Aprisionando ópticamente grandes partículas metálicas no ar usando uma armadilha tipo 'barco' com paredes laterais puxadas diretamente

Resumo

Este artigo descreve o método experimental para alcançar aprisionamentos estáveis e de longa duração e posicionamento preciso de grandes partículas metálicas no ar, utilizando uma armadilha fotoforética dinâmica em forma de barco. Esse sistema permite manipulação controlada adequada para estudos de interação plasmônica.

Resumo

Apresentamos um método para alcançar aprisionamento óptico estável de grandes partículas metálicas (partículas de ouro maciço com diâmetro médio de >1,16 μm e microesferas revestidas por condutor de >100 μm) usando um feixe focado, varrido por moduladores acusto-ópticos para desenhar diretamente uma seção transversal de armadilha parabólica no ar.  O resultado dessa ação de puxada é a formação de uma armadilha de 'barco', aberta no topo, capaz de capturar, carregar e segurar de forma estável grandes partículas metálicas sem pular.  Um laser de onda contínua de alta potência de 532 nm é varrido tanto nas direções x quanto y, formando uma distribuição de intensidade em forma de barco otimizada para aprisionar microsferas. A duração do aprisionamento é maximizada pela seleção cuidadosa da frequência de puxada para ser rápida o suficiente para parecer contínua em relação à dinâmica das partículas, mas lenta o bastante para evitar distorção da armadilha. Este protocolo descreve a configuração experimental, incluindo modulação a laser, técnicas de introdução de partículas e validação. Microsferas revestidas de carbono são usadas principalmente para visualizar e validar a formação e estabilidade das armadilhas, enquanto nanopartículas de ouro sólido servem como alvo para estudos de interação plasmônica. Esse método permite que qualquer uma de várias seções de efeito seja desenhada sob comando, em tempo real, para fornecer uma abordagem robusta e flexível para capturar, carregar e traduzir partículas no ar em longos períodos de tempo, com aplicações potenciais no aprimoramento plasmônico de sistemas ópticos levitados.

Introdução

Este trabalho apresenta um método para a captura, posicionamento e manipulação precisos de grandes partículas metálicas no ar usando uma armadilha para barcos gerada dinamicamente. Abordagens anteriores — como aquelas que empregam^feixes Gaussiano 1, armadilhas de^{aberração 2}, campos de speckle ^3,4,5 ou feixes de vórtice ^6,7 – apresentam limitações importantes, incluindo movimento^{rotacional 1}, múltiplos loci de aprisionamento estáveis ^2,3,4,5 ou a ausência de um único local de armadilhamento bem^{definido 6,7}, que, em algumas geometrias, pode levar ao salto entre múltiplos loci estáveis de^{aprisionamento 3,7} (veja Figura 1A).  Uma exceção notável é a armadilha axicon direcionada para cima, que fornece um único locus de armadilha, suporta carregamento superior e — pelo menos teoricamente — permite a translação lateral⁸. O método descrito aqui mantém essas vantagens ao mesmo tempo em que introduz três melhorias críticas: (1) aprisionamento robusto de partículas metálicas, (2) geometria de feixe horizontal e (3) reconfigurabilidade em tempo real do potencial de aprisionamento por meio de paredes ópticas desenhadas diretamente.

Abordagens para aprisionar partículas de ouro até agora foram tipicamente realizadas na água ^9,10,11, podem ter características de aprisionamento que conferem movimento^{rotacional 12}, ou empregar feixes contra-propagantes que inibem a translação flexível de uma partícula^{aprisionada 13}. Para superar esses desafios para partículas de ouro maciço com diâmetros maiores que 1 μm, é empregada uma armadilha fotoforética 'barco' dinamicamente modulada.

Esse método é aplicável a uma ampla gama de tamanhos e tipos de partículas, desde aglomerados de nanosferas de carbono de 20 nm até microesferas de vidro revestido de 100 μm. É eficaz tanto em ambientes abertos quanto fechados com pressão parcial. A técnica pode operar em potências de até várias dezenas de Watts.  Como as armadilhas são distribuídas como linhas em vez de pontos, com potência óptica distribuída por grandes áreas, a implementação prática é mais eficaz em potências acima de 1 W.

