Методическая статья

Оптическое улавливание крупных металлических частиц в воздухе с помощью «лодочной» ловушки с прямыми боковыми стенками

DOI:

10.3791/68766

⸱

27 марта 2026 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этой статье описывается экспериментальный метод достижения длительного, стабильного захвата и точного позиционирования крупных металлических частиц в воздухе с помощью динамической фотофоретической ловушки лодочной формы. Эта система обеспечивает контролируемое вмешательство, подходящее для исследований плазмонного взаимодействия.

Аннотация

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

Мы представляем метод обеспечения стабильного оптического захвата крупных металлических частиц (частицы золота >1,16 мкм среднего диаметра и микросферы с покрытием проводников >100 мкм) с использованием сфокусированного пучка, сканируемого акусто-оптическими модуляторами для прямого нарисования параболического поперечного сечения ловушки в воздухе.  Результатом этого действия натягивания становится образование «лодочной» ловушки, открытой сверху, способной ловить, загружать и стабильно удерживать крупные металлические частицы без прыжков.  Высокомощный непрерывный волновой лазер 532 нм сканируется как в x, так и в y-направлениях, формируя распределение интенсивности в форме лодки, оптимизированное для захвата микросфер. Длительность захвата максимизируется за счёт тщательного выбора частоты затяжки, чтобы она выглядела непрерывной относительно динамики частиц, но достаточно медленной, чтобы избежать искажений ловушки. Этот протокол описывает экспериментальную установку, включая лазерную модуляцию, методы введения частиц и валидацию. Микросферы с углеродным покрытием используются в первую очередь для визуализации и валидации образования и стабильности ловушек, тогда как наночастицы твёрдого золота служат целью для исследований плазмонного взаимодействия. Этот метод позволяет выполнять любое из множества сечений по команде в реальном времени, обеспечивая надёжный и гибкий подход к захвату, загрузке и трансляции частиц в воздухе на длительных временных интервалах, с потенциальным применением для плазмонного усиления левитируемых оптических систем.

Введение

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

В данной работе представлен метод точного захвата, размещения и обработки крупных металлических частиц в воздухе с помощью динамически сгенерированной лодочной ловушки. Предыдущие методы — например, с использованием слабо сфокусированных гауссовыхлучей 1, аберрационныхловушек 2, пятнистых полей 3,4,5 или вихревыхпучков 6,7 — страдают от ключевых ограничений, включая вращательноедвижение 1, множественные стабильные локусызахвата 2,3,4,5 или отсутствие единого, чётко определённого места ловли 6,7, что в некоторых геометриях может приводить к прыжкам между несколькими стабильными локусамиловли 3,7 (см. рисунок 1A).  Одним из заметных исключений является восходящая осиконная ловушка, которая обеспечивает один локус ловли, поддерживает верхнюю загрузку и — по крайней мере теоретически — позволяет горизонтальноеперемещение 8. Описанный здесь метод сохраняет эти преимущества, одновременно вводя три критически важных улучшения: (1) надёжное улавливание металлических частиц, (2) горизонтальную геометрию пучка и (3) реконфигурируемость потенциала захвата в реальном времени с помощью прямых оптических стенок.

Методы захвата частиц золота до настоящего времени обычно выполнялись вводе 9, 10, 11 и могут иметь свойства захвата, вызывающиевращательное движение 12, или использовать противоположные пучки, которые препятствуют гибкому сместлению пойманнойчастицы 13. Для преодоления этих проблем для частиц твёрдого золота диаметром более 1 мкм используется динамически модулированная фотофоретическая «лодочная» ловушка.

Этот метод применим к широкому диапазону размеров и типов частиц — от 20-нм углеродных наносфер до стеклянных микросфер с покрытием 100 мкм. Он эффективен как в открытых, так и в закрытых условиях частичного давления. Техника может работать на мощности до нескольких десятков ватт.  Поскольку ловушки распределены как линии, а не точечные, оптическая мощность распределяется на больших площадях, практическая реализация наиболее эффективна при мощности выше 1 Вт.

