Безопасные эксперименты в оптических левитация заряженных капель, с использованием удаленной лаборатории

Summary

Оптическая левитация — это метод для парящий микрометра размера диэлектрической объектов с помощью лазерного света. Использование компьютеров и систем автоматизации, эксперимент на оптических подушке можно управлять дистанционно. Здесь, мы представляем систему телемеханики оптических левитация, которая используется как для учебных и исследовательских целей.

Abstract

В работе представлены эксперимент, который позволяет изучение многих фундаментальных физических процессов, например Фотон давления, дифракции света или движение заряженных частиц в электрических полях. В этом эксперименте сфокусированного лазерного пучка указывая вверх левитировать жидких капель. Капли поднимаемый Фотон давлением сфокусированного лазерного луча, который уравновешивает гравитационной силы. Дифракционный рисунок, созданный при освещении с лазерного света может помочь измерить размер ловушке капельки. Заряд ловушке капельки можно определить путем изучения его движения при применении вертикально направленные электрического поля. Существует несколько причин, мотивирующие этот эксперимент будет удаленно управляться. Инвестиции, необходимые для установки превышает сумму обычно доступны в Бакалавриат учебных лабораториях. Этот эксперимент требует лазер класса 4, который вреден для кожи и глаз и эксперимент использует напряжений, которые являются вредными.

Introduction

Тот факт, что свет несет импульс впервые было предложено Кеплер, когда он объяснил, почему хвост кометы всегда очков от солнца. Использование лазера для перемещения и поймать макроскопических объектов впервые сообщили A. Ашкин и J. м. Dziedzic в 1971 году, когда они продемонстрировали, что это возможно левитировать микрометра размера диэлектрической объектов¹. Ловушке объект подвергается вверх направленного лазерного луча. Частью лазерный луч было отражено на объекте, который ввел давление излучения на него, что было достаточно, чтобы уравновесить силы тяжести. Большая часть света, однако, был преломленный через объект диэлектрика. Изменение направления света вызывает откат объекта.  Чистый эффект отдачи для частицы в профиль Гаусса луч является, что капли будет двигаться в направлении региона высокие интенсивности света². Таким образом позиция стабильной треппинга создается в центре лазерного луча на позицию чуть выше координационным центром, где давление излучения остатки гравитации.

Поскольку метод оптической левитация позволяет небольших объектов в ловушке и контролировать без контакта с любыми объектами, различные физические явления могут быть изучены с помощью дроплета Левитирующий. Однако эксперимент представляет два ограничения, чтобы быть воспроизведены и применяются в школах или университетах, поскольку не все учреждения могут позволить себе необходимое оборудование и есть определенные риски в практической работы лазера.

Удаленный лаборатории (RLs) предлагают онлайн удаленный доступ к реальной лабораторное оборудование для экспериментальной деятельности. RLs впервые появился в конце 90-х годов, с появлением Интернета, и их значение и использование росли с течением времени, как технология прогрессировала, и некоторые из их основных проблем были выполнено³. Однако, суть RLs остается неизменной с течением времени: использование электронного устройства с доступом в Интернет для доступа к лаборатории и контролировать и отслеживать эксперимент.

Из-за их удаленный характер может использоваться RLs предложить пользователям экспериментальной деятельности, не подвергая их на риски, которые могут быть связаны с реализацией таких экспериментов. Эти инструменты позволяют студентам тратить больше времени, работая с лабораторным оборудованием и следовательно развивать навыки лучше лаборатории. Другие преимущества RLs являются, что они 1) облегчить для людей с ограниченными возможностями для выполнения экспериментальных работ, 2) разверните каталог экспериментов, предлагаемых студентам обмена RLs между университетами и 3) увеличить гибкость в планировании работы лаборатории, так как она может быть выполнена из дома когда физическая лаборатория закрыта. Наконец RLs также предлагают обучение в операционных систем с компьютерным управлением, которые в настоящее время являются важной частью научных исследований, развития и промышленности. Таким образом RLs только не может предложить решение финансовых и безопасности вопросов, что традиционные лаборатории представить, но и обеспечить более интересных экспериментальных возможностей.

С экспериментальной установки, используемые в этой работе это можно измерить размер и заряд в ловушке капельки, исследовать движение заряженных частиц в электрических полей и анализировать, как радиоактивный источник может использоваться для изменения заряд капельки⁴ .