O mecanismo de aprisionamento depende da fotoforese positiva, que surge do aquecimento assimétrico da partícula pelo feixe de laser. Quando uma partícula metálica absorvente é iluminada, o lado mais quente emite moléculas de gás com maior momento do que o lado mais frio, resultando em uma força líquida que empurra a partícula para longe da luz. Essa força fotoforética pode ser expressa como:

onde C é um coeficiente que depende da geometria da partícula, propriedades do gás e coeficiente de acomodação térmica, e ∇T é o gradiente de temperatura ao longo da superfície da partícula. Nesse sistema, essa força é direcionada para cima na armadilha e contraria a gravidade, permitindo uma levitação estável. Uma derivação mais detalhada da força fotoforética — incluindo tanto a pressão radiométrica quanto os efeitos de fluência térmica — é fornecida em Mirzaei-Ghormish et ^al.14.

A armadilha de barcos utiliza um gerador de forma de onda arbitrária (AWG) para controlar moduladores acusto-ópticos (AOMs) e formar uma parede óptica de alta intensidade criada por varredura de um feixe de laser de onda contínua (CW) focado para gerar um potencial parabólico estável^{de captura 14} (ver Figura 1B).  Essa abordagem permite um controle preciso da forma da armadilha, possibilitando que partículas sejam aprisionadas, mantidas imóveis e expostas em uma única superfície — requisitos essenciais para aplicações como aproximar nanodiamantes de partículas plasmônicas de ouro de dimensão superior a 1 μm para o aprimoramento Purcell da fluorescência^{de nanodiamantes 11}

Protocolo

Esta seção descreve a preparação das partículas e a construção do sistema óptico. Note que essa configuração difere das abordagens de moldagem de vórtice, difracção e outras abordagens de modelação de frente de onda, que resultam em uma morfologia de armadilha única (veja Gong et al. para uma revisão das^armadilhas 8 de moldagem de frente de onda). Nesse contexto, ao escanear uma primitiva de ponto focada, pode-se criar muitas seções de armadilha. Portanto, embora este trabalho enfatize a morfologia das armadilhas para barcos, esteja ciente de que a configuração descrita é flexível o suficiente para criar muitas outras geometrias de armadilhas a serem tratadas em trabalhos futuros.

1. Preparação de partículas

1. Microsferas de vidro revestidas com carbono (usadas para visualização, Figura 2)
   1. Transfira 3 mL de microsferas para um pequeno recipiente de cristalização limpo (Figura 2A, à esquerda) usando uma espátula limpa. Realize essa etapa em uma exaustão exaustiva para evitar a dispersão em massa de partículas finas de vidro.
      NOTA: A capuza manteve pressão negativa, puxando ar para dentro com uma velocidade média de face de 101 ft·^min-1.
   2. Cubra o prato com uma tampa ou vidro de relógio e transfira para um sistema de evaporação por haste de carbono (Figura 2B).
   3. Defina a rotina de evaporação para 3 pulsos a 73 A de corrente de pulso, 3 s de comprimento de pulso e intervalo de 10 s (Veja a Tabela 1).
   4. Remova a tampa. Insira o prato de partículas. Execute o programa de revestimento. Troque a tampa. Tire o prato.
   5. Agite o prato agitando as partículas com força suficiente para randomizar as posições das partículas (Figura 2C). Remova a tampa e coloque a travessa de volta no revestimento para cobrir. Repita 10 vezes.
      NOTA: Após o revestimento, as partículas se parecerão com as da Figura 2A, no lado direito. Note também que o tamanho resultante da microsfera revestida de carbono permanece praticamente inalterado, pois o revestimento de 20 nm é pequeno em comparação com o diâmetro médio de uma microsfera revestida a carbono, que pode exceder 60 μm.
   6. Cubra as partículas resultantes com um vidro de relógio ou filme e mantenha-as em um ambiente com controle de umidade.
      NOTA: Todo o trabalho de revestimento e experimento foi realizado em um ambiente mantido em condições internas de laboratório, com temperatura de 21-25 °C (70-75 °F) e umidade relativa de 20-45%.
2. Partículas de ouro maciço (usadas em experimentos plasmônicos)
   1. Partículas de ouro maciço são vendidas secas com diâmetros médios de 1 μm (veja a Figura 2D e a Tabela de Materiais). Quando estiver pronto para uso, transfira as partículas secas para a câmara rotativa de partículas de vidro (Figura 2E).

