Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Pułapka optyczna obciążenia mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu

8.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54862

⸱

5 lutego 2017

 , 
1Physical Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół do wystrzeliwania i stabilnego zatrzymywania wybranych mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu.

Streszczenie

Pokazujemy metodę uwięzienia wybranej mikrocząstki dielektrycznej w powietrzu za pomocą ciśnienia promieniowania z pułapki optycznej o pojedynczym gradiorze. Losowo rozproszone mikrocząstki dielektryczne przyklejone do szklanego podłoża są chwilowo odłączane za pomocą drgań ultradźwiękowych generowanych przez przetwornik piezoelektryczny (PZT). Następnie wiązka optyczna skupiona na wybranej cząstce unosi ją do pułapki optycznej, podczas gdy wzbudzone wibracyjnie mikrocząstki opadają z powrotem na podłoże. Cząstka może zostać uwięziona w nominalnym ognisku wiązki pułapkującej lub w pozycji powyżej ogniska (określanej tutaj jako pozycja lewitacji), gdzie grawitacja zapewnia siłę przywracającą. Po pomiarze uwięziona cząstka może zostać umieszczona w żądanej pozycji na podłożu w kontrolowany sposób.

W tym protokole przedstawiono eksperymentalną procedurę selektywnego ładowania pułapek optycznych w powietrzu. Po pierwsze, pokrótce wprowadzana jest konfiguracja eksperymentalna. Po drugie, szczegółowo zilustrowano projekt i wykonanie uchwytu PZT oraz obudowy próbki. Obciążenie pułapki optycznej wybranej mikrocząstki jest następnie demonstrowane za pomocą instrukcji krok po kroku, w tym przygotowania próbki, wprowadzenia do pułapki i wykorzystania siły elektrostatycznej do wzbudzenia ruchu cząstek w pułapce i pomiaru ładunku. Na koniec przedstawiono zarejestrowane trajektorie cząstek ruchów Browna i balistycznych mikrocząstki uwięzionej w powietrzu. Trajektorie te można wykorzystać do pomiaru sztywności lub weryfikacji wyrównania optycznego poprzez analizę w dziedzinie czasu i częstotliwości. Selektywne ładowanie pułapki umożliwia pęsetie optycznej śledzenie cząstki i jej zmian pod wpływem powtarzających się obciążeń pułapki w sposób odwracalny, umożliwiając w ten sposób badanie interakcji cząstka-powierzchnia.

Wprowadzenie

Ashkin donosił o przyspieszaniu i zatrzymywaniu mikrocząstek przez ciśnienie promieniowania w 1970 roku. 1 Jego nowatorskie osiągnięcie przyczyniło się do rozwoju technik pułapkowania optycznego jako podstawowego narzędzia do podstawowych badań fizyki i biofizyki. 2,3,4,5 Do tej pory zastosowanie pułapkowania optycznego koncentrowało się głównie na środowiskach ciekłych i było wykorzystywane do badania bardzo szerokiego zakresu układów, od zachowania koloidów po właściwości mechaniczne pojedynczych biomolekuł. 6,7,8 Zastosowanie pułapki optycznej do mediów gazowych wymaga jednak rozwiązania kilku nowych problemów technicznych.

Ostatnio, optyczne pułapkowanie w powietrzu/próżni jest coraz częściej stosowane w badaniach podstawowych. Ponieważ lewitacja optyczna potencjalnie zapewnia niemal całkowitą izolację układu od otaczającego środowiska, optycznie lewitująca cząstka staje się idealnym laboratorium do badania kwantowych stanów podłoża w małych obiektach,4 mierząc fale grawitacyjne o wysokiej częstotliwości,9 i szukając ładunku ułamkowego. 10 Ponadto, niska lepkość powietrza/próżni pozwala na użycie bezwładności do pomiaru chwilowej prędkości cząstki Browna11 i do wytworzenia ruchu balistycznego w szerokim zakresie ruchu poza liniowym reżimem sprężynowym. 12 Dlatego też szczegółowe informacje techniczne i praktyki dotyczące pułapek optycznych w ośrodkach gazowych stały się bardziej wartościowe dla szerszej społeczności naukowej.