В экспериментальной установки представлены мощный лазер направляется вверх и сосредоточены в центр стекла ячейки⁴. Лазер является 2 W 532 нм диодной накачкой твердотельным лазером (CW), где обычно используется около 1 Вт (W). Фокусное расстояние объектива треппинг — 3,0 см. капельки создаются с диспенсером капелька piezo и спускаться через лазерный луч, до тех пор, пока они оказались в ловушке чуть выше фокус лазера. Треппинг возникает, когда силы от вверх направлены что давление излучения равен вниз режиссер гравитационной силы. Существует не верхний предел времени для треппинга. Долгое время ловушке капельки 9 часов, после этого, ловушки был выключен. Взаимодействие между капли и поле лазер производит дифракционной картины, которая используется для определения размера капли.

Капельки, излучаемый распылитель состоят из 10% глицерина и 90% воды. Часть воды быстро испаряется, оставляя капельку размера глицерина 20-30 мкм в ловушку. Максимальный размер капли, которые могут быть в ловушке — около 40 мкм. Существует нет испарения, наблюдается после около 10 s. На данный момент все воды, как ожидается, испаряется. Длинный захват время без каких-либо заметных испарения указывает, что существует минимальный поглощения и что капли по существу при комнатной температуре. Поверхностное натяжение капель делает их сферической. Заряд капельки, порожденных капелька дозатор зависит от условий окружающей среды в лаборатории, где они чаще всего становятся отрицательно предъявлено обвинение. В верхней и нижней части клетки треппинга состоит из двух электродов размещены 25 мм друг от друга. Они могут использоваться для применять вертикальные электрические постоянного тока (DC) или переменный ток (AC) поле над капли. Электрическое поле не является достаточно сильным, чтобы создать любой дуги, даже если 1000 вольт (V) применяется через электроды. Если используется поле постоянного тока капелька перемещается вверх или вниз в лазерный луч в новую позицию стабильного равновесия. Если поле переменного тока применяется вместо, капелька колеблется вокруг его положения равновесия. Масштабы колебаний зависит от размера и заряд капельки, интенсивность электрического поля и жесткость лазерные ловушки. Изображение капли проецируется на позицию чувствительных детектор (PSD), которое позволяет пользователям отслеживать вертикальное положение капли.

Эта работа представляет успешную инициативу по модернизации преподавания и исследований с использованием информационных и коммуникационных технологий через инновационные RL на оптических левитация заряженных капель, который иллюстрирует современные концепции в физике. На рисунке 1 показана архитектура ЛР. Таблица 1 показывает возможных травм, которые могут вызвать лазеров согласно их класса; В этой установки используется лазер класса IV, который является наиболее опасным. Он может работать с до 2.0 W видимых лазерного излучения, поэтому безопасность предоставляемых удаленная операция явно подходит для этого эксперимента. Оптических левитация заряженных капель RL был представлен в работе D. Galan et al. в 2018⁵. В этой работе он продемонстрировал, как она может быть использована онлайн учителями, которые хотят познакомить своих студентов современных концепций физики без необходимости быть обеспокоены расходы, логистики или вопросы безопасности. Студенты доступ через веб-портал под названием сеть интерактивных лабораторий Университета RL (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) в которых они могут найти всю документацию в отношении теории, связанные с эксперимента и использование экспериментальных Настройка с помощью веб-приложения. С помощью концепции лаборатории дистанционного, экспериментальная работа в современной физике, которая требует дорогостоящих и опасных оборудование может предоставляться новым группам студентов. Кроме того он усиливает формальное обучение путем предоставления традиционных студентов с больше времени в лаборатории и эксперименты, которые обычно недоступны за пределами исследовательских лабораторий.

Protocol

Примечание: Лазер, используемый в этом эксперименте является лазер класса IV доставки до 1 Вт видимых лазерного излучения. Весь персонал в лаборатории лазерных должны провели обучение надлежащего лазерной безопасности.