2. Configuração do sistema óptico

NOTA: A configuração óptica é mostrada na Figura 3. A lista completa de componentes ópticos e elétricos necessários para completar a configuração é fornecida na Tabela de Materiais. Nesse setup, quatro lentes idênticas criam dois relés 4F em cascata que imageiam AOM₁ em AOM₂. AOM₁ desvia o feixe verticalmente, AOM₂ o desvia horizontalmente, e como as distâncias focais são iguais, o plano conjugado de AOM₁ coincide com AOM₂.

1. Fonte laser e alinhamento inicial do feixe
   1. Sobre uma mesa óptica, coloque uma fonte de laser capaz de potenciar de <5 mW a >5 W de saída de luz de 532 nm.
      NOTA: O laser fonte usado nesses experimentos era capaz de aprisionar potências superiores a 10 W. Na saída do laser e antes de entrar no AOM¹, o feixe é colimado com um diâmetro de aproximadamente 1,3 mm (1/e² de largura de intensidade), medido usando um perfilador de feixe. Uma fonte de 532 nm foi escolhida porque está disponível em altas potências, com boa qualidade de feixe e boa absorção plasmônica para as partículas-alvo.
   2. Reduza a potência do laser para <5 mW. Use um polarizador para determinar se a polarização está orientada verticalmente. Se não estiver, gire o laser ou insera e gire uma placa de meia-onda de alta potência para garantir a orientação da polarização vertical. Use um elevador de feixe cinemático (Figura 4A, lado direito) e uma régua para ajustar a altura da viga para 23 ± 0,5 cm (essa altura é arbitrária, mas se mostrou conveniente). Meça a altura da viga a 10 cm do elevador e a 40 cm. Certifique-se de que ambas as medições indicem uma altura de 23 cm.
      NOTA: O AOM opera usando uma interação acousto-óptica birrefringente em modo de cisalhamento lento, no dióxido de telúrio (TeO₂), que exige que o feixe de entrada seja polarizado horizontalmente. O feixe difracionado emerge com polarização vertical devido à natureza birrefringente da interação. Como o primeiro AOM é fisicamente rotacionado 90° em relação ao sistema de coordenadas global, o feixe de entrada deve ser polarizado verticalmente em coordenadas globais para alinhar com o eixo horizontal interno de polarização do AOM.
2. Posicionamento da objetiva e da lente de relé
   1. Ajuste o microscópio para a altura do feixe, voltado na direção -z, a uma distância maior que 100 cm da saída do elevador de feixe (Figuras 4A,B).
   2. Coloque uma lente de transformada de Fourier 10 cm na direção -z com uma superfície convexa voltada na direção +z (Figura 4C,D).
   3. Coloque as outras três lentes de transformada de Fourier separadas por 20 cm, alternando convexidades, como mostrado na Figura 4E.
3. Configuração AOM
   1. Posicione as AOMs 10 cm na direção -z das lentes mais próximas e distantes do laser, conforme mostrado na Figura 5,B.
   2. Certifique-se de que o AOM₁ (o AOM mais próximo do laser) esteja orientado verticalmente.
      NOTA: Nesta instância, um suporte personalizado impresso em 3D foi criado para esse propósito. Gire AOM₁ aproximadamente 2° em direção ao eixo óptico, conforme mostrado (Figura 5A).
   3. Coloque AOM₂ a 10 cm da lente mais distante do laser. Essa OMA será orientada horizontalmente (Figura 5B). Gire AOM₂ aproximadamente 2° para longe do eixo óptico, conforme mostrado (Figura 5B).
   4. Ligue o laser para baixa potência (por exemplo, <5 mW).
   5. Para cada canal do AWG, conecte um oscilador controlado por tensão (VCO), um amplificador e um AOM (Figura 5C). Primeiro, conecte os amplificadores aos AOMs conforme mostrado na Figura 5D, E.
      NOTA: É importante garantir que os amplificadores estejam conectados a uma carga antes de serem ligados. Amplificadores e VCOs ambos recebem 12 V DC e podem ser conectados a uma fonte comum de 12 V com clipes banana, como mostrado na Figura 5F.
4. Otimização AOM
   1. Coloque uma abertura no sistema como mostrado na Figura 6A.
   2. Usando o AWG, ajuste o sinal de radiofrequência para ambos os AOMs para um valor de 175 MHz (~5 V no VCO).
      NOTA: Agora haverá dois feixes após AOM¹ e quatro feixes após AOM² (veja Figura 6B).
   3. Diminua o ângulo de inclinação da AOM₁ para zero. Aumente gradualmente o ângulo até que o feixe de primeira ordem (o feixe de passagem superior direito que aparece ao olhar na direção -z, como mostrado na Figura 6C) esteja em seu ponto mais brilhante. A AOM terá retornado aproximadamente ao ângulo original de inclinação de 2°.
   4. Diminua a inclinação do_{AOM 2} para zero. Aumente gradualmente o ângulo até que o feixe de primeira ordem esteja em seu ponto mais brilhante. A AOM terá retornado aproximadamente ao ângulo original de inclinação de 2°.
      NOTA: A eficiência média de difração (quando acionada a 1 W de potência elétrica) era aproximadamente 70% para cada AOM. A eficiência óptica total do sistema foi de aproximadamente 30%.
   5. Certifique-se de que ambos os feixes que saem do primeiro AOM entrem no segundo. Certifique-se de que, dos quatro feixes que entram na segunda OEM, o feixe superior direito seja escolhido para passar por uma abertura.
      NOTA: A abertura deve ser pequena o suficiente para obstruir os 'feixes de bloqueio' e permitir que o 'feixe de passagem' avance mesmo quando desviado pela OM (Figura 6C,D).
   6. Coloque um divisor de feixe como mostrado na Figura 6E para direcionar uma parte do feixe para uma superfície de observação (Figura 6E,F).
5. Controle do AWG
   1. Com as amplitudes do AWG definidas a zero (ou saídas do AWG definidas como 'desligadas'), o feixe resultante na superfície de observação parecerá um ponto (Figura 7A,B).
   2. Ajuste o deslocamento do canal vertical para 3 V, amplitude para 5 V e frequência para 4 kHz para ver uma linha vertical (Figura 7C,D).
   3. Ajuste o deslocamento do canal horizontal para 3 V, a amplitude para 5 V e a frequência para 4 kHz para ver uma linha diagonal (Figura 7E,F).
   4. Ajuste a frequência do canal vertical para 8 kHz e o desfasamento de fase para 90° para ver um padrão de Lissajous (Figura 7G,H).
   5. Pressione o botão de alinhar fase para converter o padrão de Lissajous em uma forma parabólica (Figura 7I,J).
   6. Ajuste o desfasamento de fase do canal vertical para refinar a forma parabólica (Figuras 7K,L).

