Artykuł metodologiczny

Optyczne uwięzienie dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą pułapki 'łódka' z bezpośrednio rysowanymi ściankami bocznymi

DOI:

10.3791/68766

⸱

27 marca 2026

 ,  ,  , 
1Ira A. Fulton College of Engineering, Brigham Young University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Niniejszy artykuł opisuje metodę eksperymentalną osiągania długotrwałego, stabilnego uwięzienia i precyzyjnego pozycjonowania dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą dynamicznej, łódkowatej pułapki fotoforetycznej. System ten umożliwia kontrolowane manipulowanie, które nadaje się do badań interakcji plazmonowych.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiamy metodę uzyskania stabilnego uwięzienia optycznego dużych metalicznych cząstek (>1,16 µm średnicy średniej, litych cząstek złota i >100 μm kulek powlekanych przewodnikami) za pomocą skupionego wiązki, skanowanego przez modulatory akustooptyczne, aby bezpośrednio narysować paraboliczne przekroje pułapki w powietrzu.  Rezultatem tej akcji rysowania jest uformowanie pułapki 'łódki', otwartej na wierzchu, zdolnej do chwytania, ładowania i stabilnego utrzymywania dużych metalicznych cząstek bez skakania.  Wysokoenergetyczny, ciągły laser o długości fali 532 nm jest skanowany zarówno w kierunku x, jak i y, tworząc rozkład intensywności w kształcie łodzi zoptymalizowany dla uwięzienia kulek. Czas uwięzienia jest maksymalizowany poprzez staranne dobór częstotliwości rysowania, aby była wystarczająco szybka, aby wydawała się ciągła w stosunku do dynamiki cząstek, ale wystarczająco powolna, aby uniknąć zniekształcenia pułapki. Ten protokół opisuje konfigurację eksperymentalną, w tym modulację lasera, techniki wprowadzania cząstek i walidację. Kulki powlekane węglem są używane głównie do wizualizacji i walidacji formowania i stabilności pułapki, podczas gdy lite nanocząstki złota służą jako cel dla badań nad interakcjami plazmonowymi. Ta metoda pozwala na rysowanie dowolnego z wielu przekrojów na polecenie, w czasie rzeczywistym, zapewniając elastyczne podejście do chwytania, ładowania i translacji zawieszonych cząstek przez długie okresy czasu, z potencjalnymi zastosowaniami w plazmonicznym ulepszeniu lewitujących układów optycznych. 

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Praca przedstawia metodę precyzyjnego uchwytywania, umieszczania i manipulacji dużymi metalicznymi cząstkami w powietrzu przy użyciu dynamicznie generowanej pułapki łodziowej. Wcześniejsze podejścia—takie jak te wykorzystujące luźno skupioną wiązkę Gaussiana1, pułapki aberracyjne2, pola plamkowe3,4,5, lub wiązki wirowe6,7—cierpią na kluczowe ograniczenia, w tym ruch obrotowy1, wielokrotne stabilne miejsca uchwytywania2,3,4,5, lub brak pojedynczego, dobrze zdefiniowanego miejsca uchwytywania6,7, co w niektórych geometriach może prowadzić do skakania między wieloma stabilnymi miejscami uchwytywania3,7 (patrz Rysunek 1A).  Jednym godnym uwagi wyjątkiem jest górnukierunkowany pułapka aksonowa, która zapewnia pojedyncze miejsce uchwytywania, obsługuje załadunek od góry i—przynajmniej teoretycznie—zezwala na przesuwanie boczne8. Opisana tu metoda zachowuje te zalety, wprowadzając jednocześnie trzy kluczowe ulepszenia: (1) trwałe uchwytywanie cząstek metalicznych, (2) poziomą geometrię wiązki, oraz (3) możliwość rekonfiguracji potencjału uchwytywania w czasie rzeczywistym poprzez bezpośrednio rysowane ściany optyczne. 

Podejścia do uchwytywania cząstek złota dotychczasowe były zwykle przeprowadzane w wodzie9,10,11, mogą mieć charakterystykę pułapki powodującą ruch obrotowy12, lub wykorzystywać współbieżne wiązki hamujące elastyczne przesuwanie uchwyconej cząstki13. Aby pokonać te wyzwania dla stałych cząstek złota o średnicach większych niż 1 μm, zastosowano dynamicznie modulowany fotoforetyczny 'łódź' pułapkę.  