1. практический экспериментальный протокол

1. Безопасность
   1. Убедитесь, что каждый в лаборатории осознает, что лазер будет включен.
   2. Включите лазер контрольная лампа в лаборатории.
   3. Убедитесь, что не смотреть или металлические кольца носили и надел очки Лазер.
   4. Убедитесь, что четыре свет поглощающих доски, ближайший к эксперименту, находятся в месте.
   5. Проверьте пространство между лазером и Совет поглощающих препятствий. Также проверьте, что пространство между треппинга клеток и блок луча свободен от объектов.
2. Подготовка программного обеспечения и эксперимент.
   1. Включите компьютер лаборатории. Подождите, пока он готов к работе.
   2. Откройте папку Удаленного запуска с рабочего стола и щелкните значок Main1806.vi. Запустите программу, нажав на стрелку в верхнем левом углу.
      Примечание: Это открывает программу управления (например, Labview) показано на рисунке 2 и на рисунке 3 и автоматически включается питание для лазера и электрическое поле. Все кнопки, отныне ссылки в этом разделе относятся к детям, которые появляются в эти цифры.
   3. Под «ЕЖС переменные» установите флажок под названием «Лазерного дистанционного Enable2» власть и задайте «лазерный current2» 25 таким образом, чтобы слайд мощность лазера справа заканчивается на 25%. Наблюдать за лазерный луч с помощью выравнивания лазерного очки, чтобы убедиться, что луч попадает в луч дампа. Если нет, то отрегулируйте луч дампа.
   4. Проверьте Drops2 и переместите кончик дозатором капель капли падают в лазерный луч. Сделать это, корректировки стадии перевода, обозначенные буквой A на рис. 4. Для этой цели осторожно поверните вождения винты в основании стадии перевода пока не будет достигнуто желаемое положение.
      1. Если едете не капли, применить некоторое давление в шприц, до тех пор, пока капельку показан в наконечник распылителя. Тщательно протрите (хрупкие наконечник) использование бумаги с помощью ацетона. Капли должны теперь начинают поступать. Когда это происходит, начните с точки 1.2.4.
   5. Поднимите мощность лазера до около 66% с помощью лазера 2 текущего поля ввода и ловушки капельку. Как только ловушке капельки, снимите Drops2 .
      Примечание: На рисунке 5 показан дроплета, захвачен в экспериментальной среде. Нижняя Зеленая точка соответствует реальной капелька, тогда как верхняя является ее отражение на стекле ячейки, в которой расположен капли. С этого момента она будет ловушке капельки теперь образы на PSD.
3. Определите размер капли.
   1. Отрегулируйте мощность лазера до тех пор, пока позиция PSD как можно ближе к нулю.
      Примечание: как капельки могут быть в ловушке, ниже или выше предыдущей позиции треппинга, в зависимости от мощности лазера или размер/вес. Этот шаг выполняется для перемещения дроплета изображения к центру PSD.
   2. Наблюдать за дифракционный рисунок, созданный на экране (см. Рисунок 1). Сделайте снимок с веб-камерой, которая позиционируется наблюдать на экране с под.
      Примечание: Шаблон вызвана лазерного света дифрагированных ловушке капельки.
   3. Используйте изображения для определения расстояния от линии отмечены 1 до двух произвольных минимумов в изображении. Расстояние является положительным, если это дальше от капли, чем строка помечена 1, иначе отрицательные. Затем добавьте 40 см для обоих расстояний. Вызовите кратчайшие ₁и длинный, ₂. Чтобы вычислить размер капли используйте уравнение 1:
      (1)
      где x — это расстояние по вертикали от капли на экран (x = 23,5 см), λ является длина волны лазерного света (λ = 532 нм) и Δn — это количество полос (целое число) между двумя минимумами используемые в расчетах.
      Примечание: Когда капли imaged в середине PSD, (x), расстояние от капли на экран-23,5 ± 0,1 см. Более подробное объяснение процесса можно найти в работе J. Swithenbank et al. ⁶.
4. Определение полярности заряда капли.
   1. Выберите вкладку запустить вправо ЕЖС переменных и установите элемент2 E-поля DC + 2 V (см. рис. 3). Будьте внимательны, так как напряжение на электроде сейчас 200 V.
      Примечание: Полярности заряда капли определяется наблюдая, как капелька реагировать прикладной Вертикальное электрическое поле. На рисунке 6 можно увидеть эскиз как применяется электрическое поле
5. Определить заряд капельки
   Примечание: Чтобы вычислить заряд капельки, сначала нужно измерить размер капли. Вес капли затем может быть определен, так как плотность жидкости известен. Рисунок 7 описывает процедуру схематично.
   1. E-поле DC элемент2 равным нулю.
   2. Оценить и записка PSD нормализовать положение след в Диаграммы сигналовсреднее значение для позиции капли.
   3. Обратите внимание на значение мощности лазера. Это значение будет F_Rad1 в уравнение 2.
   4. Значение E-поля DC элемент2 между + 1 и + 5 вольт, или -1 и -5 вольт так, что капля движется вверх. Капли в настоящее время в новом положении. Медленно уменьшить мощность лазера до капли вернулся в свое исходное положение, как отмечается в шаге 1.5.2. Запишите новый мощность лазера (_Rad2F).
      Если капли теряется, проверьте Drops2 и начать с шага 1.2.4.
   5. Используйте следующую процедуру для расчета заряда. Во-первых Вычислите силу от электрического поля:
      (2)
   6. Определить абсолютный заряд, с помощью выражения
      (3)
      Здесь d -расстояние между электродами и U приложенного напряжения.