Механизм захвата основан на положительном фотофорезе, который возникает при асимметричном нагреве частицы лазерным лучом. Когда поглощающая металлическая частица освещается, горячая сторона испускает молекулы газа с большим импульсом, чем холодная, что приводит к суммарной силе, которая отталкивает частицу от света. Эта фотофоретическая сила может быть выражена как:

figure-introduction-1

где C — коэффициент, зависящий от геометрии частицы, свойств газа и коэффициента теплового аккомодирования, а ∇T — температурный градиент вдоль поверхности частицы. В этой системе эта сила направляется вверх в ловушке и противодействует гравитации, обеспечивая стабильную левитацию. Более подробное описание фотофоретической силы — включая как радиометрическое давление, так и эффекты теплового ползучения — приведено в Mirzaei-Ghormish и др. 14.

Лодочная ловушка использует произвольный генератор волновых форм (AWG) для управления акустооптическими модуляторами (AOM), чтобы создать оптическую стенку высокой интенсивности, создаваемую сканированием сфокусированного непрерывного (CW) лазерного луча с целью генерации стабильного параболического потенциалазахвата 14 (см . рисунок 1B).  Такой подход позволяет точно контролировать форму ловушки, позволяя частицам улавливаться, удерживать неподвижно и экспонировать на одной поверхности — ключевые требования для таких применений, как приближение наноалмазов к плазмонным частицам золота размером более 1 мкм для улучшения наноалмазнойфлуоресценции по методу Пёрселл 11

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

В этом разделе описывается подготовка частиц и построение оптической установки. Обратите внимание, что эта схема отличается от методов формирования вихрей, дифрагирования и других методов формирования волнового фронта, которые приводят к морфологии одной ловушки (см. Gong et al. для обзора ловушек с формируяволнового фронта 8). В такой системе, сканируя примитив сфокусированной точки, можно создать множество поперечных сечений ловушек. Поэтому, хотя в этой работе делается акцент на морфологии ловушек, имейте в виду, что описанная схема достаточно гибка, чтобы создать множество других геометрий ловушек для будущих исследований.

1. Подготовка частиц

  1. Микросферы стекла с углеродным покрытием (используются для визуализации, рисунок 2)
    1. Перенесите 3 мл микросфер в небольшую чистую кристаллизационную чашу (рисунок 2A, слева) с помощью чистой лопатки. Выполните этот шаг в вытяжной вытяжке, чтобы предотвратить массовое рассеивание мелких стеклянных частиц.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вытяжка поддерживала отрицательное давление, втягивая воздух внутрь со средней скоростью лица 101 фут·мин-1.
    2. Накройте чашку крышкой или стеклом для часов и переведите в систему испарения из углеродного стержня (рисунок 2B).
    3. Установите рутину испарения на 3 импульса при импульсном токе 73 А, длине импульса 3 с и интервале импульсов 10 с (см. таблицу 1).
    4. Сними крышку. Вставьте чашу с частицами. Запустите программу покрытия. Замените крышку. Снимите блюдо.
    5. Перемешивать тарелку, встряхивая частицы с достаточной силой, чтобы рандомизировать их положение (рисунок 2C). Снимите крышку и поместите блюдо обратно в покрыватель для нанесения покрытия. Повторите 10 раз.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После нанесения частицы будут выглядеть так же, как на рисунке 2A, справа. Также стоит отметить, что размер микросферы с углеродным покрытием практически не изменился, поскольку покрытие 20 нм меньше по сравнению со средним диаметром углеродной микросферы, которая может превышать 60 мкм.
    6. Накройте полученные частицы стеклом или пленкой и храните их в условиях с контролируемой влажностью.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Все работы по покрытию и экспериментам проводились в условиях, поддерживаемых в лабораторных помещениях с температурой 21-25 °C (70-75 °F) и относительной влажностью 20-45%.
  2. Частицы твёрдого золота (используемые для плазмонных экспериментов)
    1. Частицы твёрдого золота продаются сухими со средним диаметром 1 мкм (см. рисунок 2D и таблицу материалов). Когда вы готовы к использованию, переместите засохшие частицы в вращающуюся камеру стеклянных частиц (рисунок 2E).

2. Настройка оптической системы

ПРИМЕЧАНИЕ: Оптическая установка показана на рисунке 3. Полный список необходимых оптических и электрических компонентов для завершения установки приведён в таблице материалов. В этой схеме четыре идентичных объектива создают два каскадных 4F-реле, которые отображают AOM1 на AOM2. AOM1 отклоняет пучок вертикально,AOM 2 — горизонтально, и поскольку фокусные расстояния равны, сопряжённая плоскостьAOM 1 совпадает с AOM2.

  1. