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

Nosso trabalho descreve a construção e operação de uma armadilha óptica reconfigurável em forma de barco para capturar e manipular partículas no ar. Os métodos de captura existentes fazem um compromisso entre localização de armadilha e área de captura. Esse protocolo introduz uma armadilha para barcos, alcançando ambas simultaneamente.

Esse protocolo pode ser aplicado em ambientes laboratoriais padrão sob condições de ar ambiente, seguindo protocolos de segurança a laser Classe 4. Após preparar as microsferas de vidro revestidas com carbono, instale o sistema óptico usando um elevador de feixe cinemático e uma régua para ajustar a altura do feixe a 23 centímetros. Reduza a potência do laser para menos de 50 miliwatts.

Use um polarizador para determinar se a polarização está orientada verticalmente. Ajuste o microscópio para a altura do feixe voltado na direção Z negativa a uma distância maior que 100 centímetros da saída do elevador de feixe. Coloque uma lente de transformada de Fourier 10 centímetros na direção Z negativa, com a superfície convexa voltada na direção Z positiva.

Depois, coloque as três lentes restantes da transformada de Fourier a 20 centímetros de distância entre si, alternando convexidades. Posicione os moduladores acusto-ópticos a 10 centímetros na direção negativa Z das lentes mais próximas e terceiras mais próximas do laser. Certifique-se de que o modulador acusto-óptico mais próximo do laser esteja orientado verticalmente.

Posicione o modulador acusto-óptico a dois 10 centímetros da lente em terceiro lugar mais próximo do laser. Alinhe-a horizontalmente e gire aproximadamente dois graus para longe do eixo óptico. Para cada canal do gerador de forma de onda arbitrária, conecte-se um oscilador controlado por tensão, um amplificador e um modulador acusto-óptico.

Depois, conecte os amplificadores aos moduladores acusto-ópticos. Usando o gerador de forma de onda arbitrário, ajustava a tensão fornecida a ambos os osciladores controlados por tensão para cinco volts, correspondendo a uma frequência de 100 megahertz. Depois, diminua a inclinação do modulador acusto-óptico dois para zero.

Aumente gradualmente o ângulo até que o feixe de primeira ordem atinja seu brilho máximo. Alinhe ambos os feixes que saem do primeiro modulador acusto-óptico para entrar no segundo modulador. Dos quatro feixes que saem do segundo modulador acusto-óptico, apenas o feixe superior direito passa pela abertura.

Em seguida, coloque um divisor de feixe para direcionar uma parte do feixe para uma superfície de observação. Com as amplitudes arbitrárias do gerador de forma de onda definidas a zero, observe o feixe resultante na superfície de observação aparecendo como um ponto. Ajuste o deslocamento do canal vertical para cinco volts, amplitude para três volts e frequência para quatro quilohertz.

Observe o feixe formando uma linha vertical na superfície de observação. Depois, ajuste o deslocamento do canal horizontal para cinco volts, a amplitude para três volts e a frequência para quatro quilohertz. O feixe deve formar uma linha diagonal na superfície de observação.

Ajuste o canal vertical para oito quilohertz e um desfasamento de fase de 90 graus, resultando em um padrão de Lissajous na superfície de observação. Depois, pressione o botão Alinhar Fase para converter o padrão de Lissajous em uma forma parabólica. Ajuste o deslocamento de fase do canal vertical para refinar a forma parabólica e observe o padrão parabólico refinado na superfície de observação.

Coloque uma lente telecêntrica com distância focal de 45 milímetros em um palco linear, posicionando-o 55 milímetros à frente do objetivo, na direção Z positiva. Depois, coloque um filtro dicróico projetado para refletir luz de 532 nanômetros à frente da lente. Conecte a câmera a um computador pessoal usando um cabo Universal Serial Bus com o software de imagem associado.

Depois, incline o filtro dicróico levemente entre cinco e dez graus até que apareça a forma da armadilha parabólica. Ilumine o divisor de feixe com uma fonte de luz de fibra e ajuste a luz de fibra para centralizar sua iluminação ao redor da armadilha parabólica. Usando uma espátula de laboratório, coloque aproximadamente um grama de partículas dentro de um cilindro de vidro de 25 milímetros de comprimento e 12 milímetros de diâmetro, montado para permitir a rotação ao longo do eixo do cilindro.