Nowe techniki eksperymentalne są potrzebne do ładowania nano/mikrocząsteczek do pułapek optycznych w ośrodkach gazowych. Przetwornik piezoelektryczny (PZT), urządzenie, które przekształca energię elektryczną w energię mechanoakustyczną, był używany do dostarczania małych cząstek do pułapek optycznych w powietrzu/próżni5,12 od czasu pierwszej demonstracji lewitacji optycznej. 1 Od tego czasu zaproponowano kilka technik ładowania mniejszych cząstek za pomocą lotnych aerozoli generowanych przez komercyjny nebulizator13 lub generator fal akustycznych. 14 Unoszące się aerozole z stałymi inkluzjami (cząstkami) losowo przechodzą w pobliżu ogniska i są przypadkowo uwięzione. Po wychwyceniu aerozolu rozpuszczalnik odparowuje, a cząstka pozostaje w pułapce optycznej. Metody te nie są jednak odpowiednie do identyfikacji pożądanych cząstek w próbce, ładowania wybranej cząstki i śledzenia jej zmian w przypadku uwolnienia z pułapki. Protokół ten ma na celu dostarczenie nowym praktykom szczegółowych informacji na temat selektywnego ładowania pułapek optycznych w powietrzu, w tym konfiguracji eksperymentalnej, wytwarzania uchwytu PZT i obudowy próbki, ładowania pułapki oraz pozyskiwania danych związanych z analizą ruchu cząstek zarówno w dziedzinie częstotliwości, jak i czasu. Opublikowano również protokoły wychwytywania w pożywkach płynnych. 15,16

Ogólna konfiguracja eksperymentalna jest opracowana na komercyjnym odwróconym mikroskopie optycznym. Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy układu używanego do demonstracji etapów selektywnego ładowania pułapki optycznej: uwolnienie spoczywających mikrocząstek, podniesienie wybranej cząstki za pomocą skupionej wiązki, zmierzenie jej ruchu i ponowne umieszczenie jej na podłożu. Po pierwsze, etapy translacyjne (poprzeczne i pionowe) są wykorzystywane do doprowadzenia wybranej mikrocząstki znajdującej się na podłożu do ogniska lasera pułapkującego (długość fali 1064 nm) zogniskowanego przez soczewkę obiektywu (obiektyw o dużej odległości roboczej z korekcją bliskiej podczerwieni: NA 0,4, powiększenie 20X, odległość robocza 20 mm) przez przezroczyste podłoże. Następnie wyrzutnia piezoelektryczna (mechanicznie obciążony pierścieniowy PZT) generuje drgania ultradźwiękowe w celu przerwania adhezji między mikrocząstkami a podłożem. W ten sposób każda uwolniona cząstka może zostać podniesiona przez gradientową pułapkę laserową o pojedynczej wiązce skupionej na wybranej cząstce. Gdy cząstka zostanie uwięziona, jest przenoszona do środka obudowy próbki zawierającej dwie równoległe płytki przewodzące do wzbudzenia elektrostatycznego. Wreszcie, system akwizycji danych (DAQ) jednocześnie rejestruje ruch cząstek, uchwycony przez fotodetektor z komórką kwadrantową (QPD), oraz przyłożone pole elektryczne. Po zakończeniu pomiaru cząstka jest w kontrolowany sposób umieszczana na podłożu, tak aby mogła zostać ponownie uwięziona w sposób odwracalny. Ten cały proces można powtórzyć setki razy bez utraty cząstek, aby zmierzyć zmiany, takie jak elektryzowanie się kontaktów, zachodzące w ciągu kilku cykli pułapkowania. Aby uzyskać szczegółowe informacje, zapoznaj się z naszym ostatnim artykułem. 12

