tot het doelniveau. Dit was in dit geval ongeveer 8 W.
   2. Open YourProjectNameHere.sln in Visual Studio.
   3. Zorg ervoor dat de camera via USB op de pc is aangesloten.
   4. Zorg ervoor dat de AWG via USB met de pc is aangesloten.
      OPMERKING: Voor de AWG die in de Materiaaltabel is vermeld, is de juiste USB-poort voor VISA-besturing de USB-B-poort aan de achterkant van het instrument (Figuur 11A).
   5. Zorg ervoor dat versterkers worden beëindigd bij AOMs. Zet de VCO-voedingen aan.
   6. Zet de witte lamp aan en stel hem zo aan dat de parabool gelijkmatig wordt verlicht.
      OPMERKING: De code detecteert schaduwen van donkere deeltjes, markeert succesvolle vallen en timet hun duur. Resultaten worden automatisch geëxporteerd naar een tekstbestand.
   7. Druk op de Run/Play-knop in Visual Studio om het project te starten. Er verschijnt een videofeed.
      OPMERKING: Als het programma crasht, probeer dan te wisselen tussen Debug - en Release-configuraties (zie Microsoft-richtlijnen: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. Pas de kanteling van het inkepingsfilter aan totdat de laser op volle kracht (≈8 W) nauwelijks zichtbaar is.
   9. Tik op de glazen buis en observeer de voeding terwijl de deeltjes vallen. In het geval van koolstofgecoate glasmicroboldeeltjes zullen de deeltjes verschijnen als zwarte cirkels die snel in het cameraveld vallen. Blijf tikken. Het programma begint op de eerste frequentie van de opgegeven frequentiereeks. Zodra het 10 valgebeurtenissen van elke tijdsduur heeft geregistreerd (inclusief deeltjes die slechts door de detectiezone passeren), zal het doorgaan naar de volgende frequentie in de reeks. Als het aantal deeltjes dat tijdens het tappen valt afneemt, draai dan de glazen buis 180° en hervat het tappen. Wanneer alle frequenties zijn getest, zal het programma stoppen en kan de gebruiker stoppen met aftikken.
6. Datavisualisatie
   1. Open het results.txt-bestand (Aanvullend Bestand 3) in een teksteditor. In deze studie werd het bestand gevonden op C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt. Elke keer dat het programma wordt uitgevoerd, verschijnen nieuwe resultaten onder de kop "Start van een nieuwe batch resultaten." in het formaat resultaat: .
   2. Gebruik Zoeken en Vervangen om alle instanties van "result:" te vervangen door een komma (,). Verwijder alle data die niet gerelateerd is aan de huidige run. Gebruik Save As om het schoongemaakte bestand als results.csv op te slaan.
   3. Open results.csv in een spreadsheet. Kopieer de testnummers en traptijden uit het .csv bestand naar de spreadsheet example.xlsx (Supplementary File 4). Plak de testnummers in de eerste kolom. De tweede kolom wordt automatisch gevuld met de bijbehorende schrijffrequentie in Hz, berekend uit de testnummers. Plak de traptijdgegevens in de derde kolom. Extra kolommen worden automatisch ingevuld door filters toe te passen, zoals minimum time filters. Vervolgens wordt een scattergrafiekgrafiek ingevuld en datapunten weergegeven die valtijden versus valstrikfrequentie weergeven (Figuur 11B).
      OPMERKING: Het STL-bestand voor de 3D-printbare AOM-houder die werd gebruikt om AOM₁ te monteren, wordt weergegeven in Aanvullend Bestand 5.

Resultaten

Resultaten voor koolstofgecoate microsferen

Koolstofgecoate microsferen leveren de visueel meest handige deeltjes om op te vangen van de twee deeltjestypen die in dit artikel zijn behandeld (namelijk koolstofgecoate microsferen en massief gouddeeltjes). Koolstofgecoate microsferen produceren donkere schaduwen wanneer ze van achteren worden belicht, zoals weergegeven in Figuur 9E,F.  Dit maakt ze i...

Discussie

De succesvolle implementatie van deze vangtechniek is afhankelijk van precieze modulatie van de AOM-frequenties en de juiste uitlijning van optische componenten. Een van de belangrijkste stappen is ervoor zorgen dat de scanlaserstraal een goed gevormde parabolische potentiaal genereert.  Hoewel kortere brandpuntsafstanden en grotere numerieke openingen doorgaans de stijfheid en opsluiting van de val verbeteren, woog het gemak van een objectief op lange werkafstand voor deeltjesbelasting ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	Wordt gebruikt om vastgelopen deeltjes te beeldvormen; telecentrische lens; gelabeld als 'i' in Figuur 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	Wordt gebruikt voor straalcollimatie en superpositie (behandelde uitlijning); Relay-optiek; gelabeld als 'b' in Figuur 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	fouriertransformaties output van AOM's; objectief; gelabeld als 'g' in Figuur 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	Wordt gebruikt om de beeldcontrast te verbeteren; Witte lichtbron; gelabeld als 'f' in Figuur 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Acousto-optische Modulators (AOM), y-richtingscan; Y-AOM; gelabeld als 'a' in Figuur 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM gebruikt voor straalscannen in de x-richting; X-AOM; gelabeld als 'c' in Figuur 3
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	Wordt gebruikt om deeltjes te detecteren; camera; gelabeld als 'j' in Figuur 3
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	Uitgerust met data acquisitie- en beeldverwerkingssoftware
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	Verlichtingslaser; Laserbron
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	Roterende kamer voor deeltjes; deeltjeskamer; gelabeld als 'h' in Figuur 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, gebruikt voor luchtstroomstabilisatie
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	Wordt gebruikt voor vergelijkend testen
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	Vaste gouden deeltjes
model number TB-17	Minicircuits	15542	Wordt gebruikt om signaal naar AOM's te versterken; RF Versterkers; gelabeld als 'm' in Figuur 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	Wordt gebruikt om de gediffracte ordes ruimtelijk te filteren; Diafragma; gelabeld als 'd' in Figuur 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	wordt gebruikt om wit licht langs de optische as te introduceren om deeltjes tegenlichten; straalpaller; gelabeld als 'e' in Figuur 3
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	Rigol DG4202, gebruikt voor AOM controle; Willekeurige golfvormgenerator; gelabeld als 'k' in Figuur 3
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	Wordt gebruikt voor AOM frequentieafstemming; Spanningsgestuurde oscillatoren (VCO's); gelabeld als 'l' in Figuur 3