3. Configuração do sistema de imagem

NOTA: O sistema de imagem permite a visão axial (ou seja, 'frontal'), iluminada por trás das partículas e do perfil da armadilha.

1. Câmera, filtro e interface
   NOTA: A câmera tem uma velocidade máxima nominal de 751 fps; No entanto, a taxa real variará drasticamente com a resolução escolhida e a latência do sistema. Nesses experimentos, a taxa real era de aproximadamente 500 fps. A reprodução era mais útil em velocidade de 1/100 ou 5 fps (assumindo que nenhum quadro fosse perdido na captura).
   1. Coloque uma lente telecêntrica em um palco linear (móvel ao longo do eixo z) com distância focal de 45 mm, 55 mm à frente da objetiva (+direção z, Figura 8A). Coloque um filtro dicróico projetado para refletir luz de 532 nm (veja Tabela de Materiais) à frente da lente, conforme mostrado na Figura 8A,B.
   2. Conecte a câmera por USB a um PC com software de imagem associado (veja a Tabela de Materiais para tipo e marca). Veja a Tabela 2 para as configurações iniciais da câmera).
   3. Incline levemente o filtro dicróico (5-10 °) até que apareça a forma da armadilha parabólica (Figura 8C,D).
   4. Coloque a câmera em um palco linear (Figura 8E) e mova a lente para trás para refinar o foco da imagem (Figura 8F).
   5. Ilumine o divisor de feixe com uma fonte de luz de fibra (Figura 8G).
   6. Ajuste a luz da fibra para centralizar sua iluminação em torno da armadilha parabólica (um exemplo de iluminação descentrada na Figura 8H, e no centro na Figura 8I).