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Przed eksperymentem proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi programami bezpieczeństwa. Wszystkie procedury eksperymentalne opisane w niniejszym protokole są wykonywane zgodnie z programem bezpieczeństwa NIST LASER oraz innymi obowiązującymi przepisami. Należy pamiętać o doborze i noszeniu odpowiednich środków ochrony osobistej (PPE), takich jak okulary chroniące przed laserem, przeznaczone do określonej długości fali i mocy. Obchodzenie się z suchymi nanocząsteczkami/mikrocząstkami może wymagać dodatkowej ochrony dróg oddechowych.

1. Projektowanie i wykonanie uchwytu PZT oraz przykładowej obudowy

  1. Zaprojektuj uchwyt PZT i obudowę próbki
    UWAGA: Poszczególne wartości konstrukcyjne różnią się w zależności od wyboru PZT.
    1. Otwórz pakiet oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Narysuj dwuwymiarowy (2D) szkic uchwytu dla danego wymiaru PZT. Rozwiń szkic 2D do elementów wolumetrycznych przy użyciu kombinacji Wyciągnięcie/Wyciągnięcie-wycięcie.
    2. Kliknij przycisk Szkicuj, narysuj prostokąt i wyciągnij go, aby utworzyć prostokątny sześcian.
    3. Naszkicuj dysk na górnej powierzchni sześcianu, aby zdefiniować kołowo wgłębiony element, który zakrywa i utrzymuje pierścieniowy PZT.
    4. Zdefiniuj otwór centralny, aby mieć dostęp optyczny zarówno do obrazowania w czasie rzeczywistym, jak i zalewkowania.
    5. Zdefiniuj okrągłą prowadnicę wzdłuż krawędzi środkowego otworu, aby wstawić płaski metalowy (miedziany) pierścień w celu skoncentrowania mocy ultradźwiękowej w kierunku środkowego obszaru, jak pokazano na rysunku 2a.
    6. Wykonaj dwa otwory na M6 w uchwycie PZT, który ma być montowany z płytą dolną (zakupiona, dolna płyta aluminiowa o grubości 4 mm z otworem pośrodku), jak pokazano na rys. 2c i 2d.
    7. W podobny sposób należy zaprojektować prostokątną ramę obudowy próbki. Kliknij przycisk Szkicuj i narysuj prostokąt, a następnie wyciągnij prostokąt, aby stał się prostokątnym blokiem.
    8. Narysuj mniejszy prostokąt na górnej powierzchni prostokątnego pudełka i wytnij prostokąt, aby uzyskać kształt prostokątnej rury.
    9. Narysuj mniejszy prostokąt na bocznej ścianie rurki i wytnij przez wytłaczanie, aby przekształcić go w ramę pudełka z próbkami.
    10. Przekształć te trójwymiarowe (3D) modele w format pliku stereolitografii (STL) w procesie drukowania 3D (rysunek 2b).