Ta metoda ma zastosowanie do szerokiej gamy rozmiarów i rodzajów cząstek, od klastrów nanosfer węglowych o wielkości 20 nm do 100 μm powlekanych mikrokul globulowych. Jest skuteczna zarówno w otwartym środowisku ambiantnym, jak i zamkniętym o częściowym ciśnieniu. Technika może pracować przy mocach do kilkudziesięciu watów.  Ponieważ pułapki są rozłożone jako linie, a nie punkty, przy rozprowadzaniu mocy optycznej na dużych obszarach, praktyczne wdrożenie jest najskuteczniejsze przy mocach powyżej 1 W.

Mechanizm uchwytywania opiera się na dodatnim fotoforez, który powstaje z niesymetrycznego ogrzewania cząstki przez wiązkę laserową. Kiedy pochłaniająca metalowa cząstka jest oświetlona, cieplejsza strona emituje cząsteczki gazu o większym momencie niż chłodniejsza strona, co prowadzi do siły netto, która wypycha cząstkę od światła. Tę siłę fotoforetyczną można wyrazić jako:

figure-introduction-1

gdzie C  to współczynnik zależny od geometrii cząstki, właściwości gazu i współczynnika akomodacyjnego termicznego, a ∇T to gradient temperatury wzdłuż powierzchni cząstki. W tym systemie siła ta skierowana jest w górę w pułapce i przeciwdziała grawitacji, umożliwiając stabilną lewitację. Bardziej szczegółowe wyprowadzenie siły fotoforetycznej—uwzględniające zarówno ciśnienie radiometryczne, jak i efekty pełzania termicznego—jest dostępne w Mirzaei-Ghormish et al.14.

Pułapka łodziowa wykorzystuje generator dowolnej formy falowej (AWG) do sterowania modulatorami akustooptycznymi (AOMs), aby stworzyć wysokointensywną optyczną ścianę skanującą skupioną ciągłą wiązkę laserową (CW) w celu wygenerowania stabilnego paraboloidalnego potencjału uchwytywania14 (patrz Rysunek 1B).  To podejście umożliwia precyzyjne sterowanie kształtem pułapki, pozwalając na uchwycenie cząstek, utrzymanie ich w spoczynku i ekspozycję na jednej powierzchni—kluczowe wymagania dla aplikacji takich jak zbliżanie nanodiamentów do złota plazmonowego o wymiarach większych niż 1 μm w celu wzmocnienia fluorescencii nanodiamentów efektem Purcella11

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

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta sekcja opisuje przygotowanie cząstek i budowę układu optycznego. Należy zauważyć, że układ ten różni się od podejść do kształtowania fali przedniego wiru, dyfrakcji i innych, które prowadzą do pojedynczej morfologii pułapki (patrz Gong i in. na przegląd pułapek kształtujących falę przednią8). W tym układzie, skanując skupione punktowe prymitywne, można stworzyć wiele przekrojów pułapek. Dlatego, choć praca ta nakazuje morfologia łodziowe pułapki, należy pamiętać, że opisany układ jest wystarczająco elastyczny, aby stworzyć wiele innych geometrii pułapek do dalszej pracy.

1. Przygotowanie cząstek

  1. Szklane mikrokulki pokryte węglem (używane do wizualizacji, Rysunek 2)
    1. Przenieś 3 ml mikrokulek do małej, czystej miseczki krystalizacyjnej (Rysunek 2A, z lewej) za pomocą czystej łopatki. Wykonaj ten krok w kapturze laboratoryjnym, aby zapobiec rozproszeniu dużej ilości drobnych cząstek szkła.
      UWAGA: Kaptur laboratoryjny utrzymywał ujemne ciśnienie, ciągnąc powietrze do środka ze średnią prędkością twarzy 101 stóp·min-1.
    2. Pokryj miseczkę pokrywką lub szklanym zegarem i przenieś do układu parowania na węglu (Rysunek 2B).
    3. Ustaw rutynę parowania na 3 impulsy przy 73 A prądzie impulsu, 3 s długości impulsu i 10 s przerwy pomiędzy impulsami (patrz Tabela 1).
    4. Zdejmij pokrywkę. Włóż miseczkę z cząstkami. Uruchom program powlekania. Zdejmij pokrywkę. Zdejmij miseczkę.
    5. Wstrząśnij miseczkę, wstrząsając cząstki z wystarczającą siłą, aby losowo zmienić ich położenie (Rysunek 2C). Zdejmij pokrywkę i włóż miseczkę z powrotem do powlekacza do powlekania. Powtórz 10 razy.
      UWAGA: Po powleczeniu cząstki będą wyglądać jak te na Rysunku 2A, po prawej stronie. Należy również zauważyć, że wynikowa wielkość mikrokulki pokrytej węglem jest praktycznie niezmieniona, ponieważ 20 nm powłoki jest małe w porównaniu ze średnicą średnią mikrokulki pokrytej węglem, która może przekraczać 60 μm.
    6. Pokrij powstałe cząstki szklanym zegarem lub folią i przechowuj je w środowisku o kontrolowanej wilgotności.
      UWAGA: Wszystkie prace powlekające i eksperymentalne były wykonywane w środowisku utrzymywanym w warunkach wewnętrznych laboratorium o temperaturze 21-25 °C (70-75 °F) i 20-45% wilgotności względnej.
  2. Stałe cząstki złota (używane w eksperymentach plazmonowych)
    1. Stałe cząstki złota są sprzedawane w stanie suchym o średnicy średniej 1 μm (patrz Rysunek 2D i Tabela materiałów). Gdy będą gotowe do użycia, przenieś wysuszone cząstki do obracającej się szklanej komory cząsteczkowej (Rysunek 2E).