4. Carregamento e aprisionamento de partículas

1. Usando uma espátula de laboratório, coloque uma pequena quantidade (~1 g) de partículas dentro de um cilindro de vidro de 25 mm de comprimento e 12 mm de diâmetro, montado para permitir a rotação ao longo do eixo do cilindro (Figura 9A).
2. Coloque o cilindro de vidro carregado centralizado a 15 mm (ou seja, distância de trabalho do objetivo) do objetivo (Figura 9B).
3. Gire o cilindro (Figura 9C), toque no cilindro e observe a exibição da câmera. À medida que o usuário toca, ele pode observar os seguintes estados: padrão/sem partículas aprisionadas (Figura 9D), partículas caindo (Figura 9E) e partícula(s) aprisionadas (Figura 9F).

5. Rastreamento computacional com OpenCV

NOTA: O rastreamento de partículas e a quantificação do tempo de retenção foram realizados usando um programa personalizado baseado em OpenCV (OpenCV versão 4.6.0) desenvolvido em C++ e executado no Microsoft Visual Studio 2022.

1. Instalar software
   1. Instale o Visual Studio 2022 Community Edition (se o caso de uso do usuário permitir) no https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. Instale o desenvolvimento da área de trabalho em C++ .
   2. Baixe e instale o OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. Durante a instalação, observe o diretório de instalação.
   3. Baixe e instale o NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html É preciso criar uma conta para instalá-lo. Durante a instalação, observe o diretório de instalação.
   4. Baixe e instale a versão 7.5.0.15658 do Pylon. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. Durante a instalação, observe o diretório de instalação.
2. Configuração de software
   1. Abra o Visual Studio CE e crie um novo projeto vazio.
   2. Adicione um arquivo fonte main.cpp e cole o código do Arquivo Suplementar 1 ( main.cpp) no novo arquivo fonte.
      NOTA: Copie código em arquivos criados pelo Visual Studio em vez de importar arquivos externos para evitar conflitos com a estrutura de arquivos do projeto do Visual Studio.
   3. Vá para Projetos > SeuProjetoNomeAqui.
   4. Mude a configuração para todas as configurações e mude a plataforma para x64.
   5. Alterar as Propriedades de Configuração > Linguagem General > C++ Standard para ISO C++14.
   6. Alterar Propriedades de Configuração > C/C++ > Diretórios Gerais > Inclui Adicionalmente para incluir os cabeçalhos do OpenCV. Neste estudo, eles foram instalados em C:\Program Files\opencv\build\include.
   7. Na mesma caixa de texto de Diretórios Adicionais de Incluição , adicione os caminhos aos cabeçalhos normais dos pilares e aos cabeçalhos de exemplo dos pilones. Neste estudo, eles foram instalados em C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include e C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include , respectivamente.
   8. Na mesma caixa de texto Diretórios de Inclusão Adicional, adicione os cabeçalhos normais dos pilares e os cabeçalhos de exemplo dos pilones. Neste estudo, eles foram instalados em C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include e C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include , respectivamente.
   9. Na mesma caixa de texto Diretórios de Inclusão Adicional , adicione os cabeçalhos VISA. Neste estudo, eles foram instalados em C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
   10. Alterar Propriedades de Configuração > Linker > Diretórios Gerais > Bibliotecas Adicionais para incluir a pasta da biblioteca OpenCV. Neste estudo, eles foram instalados em C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
   11. Na mesma caixa de texto de Diretórios de Bibliotecas Adicionais , adicione a pasta pylon lib. Neste estudo, eles foram instalados em C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
   12. Na mesma caixa de texto de Diretórios de Bibliotecas Adicionais , adicione a pasta VISA lib. Neste estudo, eles foram instalados em C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Lib_x64\msc.
   13. Alterar Configuração para Depurar, depois definir Alterar Propriedades de Configuração > Linker > Entrada > Dependências Adicionais para incluir tanto opencv_world460d.lib quanto visa64.lib.
   14. Mude Configuração para Release, depois defina Alterar Propriedades de Configuração > Linker > Entrada > Dependências Adicionais para incluir tanto opencv_world460.lib quanto visa64.lib.
3. Calibração por software
   1. Inicie o Visual Studio 2022 e abra o projeto do usuário, YourProjectNameHere.sln.
   2. Pressione o botão verde Correr/Jogar . Um sinal de vídeo e um terminal aparecerão (Figura 10A).
   3. Certifique-se de que a parábola verde que captura a armadilha esteja visível. Se não, ajuste potência, filtragem e/ou alinhamento conforme necessário até que a região de aprisionamento fique visível.
   4. Capture a tela pressionando primeiro a tecla Windows + Shift + S e depois clicando e depois arrastando o ponteiro do mouse do canto superior esquerdo até o canto inferior direito do feed de vídeo (Figura 10B). A ferramenta de captura de tela gera um pop-up. Clique neste pop-up para abrir o editor de capturas de tela. Dentro deste editor há um botão para Editar no MS Paint. Clique no botão Editar no MS Paint .