  2. Druk 3D zaprojektowanych obiektów
    1. Otwórz plik projektu ("-. STL") z poziomu oprogramowania operacyjnego drukarki 3D. Połóż obiekt płasko 0/.i wyśrodkuj obiekt na (0, 0, 0), klikając obiekt, aby go zaznaczyć i korzystając z funkcji wyrównywania: "Przesuń", "Na platformie" i "Wyśrodkuj". Ustaw uchwyt PZT tak, aby delikatne elementy były skierowane do góry. Zagłębiona powierzchnia będzie skierowana do góry.
    2. W menu przejdź do zakładki "Ustawienia" i "Jakość". Ustaw wartości druku w następujący sposób: Wypełnienie: 100%, Liczba powłok: 2 i Wysokość warstwy: 0,2 mm.
    3. Wyświetl podgląd obiektów, aby sprawdzić całkowity czas drukowania i upewnić się, że obiekty warstwowe zostaną wydrukowane zgodnie z potrzebami. Wyeksportuj plik do druku 3D w formacie ".x3g" i zapisz go do użycia w drukarce 3D.
    4. Włącz drukarkę 3D i rozgrzej ją, aż temperatura dyszy wytłaczającej osiągnie temperaturę roboczą, 230 °C. Załaduj plik projektowy z karty pamięci lub dysku sieciowego.
    5. Podczas rozgrzewki umieść platformę konstrukcyjną z niebieską taśmą malarską, aby obiekty bezpiecznie przylegały. Jako materiał termoplastyczny do zadania drukowania, użyj filamentu kwasu polimlekowego (PLA) do obu obiektów.
    6. Wydrukuj zaprojektowane obiekty. Po zakończeniu zadania drukowania wyłącz drukarkę, gdy ostygnie.
    7. Odłącz wydrukowany obiekt od platformy za pomocą dłuta. Wyprostuj drukowane obiekty. Jeśli orientacja zostanie odpowiednio dobrana, uchwyt PZT może być używany bezpośrednio bez dalszej obróbki końcowej.
    8. Do komory próbki należy przygotować jedną parę szkiełek nakrywkowych pokrytych tlenkiem indu i cyny (ITO) oraz trzy szkiełka nakrywkowe szklane w celu przykrycia ramy. Użyj frezu diamentowego, aby dopasować szkiełko nakrywkowe do obudowy.
    9. Podłącz dwie równoległe płytki przewodzące za pomocą szybkoschnącej srebrnej farby, aby dostarczyć napięcie na dwie płyty. Przyklej te pięć okien do obudowy próbki za pomocą kleju błyskawicznego.
      UWAGA: Jedna para szkiełek nakrywkowych powlekanych ITO jest instalowana na obudowie próbki równolegle (naprzeciwko siebie) w celu zapewnienia jednolitego pola elektrycznego i wytworzenia ruchu balistycznego naturalnie naładowanej cząstki wzdłuż pola elektrycznego. Trzy konwencjonalne szkiełka nakrywkowe zakrywają pozostałą powierzchnię komory próbki (górną i dwie pozostałe boki) w celu ochrony uwięzionych cząstek przed zewnętrznym przepływem powietrza