2. Дистанционное экспериментов протокол

1. Доступ к удаленной лаборатории.
   1. Откройте веб-страницу UNILabs на веб-браузера: https://unilabs.dia.uned.es/
   2. При необходимости выберите нужный язык. Параметр находится в первый элемент меню под заголовком.
   3. Войти следующие данные:
      Имя пользователя: тест
      Пароль: тест
      Примечание: Вход кадр находится под информация Новости и внедрение веб-страницы.
   4. В районе курс, рядом с районом входа щелкните левой кнопкой мыши на логотип Университета Гетеборга (ГУ).
   5. Нажмите на Оптических левитации для доступа к материалам этого эксперимента.
   6. Доступ к удаленной лаборатории, нажав на Удаленной лаборатории оптических левитация. После этого убедитесь, что основной кадр веб-страницы Показать пользовательский интерфейс удаленной лаборатории, как показано на рисунке 8.
2. Подключиться к лаборатории оптических левитация.
   Примечание: Все инструкции здесь сослаться на рисунке 8.
   1. Нажмите на кнопку Connect . Если подключение установлено успешно, текст на кнопке изменится на подключено.
      Примечание: При подключении пользователя к удаленному лаборатории, он испускает акустического сигнала, который предупреждает других людей в окрестностях, что кто-то будет питание и манипулировать лазерной удаленно.
   2. Нажмите на Отслеживание капельки и проверьте, что PSD данные принимаются.
      Примечание: Как без капельки, захватили в этот момент, полученное значение не соответствующих.
   3. Нажмите на Общий вид , чтобы определить все элементы установки: лазер, капелька распылитель, треппинг клеток и PSD.
3. Ловушке капельки.
   Примечание: Все инструкции здесь сослаться на рисунке 8.
   1. После того, как подключен удаленный лаборатория, нажмите на кнопку захвата капельки для визуализации пипетки и Сопло распылителя капли.
   2. Нажмите на кнопку Включите лазер , чтобы установить подключение к лазера.
      Примечание: Лазер запускается вручную и независимо от остальных инструментов потому, что это может повредить окружающей среды, если она не выровнены правильно.
   3. Установите мощность лазера вокруг первой четверти полосы управления, которая находится под кнопкой включения лазера . Подождите, пока зеленый свет виден.
   4. Проверьте выравнивание лазера.
      Примечание: Если правильно выровнен лазер, луч тонкий зеленый свет будет рассматриваться. В противном случае будет восприниматься рассеянного зеленое пятно. В случае неправильного выравнивания выключите систему и обратитесь в службу обслуживания лаборатории. Чтобы связаться с ремонтно-эксплуатационные услуги, нажмите на значок, представляющий речи пузырь, расположенный в левом верхнем углу веб-страницы UNILabs. Нажмите на сообщение пользователя Admin , запишите сообщение в нижней, описывающие проблему и нажмите кнопку Отправить. Это обычно не случиться, так как все оптика фиксируются.
   5. Увеличьте мощность лазера до 3/4 бара.
      Примечание: Мощность 60% (550 МВт) является достаточно, чтобы захватить и сохранить дроплет левитировать.
   6. Нажмите кнопку Пуск падает Включите распылитель капелька.
   7. Смотреть веб-камеры изображения и подождите, пока производится flash. В тот момент был захвачен дроплета. Проверьте веб-камеры изображения снова и что капельки парящий в центр ячейки треппинга. Нажмите кнопку остановить капли выключить капелька распылителя.
      Примечание: При необходимости, это можно получить большие капли, ловить несколько из них и ждать их для слияния с одним уже захватили. Это необходимо иметь в виду, что если несколько, поймали, увеличивает массу капельки так, что мощности лазера может не быть достаточно, чтобы держать его левитировать.
4. Определите размер капли.
   Примечание: Все здесь инструкции на рисунке 9.
   1. Нажмите кнопку калибровки капельки соблюдать дифракционный рисунок, образованный ловушке капельки.
   2. Выполните ту же процедуру, как и в протоколе практических экспериментов (шаг 1.3), чтобы определить размер капли с помощью дифракционной картины.
5. Определение полярности заряда капли.
   Примечание: Все здесь инструкции на рисунке 10.
   1. Нажмите на кнопку Отслеживание капельки для просмотра графика PSD и вид пипетки.
   2. Нажмите на вкладку электрическое поле в левой нижней части пользовательского интерфейса.
   3. Установите напряжение тока DC до 100 V. Чтобы сделать это, нажмите на числовое поле справа от метки DC (V) и введите значение 100.
   4. Проверьте PSD график, показывающий положение капли и наблюдать ли капли движется вверх или вниз, когда электрическое поле применяется.
      Примечание: Полярности плиты устроена так что если применяется положительное напряжение, отрицательно заряженных капель будет двигаться вниз и положительно заряженной капли будет двигаться вверх.
   5. Теперь измените значение электрического поля и проверьте, что капля движется в противоположном направлении; для этой цели введите -100 в DC (V) числового поля.
6. Определите заряд капельки.
   Примечание: Все здесь инструкции на рисунке 10.
   1. Имея в ловушке капельки, нажмите на представлении Отслеживание капельки .
   2. Выберите в меню электрического поля .
   3. Установите DC электрического поля до нуля с DC (V) числового поля.
   4. Оценить и отмечаем среднее значение позиции капелька, диаграммы и отмечаем мощность лазера.
   5. DC электрическое поле Задайте значение в диапазоне от + 500 V и V -500 чтобы капли изменить свою позицию.
   6. Уменьшить или увеличить мощность лазера с помощью ползунка до капли вернулся в исходное положение и запишите новое значение мощности лазера.
   7. Следуйте процедуре, описанной в шаге 1.5.5 для вычисления заряд капельки.