   5. Coloque o cursor no canto superior esquerdo da parábola mostrada na janela do MS Paint. Registre as coordenadas mostradas no canto inferior esquerdo da janela do MS Paint (Figura 10C). As coordenadas são chamadas de (xmin, ymin).
   6. Coloque o cursor no canto inferior direito da parábola. Registre as coordenadas mostradas no canto inferior esquerdo da janela do MS Paint. As coordenadas são chamadas de (xmax, ymax).
   7. Feche o feed de vídeo apertando a tecla escape .
   8. Insira xmin, xmax e ymin, ymax na linha 280 na função is_trapped() de main.cpp dentro do projeto do usuário: por exemplo, Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      NOTA: A primeira função de Alcance assume xmin e xmax como parâmetros, enquanto a segunda função de Alcance como ymin e ymax. Isso determinará a janela de detecção para a detecção de partículas (Figura 10D).
4. Seleção de frequência
   1. Inicie o Visual Studio 2022 e abra o projeto do usuário, YourProjectNameHere.sln se não estiver aberto.
   2. Abra o PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) ou o Prompt de Comando.
      Run: python -c "importar aleatoriamente; imprimir(random.sample(range(0,101),101))"
      Copie a lista gerada de números de teste.
      NOTA: Cada número gerado representa uma frequência. O mapeamento matemático do número para a frequência é:
      f(n) = 100 • 10^0,03n Hz
      Domínio: n∈{0,1,...,100}
      Alcance: f(0) = 100Hz até f(100) = 100.000Hz (100 kHz)
      Os passos são espaçados logarítmicos. Este script está incluído como um Arquivo Suplementar 2, numbershuffler.py para conveniência do leitor.
   3. Edite a linha 443 de main.cpp copiando a lista gerada de números para a sequência de números de teste: por exemplo,
      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. Salve o projeto.
5. Conduzindo um experimento
   1. Prepare o laser. Permita que o laser complete sua rotina de aquecimento, se necessário. Abra o obturador do laser e aumente a potência até o nível alvo. Esse foi aproximadamente 8 W nesse caso.
   2. Abra YourProjectNameHere.sln no Visual Studio.
   3. Certifique-se de que a câmera esteja conectada ao PC via USB.
   4. Certifique-se de que o AWG esteja conectado via USB ao PC.
      NOTA: Para o AWG listado na Tabela de Materiais, a porta USB correta para controle VISA é a porta USB-B localizada na parte traseira do instrumento (Figura 11A).
   5. Certifique-se de que os amplificadores estejam terminados em AOMs. Ligue as fontes de alimentação do VCO.
   6. Ligue a lâmpada de luz branca e ajuste para iluminar uniformemente a parábola.
      NOTA: O código detectará sombras de partículas escuras, marcará armadilhas bem-sucedidas e cronometrará sua duração. Os resultados são automaticamente exportados para um arquivo de texto.
   7. Clique no botão Executar/Reproduzir no Visual Studio para rodar o projeto. Um vídeo vai aparecer.
      NOTA: Se o programa travar, tente alternar entre configurações de Depuração e Lançamento (veja as orientações da Microsoft: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. Ajuste a inclinação do filtro de entalhe até que o laser em potência máxima (≈8 W) mal seja visível.
   9. Bata no tubo de vidro e observe a alimentação enquanto as partículas caem. No caso de partículas de microsfera de vidro revestidas com carbono, as partículas aparecerão como círculos pretos caindo rapidamente no campo de visão da câmera. Continue batendo. O programa começará na primeira frequência da sequência de frequências especificada. Depois de registrar 10 eventos de armadilhas de qualquer duração (incluindo partículas apenas passando pela zona de detecção), ele avançará para a próxima frequência da sequência. Se o número de partículas que caem durante a batida diminuir, gire o tubo de vidro 180° e continue a bater. Quando todas as frequências forem testadas, o programa termina e o usuário pode parar de tocar.
6. Visualização de dados
   1. Abra o arquivo results.txt (Arquivo Suplementar 3) em um editor de texto. Neste estudo, o arquivo estava localizado em C\:Users\\fonte\nepos\\\ results.txt. Cada vez que o programa é executado, novos resultados aparecem sob o título "Início de um novo lote de resultados." no formato resultado: .
   2. Use Encontrar e Substituir para substituir todas as instâncias de "result:" por uma vírgula (,). Exclua todos os dados que não estejam relacionados à execução atual. Use o Save As para salvar o arquivo limpo como results.csv.
   3. Abra results.csv em uma planilha. Copie os números de teste e os tempos de armadilhagem do arquivo .csv para a planilha example.xlsx (Arquivo Suplementar 4). Cole os números do teste na primeira coluna. A segunda coluna será automaticamente preenchida com a frequência correspondente de escrita em Hz, calculada a partir dos números do teste. Cole os dados do tempo de armadilhas na terceira coluna. Colunas adicionais serão preenchidas automaticamente aplicando filtros como filtros de tempo mínimo. Um gráfico de gráfico de scatter então será preenchido, exibindo pontos de dados que representam os tempos de armadilhas versus a frequência de captação (Figura 11B).
      NOTA: O arquivo STL do suporte AOM imprimível em 3D usado para montar o AOM₁ está mostrado no Arquivo Suplementar 5.