2. Obciążenie pułapki optycznej wybranej mikrocząstki

  1. Przygotowanie próbki
    1. Przechowuj mikrocząstki w opróżnionym eksykatorze, aby zmniejszyć kontakt z wilgocią w powietrzu przed eksperymentem.
    2. Wylej niewielką porcję mikrocząstek na szklane szkiełko i natychmiast włóż butelkę producenta z powrotem do eksykatora.
    3. Zbierz niektóre mikrocząsteczki za pomocą szklanej rurki kapilarnej. Rozsyp cząstki po podłożu, delikatnie stukając w kapilarę, jednocześnie trzymając kapilarnę nad szkiełkiem nakrywkowym.
    4. Sprawdź ilość i rozmieszczenie osadzonych cząstek na podłożu za pomocą mikroskopu ciemnego pola.
      Uwaga: Na etapie przygotowania próbki cząstka jest po prostu rozpraszana na szkiełku nakrywkowym i obrazowana za pomocą mikroskopu optycznego w celu sprawdzenia ogólnego ułożenia przed włożeniem ich (szkiełko nakrywkowe z rozproszonymi mikrocząstkami) między PZT i uchwyt PZT. Ponieważ przyczepność do powierzchni jest wystarczająco silna, aby utrzymać pojedyncze mikrocząstki na podłożu, przylegające cząstki są mocno zamocowane, chyba że zostanie przyłożona znaczna siła zewnętrzna.
  2. Zespół wyrzutni piezoelektrycznej
      Zaopatrz się we
    1. wszystkie elementy wyrzutni piezoelektrycznej: płaską płytę dolną, folię izolacyjną, PZT, szklane szkiełko nakrywkowe, miedziany pierścień, uchwyt PZT, dwie M6 i obudowę próbki.
    2. Nałóż cienką folię (lub taśmę) na dolną płytę, aby zaizolować PZT. Szklane szkiełko nakrywkowe izoluje górną część stosu.
    3. Zmontuj stos, centrując PZT na płaskiej płycie, teraz zaizolowanej taśmą, a następnie szkiełko nakrywkowe, miedziany pierścień i uchwyt PZT. Przykręć stos do siebie, utrzymując środek PZT, aby uniknąć zwarcia PZT z uchwytem, jeśli uchwyt prowadzi, jak pokazano na rys. 2c i 2d. Miedziany pierścień zapewnia równomiernie rozłożone mechaniczne napięcie wstępne na stosie dla plastikowych uchwytów PZT.
    4. Na koniec przyklej obudowę próbki do stosu i zamontuj zespół na stoliku translacyjnym XYZ w mikroskopie.
  3. Konfiguracja wyrzutni PZT
    UWAGA: Sterowanie PZT sygnałem wysokiego napięcia wiąże się z potencjalnymi zagrożeniami elektrycznymi. Przed eksperymentem skonsultuj się z personelem ds. bezpieczeństwa. Wszystkie połączenia elektryczne powinny być zabezpieczone przed eksperymentem. Wyłącz amplifier i odłączaj przewody PZT, gdy tylko jest to możliwe.
    1. Podłączyć przewody PZT do wzmacniacza napięcia i podłączyć generator funkcyjny do portu wejściowego wzmacniacza napięcia.
    2. Włącz generator funkcyjny i skonfiguruj go tak, aby generował ciągłe fale prostokątne o napięciu wyjściowym 1 V. Nie generuj voltage sygnał, dopóki wszystkie połączenia nie zostaną zweryfikowane i zabezpieczone.
    3. Włącz wzmacniacz napięcia i wygeneruj falę prostokątną napięcia wyjściowego 1 V, włączając wyjście.
    4. Podłącz port wyjściowy monitorowania (napięcie wyjściowe 200 V) amplifier do oscyloskopu. Skonfiguruj amplifier tak, aby miał wzmocnienie 200 V/V, obracając pokrętło wzmocnienia na panelu przednim. Sprawdź, czy napięcie wyjściowe monitorowania ma amplitudę 1 V, mierzoną przez oscyloskop.
    5. Po skonfigurowaniu generatora funkcyjnego i wzmacniacza znajdź częstotliwość rezonansową wyrzutni PZT, skanując częstotliwość modulacji sygnału napędowego, podczas gdy obrazy z mikroskopu wideo w czasie rzeczywistym przylegały do cząstek. Powtarzaj skanowanie, aż ruch mikrocząstek osiągnie maksimum. Użyj tej częstotliwości (tutaj 64 kHz), aby uwolnić cząstki.
      UWAGA: Częstotliwość modulacji jest ręcznie zmieniana (skanowana) od zera do 150 kHz w celu znalezienia częstotliwości rezonansowej.