Results

Когда лазерный луч хорошо скоординированы и нижней плиты является чистым, почти сразу же попали капли. Когда в ловушке капельки он может остаться в ловушку на несколько часов, дать достаточно времени для проведения расследований. Радиус r капель находится в диапазоне 25 ≤ r ≤ 35 мкм и была измерена заряда между 1.1x10^-17 ±1.1 x10^-18 C и 5.5x10^-16 ±5.5 x10^-17 C. Размер капель остается, согласно нашей измерения, постоянным с течением врем...

Discussion

Эта работа представляет программу установки для проведения современной физики эксперимент, в котором капли оптически левитировать. Эксперимент может выполняться удаленно или традиционным практическим способом. С создание удаленной системы студентов и исследователей по всему миру могут получить доступ к экспериментальной установки. Это также гарантирует безопасность пользователей, поскольку они не должны быть в присутствии мощных лазерных и электрических полей, необходимых для проведения эксперимента. Кроме того пользоват...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
GEM 532	Laser Quantum		Green лазер с регулируемой мощностью от 50 мВт до 2 Вт
Боковой эффект Датчик положения	THOR Lab	PDP90A	PSD для определения положения капли в пипетке
Advanced Educational Spectrometer Kit, Metric	THOR Lab	EDU-SPEB1/M	Mirrors и другие элементы для управления лазерным лучом
Пипетка	собственного изготовления		камера, в которой капля задерживается, была специально изготовлена для этой установки
источника питания переменного/постоянного тока	Keithley Instruments, Inc.	2380-500-30	А Источник питания для генерации электрического поля (0 В - 500 В постоянного тока)
Блок распределения питания	APC	AP7900	A PDU для удаленного подключения лабораторных приборов