2. Ustawienie układu optycznego

UWAGA: Układ optyczny jest przedstawiony na Rysunku 3. Pełna lista wymaganych komponentów optycznych i elektrycznych do zakończenia ustawienia znajduje się w Tabeli materiałów. W tym ustawieniu cztery identyczne soczewki tworzą dwa kaskadujące retransmitery 4F, które przedstawiają AOM1 na AOM2. AOM1 odchyla wiązkę pionowo, AOM2 odchyla ją poziomo, a ponieważ ogniskowe długości są równe, płaszczyzna sprzężona AOM1 pokrywa się z AOM2.

  1. Źródło laserowe i początkowe wyrównanie wiązki
    1. Na stole optycznym umieść źródło laserowe o mocy od <5 mW do >5 W światła 532 nm.
      UWAGA: Źródło laserowe użyte w tych eksperymentach było w stanie uzyskać moc pułapki powyżej 10 W. Na wyjściu lasera i przed wejściem do AOM1 wiązka jest kolimatorzowana o średnicy około 1,3 mm (szerokość intensywności 1/e²), mierzona za pomocą profilometru wiązki. Wybrano źródło 532 nm, ponieważ jest dostępne w dużej mocy o dobrej jakości wiązki i ma dobre wchłanianie plazmowe dla docelowych cząstek.
    2. Zmniejsz moc lasera do <5 mW. Użyj polaryzatora, aby określić, czy polaryzacja jest ustawiona pionowo. Jeśli nie, obróć laser lub wstaw i obróć półfalową płytkę o dużej mocy, aby zapewnić pionową orientację polaryzacji. Użyj kinematycznego podnośnika wiązki (Rysunek 4A, prawa strona) i linijki, aby ustawić wysokość wiązki na 23 ± 0,5 cm (ta wysokość jest dowolna, ale okazała się wygodna). Zmierz wysokość wiązki w odległości 1

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

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wyniki dla pokrytych węglem mikrokulek

Mikrokulki pokryte węglem zapewniają najbardziej wizualnie wygodne cząstki do uwięzienia spośród dwóch typów cząstek omawianych w niniejszej pracy (tj. mikrokulki pokryte węglem i stałe cząstki złota). Mikrokulki pokryte węglem tworzą ciemne cienie, gdy są oświetlone z tyłu, jak pokazano na Rysunku 9E,F.  Dzięki temu są idealne do walidacji konfiguracji sprzętu pułapki łodziowej. Ich wysoka w...

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

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Udanej implementacji tej techniki pułapkowania opiera się na precyzyjnym modulowaniu częstotliwości AOM i poprawnym wyrównaniu komponentów optycznych. Jednym z najważniejszych kroków jest zapewnienie, że skanująca się wiązka laserowa generuje dobrze wykształcone paraboliczne potencjały.  Chociaż krótsze ogniskowe i wyższe numeryczne aperturę ogólnie poprawiają sztywność i uwięzienie pułapki, wygoda długiego dystansu roboczego obiektywu do ładowania cząstek i obserwacji przewyższyła te zalety w tym zastosowaniu. 

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

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy deklarują, że nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To dzieło zostało wsparte przez National Science Foundation w ramach Grant No. 2234534.

