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

Ons werk beschrijft de constructie en werking van een herconfigureerbare, bootvormige optische val voor het opvangen en manipuleren van deeltjes in de lucht. Bestaande vangmethoden compromitteren het lokaliseren van de val en het vanggebied. Dit protocol introduceert een bootval, waarbij beide gelijktijdig worden uitgevoerd.

Dit protocol kan worden toegepast in standaard laboratoriumomgevingen onder omgevingsomstandigheden onder de naleving van de Class 4 laserveiligheidsprotocollen. Na het voorbereiden van de koolstofgecoate glazen microsferen, stel je het optische systeem op met een kinematische bundellift en een liniaal om de bundelhoogte op 23 centimeter in te stellen. Verlaag het laservermogen tot minder dan 50 milliwatt.

Gebruik een polarisator om te bepalen of de polarisatie verticaal georiënteerd is. Stel de microscoop in op bundelhoogte gericht in de negatieve Z-richting op een afstand van meer dan 100 centimeter van de uitgang van de bundellift. Plaats een Fouriertransform-lens 10 centimeter in de negatieve Z-richting, met het convexe oppervlak gericht in de positieve Z-richting.

Plaats vervolgens de resterende drie Fourier-transformatielenzen 20 centimeter uit elkaar met afwisselend convexiteiten. Plaats de akusto-optische modulatoren 10 centimeter in de negatieve Z-richting van de lenzen die het dichtst bij en het derde dichtst bij de laser staan. Zorg ervoor dat de akusto-optische modulator het dichtst bij de laser verticaal is georiënteerd.

Plaats de akusto-optische modulator twee 10 centimeter van de lens als derde dichtst bij de laser. Lijn het horizontaal uit en draai het ongeveer twee graden van de optische as af. Voor elk kanaal van de willekeurige golfvormgenerator sluit je een spanningsgestuurde oscillator, een versterker en één akusto-optische modulator aan.

Sluit vervolgens de versterkers aan op de akusto-optische modulatoren. Met behulp van de willekeurige golfvormgenerator stelt u de spanning die aan beide spanningsgestuurde oscillatoren wordt geleverd in op vijf volt, wat overeenkomt met een frequentie van 100 megahertz. Verlaag vervolgens de helling van de akusto-optische modulator met twee naar nul.

Verhoog de hoek geleidelijk totdat de eerste orde bundel zijn maximale helderheid bereikt. Lijn beide bundels die de eerste akusto-optische modulator verlaten uit om de tweede modulator binnen te gaan. Van de vier bundels die de tweede akusto-optische modulator verlaten, laat alleen de rechterbovenste bundel door de opening passeren.

Plaats vervolgens een straalsplitser om een deel van de bundel naar een observatieoppervlak te leiden. Met de amplitudes van willekeurige golfvormgeneratoren op nul gezet, observeer je de resulterende bundel op het observatievlak als een stip. Stel het verticale kanaal in op vijf volt, amplitude op drie volt en frequentie op vier kilohertz.

Observeer de bundel die een verticale lijn vormt op het observatieoppervlak. Vervolgens stel je de horizontale kanaaloffset aan op vijf volt, de amplitude op drie volt en de frequentie op vier kilohertz. De bundel moet een diagonale lijn vormen op het observatieoppervlak.

Stem het verticale kanaal af op acht kilohertz en een faseverschuiving van 90 graden, wat resulteert in een Lissajos-patroon op het observatieoppervlak. Druk vervolgens op de Uitlijnfase-knop om het Lissajous-patroon om te zetten naar een parabolische vorm. Pas de verticale kanaalfaseverschuiving aan om de parabolische vorm te verfijnen en observeer het verfijnde parabolische patroon op het observatieoppervlak.

Plaats een telecentrische lens met een brandpuntsafstand van 45 millimeter op een lineair podium en plaats deze 55 millimeter voor het objectief in de positieve Z-richting. Plaats vervolgens een dichroïsch filter dat ontworpen is om 532 nanometer licht voor de lens te reflecteren. Verbind de camera met een personal computer via een Universal Serial Bus-kabel met de bijbehorende beeldvormingssoftware.