    6. Skonfiguruj generator funkcji tak, aby generował falę prostokątną z określoną liczbą cykli w trybie serii seryjnej. Naciśnij przycisk "Burst" na panelu przednim i wybierz "N Cycle Burst".
    7. Wybierz liczbę serii, naciskając programowy "# Cycles" i ustaw liczbę na 10 lub 20.
    8. Skonfiguruj przebieg prostokątny do generowania sygnałów napięciowych o amplitudzie 600 V (trzykrotność napięcia używanego do ciągłego wzbudzenia) o częstotliwości rezonansowej 64 kHz, która została stwierdzona w poprzednim kroku. Sprawdź, czy pulsujący sygnał uwalnia cząstkę docelową w powtarzalny sposób, upewniając się, że cząstki poruszają się po każdym impulsie.
  4. Selektywne ładowanie pułapki optycznej
    UWAGA: Zespół wyrzutni PZT jest instalowany na ręcznym stoliku xy z translacją liniową. Cząstki mogą być przemieszczane względem stałego ogniska wiązki, przesuwając stopień translacyjny.
    1. Wyjmij filtr linii laserowej, aby zidentyfikować ognisko wiązki pułapkowej, obracając wieżyczkę mikroskopu (Rysunek 3a). Przesuwaj zmotoryzowany blok ostrości w pionie do przodu i do tyłu wokół najlepszej ostrości widocznego obrazu, aby zoptymalizować ostrość.
    2. Po zweryfikowaniu pozycji ostrości włóż filtr z powrotem, aby uzyskać wyraźny obraz w czasie rzeczywistym bez zakłóceń ze strony wiązki pułapkowej.
    3. Przełóż próbkę, aby umieścić wybraną cząstkę w miejscu skupienia lasera pułapkowego. Skoncentruj się na cząstce, aby zobrazować środek wybranej cząstki, co powoduje umieszczenie nominalnej pozycji pułapki poniżej środka cząstki o około pół promienia, pozostawiając pozycję lewitacji nad cząstką.
    4. Wyreguluj zasilacz podłączony do sterownika modulatora elektrooptycznego (EOM), aby ustawić moc pułapkowania optycznego. Optymalna moc zależy od wielkości cząstek i materiału. Moc optyczną znaleziono poprzez wielokrotne próby w celu określenia mocy wystarczającej do unoszenia cząstki w powietrzu bez wyrzucania jej z wiązki. W tym przypadku użyj mocy optycznej 140 mW w tylnej płaszczyźnie ogniskowej obiektywu, aby uwięzić cząstki polistyrenu (PS) o średnicy 20 μm.
    5. Po wyrównaniu środka wybranej cząstki uruchom wyrzutnię piezoelektryczną kilkoma impulsami. Zmiana obrazu cząstki ze statycznego obrazu skupionego na ruchomy, rozmyty obraz wskazuje na pomyślne wczytanie do pozycji lewitacji.
    6. Przesuń lewitującą cząstkę pionowo około milimetra nad podłożem, przesuwając soczewkę obiektywu w górę, aby zapobiec możliwym interakcjom powierzchniowym. Następnie zmniejsz moc optyczną, aby przekształcić lewitującą cząstkę (rysunek 3b) w nominalną pozycję pułapki (rysunek 3c), która jest bardziej stabilna.
      UWAGA: Moc optyczna lasera pułapkującego może być modulowana przez modulator elektrooptyczny (EOM). EOM reguluje moc wyjściową za pomocą napięcia polaryzacji dostarczanego przez zasilacz cyfrowy. Przez matrycę CCD można zaobserwować przejście z pozycji lewitacji do pozycji pułapki, przy jednoczesnym powolnym zmniejszaniu mocy optycznej.
    7. W celu pomiaru położenia, jak pokazano na rysunkach od 3c do 3d, ostrożnie przesuń środek uchwytu PZT do osi optycznej, a następnie przesuń soczewkę obiektywu w górę (pionowo), aby przesunąć cząstkę do środka obudowy próbki (9 mm nad podłożem), gdzie prążkowe pole elektryczne jest zminimalizowane.
    8. Po wykonaniu pomiaru, jak opisano poniżej, umieść cząstkę na podłożu, przesuwając obiektyw w dół, aż cząstka dotknie podłoża. Ponieważ większość cząstek jest nakładana w pobliżu rogów, uwięziona cząstka może być łatwo rozpoznana i ponownie uwięziona, gdy zostanie umieszczona w centralnym obszarze. Umożliwia to odwracalne obciążenie pułapki w celu pomiaru zmian zachodzących poza pojedynczym zdarzeniem pułapki, takich jak interakcje kontaktowe cząstki i substratu.