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric LensEdmund Optics63-745Używany do obrazowania uwięzionych cząstek; soczewka telecentra; oznakowane jako 'i' na rycinie 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex LensThorlabsLA1050-AUżywany do kolimacji wiązki i superpozycji (wymieniona alineacja); Optyka pośrednia; oznakowane jako 'b' na rycinie 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231BoliOpticsMT05073231Transformacje Fouriera wyjścia AOM; obiektyw; oznakowane jako 'g' na rycinie 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck IlluminatorAmscopeLED-6WUżywany do poprawy kontrastu obrazu; Źródło światła białego; oznakowane jako 'f' na rycinie 3
AO deflector, part number 97-02799-01Gooch & Housego4120-2Modulatory akustooptyczne (AOM), skanowanie w kierunku y; Y-AOM; oznakowane jako 'a' na rycinie 3
AO deflector, part number 97-02799-01Gooch & Housego4120-2AOM używany do skanowania wiązki w kierunku x; X-AOM; oznakowane jako 'c' na rycinie 3
Basler ace acA640-750uc USB3, ColorEdmund Optics33975Używany do wykrywania cząstek; kamera; oznakowane jako 'j' na rycinie 3
Computer Running Windows 11Delln/aWyposażony w oprogramowanie do akwizycji danych i obrazu
CW laser (532 nm, up to 10 W)CoherentVerdi V10Laser do iluminacji; Źródło lasera
Disposable Culture TubesFisher14-961-26Obrotowa komora dla cząstek; komora cząsteczkowa; oznakowane jako 'h' na rycinie 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cutFisherbrand14-961-2620L × 12D mm, używane do stabilizacji przepływu powietrza
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'Kremer#59910Używane do testów porównawczych
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)ASI162-0010Stalne złote cząstki
model number TB-17Minicircuits15542Używany do wzmacniania sygnału do AOM; RF Amplfiers; oznakowane jako 'm' na rycinie 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 PostThorlabsID25Używany do przestrzennego filtrowania dyfrakcyjnych rzędów; Przesłona; oznakowane jako 'd' na rycinie 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mmThorlabsBSW26Używany do wprowadzania białego światła wzdłuż osi optycznej do oświetlenia cząstek; dzielipromiennik; oznakowane jako 'e' na rycinie 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.TestEquityDG4202Rigol DG4202, używany do sterowania AOM; Generator dowolnej formy fali; oznakowane jako 'k' na rycinie 3
ZOS-150+ MinicircuitsM110171Używany do dostrajania częstotliwości AOM; Oscylatory sterowanie napięciowe (VCO); oznakowane jako 'l' na rycinie 3

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lin, J., Li, Y. Q. Optical trapping and rotation of airborne absorbing particles with a single focused laser beam. Appl Phys Lett. 104 (10), 101909(2014).
  2. Smalley, D. E., Bove, V. M., Barabas, J. A. Photophoretic-trap volumetric display. Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).
  3. Shvedov, V. G., et al. Selective trapping of multiple particles by volume speckle field. Opt Express. 18 (3), 3137-3142 (2010).
  4. Sil, S., et al. Dual-mode optical fiber-based tweezers for robust trapping and manipulation of absorbing particles in air. J Opt. 19 (12), 12LT02(2017).
  5. Sil, S., et al. Ultrastable three-dimensional photophoretic trap in air facilitated by a single multimode fiber. ACS Photonics. 11 (1), 159-170 (2024).
  6. Shvedov, V. G., et al. Giant optical manipulation. Phys Rev Lett. 105 (11), 118103(2010).
  7. Shvedov, V. G., et al. Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam. Opt Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).
  8. Wang, C., Gong, Z., Pan, Y. -L. Optical configurations for photophoretic trap of single particles in air. Rev Sci Instrum. 87 (10), 103104(2016).
  9. Svoboda, K., Block, S. M. Optical trapping of metallic Rayleigh particles. Opt Lett. 19 (13), 930-932 (1994).
  10. Hansen, P. M., Bhatia, V. K., Harrit, N., Oddershede, L. Expanding the optical trapping range of gold nanoparticles. Nano Lett. 5 (10), 1937-1942 (2005).
  11. Sasaki, K., et al. Optical trapping of a metal particle and a water droplet by a scanning laser beam. Appl Phys Lett. 60 (7), 807-809 (1992).
  12. O’Neil, A. T., et al. Intrinsic and extrinsic nature of the orbital angular momentum of a light beam. Phys Rev Lett. 85 (5), 764-767 (2000).
  13. Roosen, G., Imbert, C. Optical levitation by means of two horizontal laser beams: a theoretical and experimental study. Phys Lett A. 66 (6), 448-450 (1978).
  14. Mirzaei-Ghormish, S., et al. Optical trapping of large metallic particles in air. Phys Rev Appl. 22 (6), 064042(2024).

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

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Pu apkowanie optycznemodulatory akustyczno optycznepu apka parabolicznapu apkowanie cz stek w powietrzunanocz stki z otaskanowanie laserowewzmocnienie plazmonowemanipulacja cz stkami

Powiązane artykuły