Coloque o cilindro de vidro carregado centralizado a 15 milímetros do objetivo, correspondendo à distância de trabalho do objetivo. Após girar e tocar no cilindro, observe a tela da câmera mostrando partículas presas padrão ou inexistentes, partículas caindo e partículas presas. Após instalar e configurar o software, inicie o Visual Studio 2022 e abra o arquivo do projeto.

Pressione o botão verde Run para iniciar o programa. Observe o feed de vídeo e o terminal aparecendo na tela. Certifique-se de que a parábola verde que captura está visível no vídeo.

Se não estiver visível, ajuste potência, filtragem ou alinhamento até que a região de aprisionamento apareça. Pressione as teclas Windows, Shift e S simultaneamente para capturar a tela. Clique e arraste o ponteiro do mouse do canto superior esquerdo até o canto inferior direito do feed de vídeo.

Clique no pop-up para abrir o editor de capturas de tela. Clique no botão Editar no MS Paint dentro do editor. Depois, coloque o cursor no canto superior esquerdo da parábola na janela do MS Paint.

Registre as coordenadas mostradas no canto inferior esquerdo como mínimo X e mínimo Y. Depois, coloque o cursor no canto inferior direito da parábola na janela do MS Paint. Registre as coordenadas mostradas no canto inferior esquerdo como X máximo e Y máximo.

Depois disso, feche o feed de vídeo pressionando a tecla Escape. Insira X mínimo, X máximo, Y mínimo e Y máximo na linha 280 na função is_trapped do principal. CPP dentro do projeto.

Para randomização da frequência dos testes, inicie o Visual Studio 2022 e abra o arquivo do projeto se ele ainda não estiver aberto. Abra o PowerShell do Windows ou o Prompt de Comando. Execute o comando pythonc import random e imprima uma amostra aleatória do intervalo zero até 101.

Depois, copie a lista gerada de números de teste. Editando a linha 443 da principal. CPP colando a lista gerada na sequência de números de teste e salvando o projeto no Visual Studio 2022.

Aumente a potência do laser ao nível necessário para o experimento. Execute o experimento clicando no botão verde de corrida e tocando e girando o tubo de partículas. Após o término do experimento, abra os resultados.

Arquivo txt em um editor de texto. Observe que cada execução de programa gera novos resultados sob o título Início de um novo lote de resultados, no formato, número do teste, resultado, seguido pelo tempo de armadilha em nanossegundos. Para visualização de dados, copie os números de teste e os tempos de captura do arquivo Valores Separados por Vírgulas para example.xlsx.

Após aplicar os filtros necessários, observe as colunas adicionais e um gráfico de dispersão que preenche o tempo de armadilhagem versus a frequência de puxada das armadilhas. Microsferas revestidas de carbono produzem sombras escuras quando retroiluminadas. Microsferas de vidro, partículas com dimensões na ordem de 100 micrômetros, se depositaram aproximadamente até o fundo da armadilha parabólica.

Quando uma partícula era capturada com sucesso, o software automatizado de detecção de partículas exibia um T vermelho. Quando nenhuma partícula aprisionada era encontrada, o software exibia um N verde. Taxas e vidas de captura podem aumentar ou diminuir em função de variáveis ambientais como temperatura ou umidade. Partículas de ouro maciço na ordem de um micrômetro não eram observáveis ao longo do eixo óptico, mas sua dispersão de luz era observada ortogonal ao eixo. Gravações em vídeo confirmaram que as partículas mantiveram sua posição por longos períodos, superiores a vários minutos.

Esse protocolo permite que um pesquisador desenhe e modifique rapidamente uma armadilha para barcos para capturar e mover uma grande variedade de partículas no ar. Estudos futuros podem integrar o controle de Field Programmable Gate Array para permitir a manipulação programável da forma da armadilha, ponderação e localização da seção transversal dentro de um plano 2D.