3. Akwizycja danych

  1. Ustaw kondensor i soczewkę skupiającą, aby zmaksymalizować sygnał "SUM" QPD z cząstką w pułapce.
  2. Ustaw soczewkę skupiającą tak, aby nominalnie wyzerować kanały X i Y QPD, jak pokazano na rysunku 4c.
  3. Powtarzaj regulację kondensatora i soczewki skupiającej, aż sygnały położenia przekształcone przez Fouriera (lub wykresy gęstości widma mocy (PSD)) kanałów X i Y nałożą się na siebie, aby uzyskać zrównoważoną czułość. Prawidłowo wyrównane sygnały QPD (X i Y) wykazują prawie identyczne zachowanie, jak pokazano na rysunku 4b.
  4. Po zweryfikowaniu wyrównania QPD podłącz voltage amplifier do dwóch płyt ITO. Podłącz sygnał wyjściowy monitorowania napięcia wzmacniacza do systemu DAQ, aby synchronicznie rejestrować sygnał wzbudzenia kroku i trajektorię indukowanych cząstek.
  5. Dostarczyć ciągłą falę prostokątną o napięciu 400 V, aby wytworzyć pole elektryczne (rysunek 4d), które przesuwa cząstkę poprzecznie do osi optycznej o około 500 nm (rysunek 4e). Zmierz skokową odpowiedź uwięzionej cząstki za pomocą QPD.
  6. W razie potrzeby uśrednij wiele okresów, aby zmniejszyć skutki ruchów Browna. Ruch indukowany można wykorzystać do pomiaru siły optycznej w szerszym zakresie ruchu niż fluktuacje termiczne. 12,17 Rysunki 4d i 4e pokazują uśrednione sygnały przyłożonego napięcia i trajektorii indukowanej cząstki w ciągu 50 iteracji wzbudzenia krokowego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wyrzutnia PZT została zaprojektowana przy użyciu pakietu oprogramowania CAD. W tym przypadku zastosowano prostą strukturę kanapkową do wstępnego obciążania (element PZT zaciśnięty dwiema płytkami), jak pokazano na Rysunku 2. Uchwyt PZT oraz obudowę próbki można wykonać z różnych materiałów i różnymi metodami. W celu szybkiej demonstracji wybrano druk 3D z użyciem termoplastu, co zilustrowano na Rysunku 2d. Na podstawie wykonanych komponentów, proces ładow...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Wyrzutnia piezoelektryczna została zaprojektowana w celu optymalizacji osiągów dynamicznych wybranego PZT. Właściwy dobór materiałów PZT i zarządzanie drganiami ultradźwiękowymi to kluczowe kroki do udanego eksperymentu. PZT mają różne charakterystyki w zależności od rodzaju przetwornika (masowy lub piętrowy) i materiałów składowych (twardy lub miękki). Typ masowy PZT wykonany z twardego materiału piezoelektrycznego jest wybierany z następujących powodów. Po pierwsze, twarde materiały piezoelektryczne mają mniejsze strat...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Wszystkie prace wykonane przy wsparciu National Institute of Standards and Technology. Zidentyfikowano pewne komercyjne urządzenia, instrumenty lub materiały w celu lepszego zrozumienia tego protokołu. Taka identyfikacja nie oznacza rekomendacji ani poparcia ze strony Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii ani nie oznacza, że zidentyfikowane materiały lub sprzęt są koniecznie najlepsze dostępne do tego celu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Taśma malarska ScotchBlue Oryginał3M3M2090
Scotch 810 Magiczna taśma3M3M810
Generator funkcji/przebiegów arbitralnychAgilentHP33250A
Zasilacz/Cyfrowy dostawca napięciaAgilentE3634A Pierścieniowy
przetwornik piezoelektrycznyAmerican Piezo Companyitem91
Modulator elektrooptycznyCon-Optics350− Wzmacniacz 80-LA
do modulatora elektrooptycznegoCon-Optics302RM
Mitutoyo NIR nieskończoność Poprawiony obiektywOptyka Edmund46-404Wyprodukowana przez Mitutoyo i dystrybuowana przez Edmund optics
BUTELKA Z DŁUGĄ SZYJKĄ LOCTITE SUPER GLUEDrukarka 3D Loctite
MakerBotReplicator 2
Polilaktyczny filament kwasowy (PLA)MakerBotTrue Red PLA Mała szpula
System akwizycji danychNational Instruments780114-01
Fotodetektor kwadrantowo-komórkowyNewport2031
Etap translacyjnyNewport562-XYZ
Odwrócony mikroskop optycznyNikon InstrumentsEclipsTE2000
Filtr fluorescencyjny (zielony)Nikon InstrumentsG-2B
Flea3/CCD KameraPoint GreyFL3-U3-13S2M-CSLaser pułapkujący
Dioda pompowana neodymowo-itru wanadan (Nd: YVO4)Spectra PhysicsJ20I-8S-12K/ BL-106C
Tlenek indu i cyny (ITO) Powlekane szkiełka nakrywkoweSPI dostarcza06463B-ABMikrocząstki polistyrenu
Szybkoschnąca srebrna farbaTedpella16040-30
Dri-Cal standardy rozmiarówThermo ScientificDC-20
Optical FiberThorlabsP1− 1064PM-FC-5płyta dolna
Płyta aluminiowa ThorlabsCP4S Wysokonapięciowy
wzmacniacz mocyTREKPZD700A M/S
230992