Kantel vervolgens het dichroïsche filter iets tussen vijf en tien graden totdat de parabolische valvorm verschijnt. Verlicht de bundelsplitter met een vezellichtbron en stel het glasvezellicht zo aan dat het licht rond de parabolische val wordt gecentreerd. Met een laboratoriumspatel plaats je ongeveer één gram deeltjes in een glazen cilinder van 25 millimeter lang en 12 millimeter diameter, gemonteerd om rotatie langs de cilinderas mogelijk te maken.

Plaats de geladen glazen cilinder op 15 millimeter afstand van het objectief, overeenkomend met de werkafstand van het objectief. Na het draaien en tikken van de cilinder, observeer je het cameradisplay dat standaard of geen gevangen deeltjes, vallende deeltjes en gevangen deeltjes toont. Na het installeren en configureren van de software, start Visual Studio 2022 en open je het projectbestand.

Druk op de groene Run-knop om het programma te starten. Observeer de videofeed en terminal die op het scherm verschijnen. Zorg ervoor dat de groene vangparabool zichtbaar is op de videofeed.

Als het niet zichtbaar is, pas dan het vermogen, filter of uitlijning aan totdat het vanggebied verschijnt. Druk tegelijk op de Windows-, Shift- en S-toets om het scherm vast te leggen. Klik en sleep de muisaanwijzer van linksboven naar rechtsonder in de videobeeld.

Klik op de pop-up om de screenshot-editor te openen. Klik op de knop Bewerken in MS Paint binnen de editor. Plaats vervolgens de cursor linksboven in de parabool in het MS Paint-venster.

Noteer de coördinaten linksonder als minimum X en Minimum Y. Plaats vervolgens de cursor rechtsonder op de parabool in het MS Paint-venster. Noteer de coördinaten linksonder als X maximum en Y maximum.

Als dat klaar is, sluit je de videofeed door op de Escape-toets te drukken. Voer X minimum, X maximum, Y minimum en Y maximum in op regel 280 in de is_trapped functie van main. CPP binnen het project.

Voor testfrequentierandomisatie start Visual Studio 2022 en open het projectbestand als het nog niet geopend is. Open Windows PowerShell of de opdrachtprompt. Voer het commando pythonc import random uit en print een willekeurige steekproef van het bereik nul tot 101.

Kopieer vervolgens de gegenereerde lijst met testnummers. Bewerking: regel 443 van main. CPP door de gegenereerde lijst in de testnummerreeks te plakken en het project op te slaan in Visual Studio 2022.

Verhoog het laservermogen tot het niveau dat nodig is voor het experiment. Voer het experiment uit door op de groene startknop te klikken en de buis met deeltjes te tikken en te draaien. Als het experiment is afgerond, open je de resultaten.

txt-bestand in een teksteditor. Let op dat elk uitgevoerd programma nieuwe resultaten genereert onder de kop: Start van een nieuwe batch resultaten, in het formaat, testnummer, resultaat, gevolgd door trap-tijd in nanoseconden. Voor datavisualisatie kopieer je de testnummers en valtijden uit het Comma-Separated Values-bestand naar example.xlsx.

Na het toepassen van de benodigde filters observeer je de extra kolommen en een verstrooiingsdiagram dat vult met traptijd versus trap-trekfrequentie. Koolstofgecoate microsferen produceren donkere schaduwen wanneer ze van achteren worden verlicht. Glas-microsferen, deeltjes met afmetingen van ongeveer 100 micrometer, zakten ongeveer naar de bodem van de parabolische val.

Wanneer een deeltje succesvol werd gevangen, toonde de geautomatiseerde deeltjesdetectiesoftware een rood T. Wanneer er geen gevangen deeltje werd gevonden, toonde de software een groene N. Gevangeningsfrequenties en levensduur kunnen toenemen of afnemen als functie van omgevingsfactoren zoals temperatuur of luchtvochtigheid. Massieve gouddeeltjes van ongeveer één micrometer waren niet waarneembaar langs de optische as, maar hun lichtverstrooiing werd orthogonaal op de as waargenomen. Video-opnames bevestigden dat deeltjes hun positie gedurende langere tijden van meer dan enkele minuten behielden.

Dit protocol stelt een onderzoeker in staat om een bootval te trekken en snel aan te passen om een grote verscheidenheid aan deeltjes in de lucht te vangen en te verplaatsen. Toekomstige studies kunnen Field Programmable Gate Array-besturing integreren om programmeerbare manipulatie van valvorm, weging en dwarsdoorsnedelocatie binnen een 2D-vlak mogelijk te maken.