Resultados

Resultados para microsferas revestidas de carbono

Microsferas revestidas de carbono fornecem as partículas visualmente mais convenientes para capturar dos dois tipos de partículas tratados neste artigo (ou seja, microesferas revestidas a carbono e partículas de ouro maciço). Microsferas revestidas de carbono produzem sombras escuras quando retroiluminadas, como mostrado na Figura 9E,F.  Isso os to...

Discussão

A implementação bem-sucedida dessa técnica de captura depende da modulação precisa das frequências AOM e do alinhamento correto dos componentes ópticos. Uma das etapas mais críticas é garantir que o feixe de laser de varredura gere um potencial parabólico bem formado.  Embora distâncias focais menores e aberturas numéricas maiores geralmente melhorem a rigidez e o confinamento do armadilho, a conveniência de um objetivo de longa distância de trabalho para carga e observação de partículas...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	Usado para imagem de partículas presas; lente telecêntrica; rotulada como 'i' na Figura 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	Usado para colimação de feixe e sobreposição (alinhamento discutido); Óptica de Relé; rotulada como 'b' na Figura 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	transformadas de Fourier da saída de AOMs; objetivo; rotulada como 'g' na Figura 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	Usado para melhorar o contraste da imagem; Fonte de Luz Branca; rotulada como 'f' na Figura 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Moduladores Acústico-Óticos (AOM), varredura na direção y; Y-AOM; rotulada como 'a' na Figura 3
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	AOM usado para varredura de feixe na direção x; X-AOM; rotulada como 'c' na Figura 3
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	Usado para detectar partículas; câmera; rotulada como 'j' na Figura 3
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	Equipado com software de aquisição de dados e imagens
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	LASER de Iluminação; Fonte de LASER
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	câmara giratória para partículas; câmara de partículas; rotulada como 'h' na Figura 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	20L × 12D mm, usado para estabilização do fluxo de ar
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	Usado para testes comparativos
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	Partículas de ouro sólidas
model number TB-17	Minicircuits	15542	Usado para amplificar sinal para AOMs; Amplificadores de RF; rotulada como 'm' na Figura 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	Usado para filtrar espacialmente as ordens difratadas; Abertura; rotulada como 'd' na Figura 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	usado para introduzir luz branca ao longo do eixo óptico para iluminar as partículas por trás; divisor de feixe; rotulada como 'e' na Figura 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, usado para controle de AOM; Gerador de onda arbitrária; rotulada como 'k' na Figura 3
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	Usado para ajuste de frequência AOM; Osciladores controlados por tensão (VCOs); rotulada como 'l' na Figura 3