Bibliografia

  1. Ashkin, A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).
  2. Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator. Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).
  3. Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L. Subkelvin Parametric Feedback Cooling of a Laser-Trapped Nanoparticle. Phys. Rev. Lett. 109 (10), 103603(2012).
  4. Chang, D. E., et al. Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (3), 1005-1010 (2010).
  5. Arita, Y., Mazilu, M., Dholakia, K. Laser-induced rotation and cooling of a trapped microgyroscope in vacuum. Nat. Commun. 4, 2374(2013).
  6. Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
  7. Svoboda, K., Block, S. M. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
  8. Mehta, A. D. Single-Molecule Biomechanics with Optical Methods. Science. 283 (5408), 1689-1695 (1999).
  9. Arvanitaki, A., Geraci, A. A. Detecting High-Frequency Gravitational Waves with Optically Levitated Sensors. Phys. Rev. Lett. 110 (7), 071105(2013).
  10. Moore, D. C., Rider, A. D., Gratta, G. Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres. Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801(2014).
  11. Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle. Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).
  12. Park, H., LeBrun, T. W. Parametric Force Analysis for Measurement of Arbitrary Optical Forces on Particles Trapped in Air or Vacuum. ACS Photonics. 2 (10), 1451-1459 (2015).
  13. Summers, M. D., Burnham, D. R., McGloin, D. Trapping solid aerosols with optical tweezers: A comparison between gas and liquid phase optical traps. Opt. Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).
  14. Anand, S., et al. Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization. Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).
  15. Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope. Nat. Protoc. 2 (12), 3226-3238 (2007).
  16. Pesce, G., et al. Step-by-step guide to the realization of advanced optical tweezers. J. Opt. Soc. Am. B. 32 (5), B84(2015).
  17. Thornton, S. T., Marion, J. B. Classical Dynamics of Particles and Systems. , Brooks/Cole. (2003).
  18. Ashkin, A. Stability of optical levitation by radiation pressure. Appl. Phys. Lett. 24 (12), 586-588 (1974).
  19. Chandrasekhar, S. Stochastic Problems in Physics and Astronomy. Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).
  20. Li, T. Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres. , New York. 9-21 (2013).
  21. Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. Reducing Adhesion Force by Means of Atomic Layer Deposition of ZnO Films with Nanoscale Surface Roughness. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).
  22. Park, H., LeBrun, T. W. Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air. SPIE OPTO. 9764, (2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Wytwornica piezoelektrycznawibracje ultradźwiękoweciśnienie promieniowaniaobudowa próbkisiła elektrostatycznatrajektorie cząstekruchy Brownaruch balistyczny
Pułapka optyczna obciążenia mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.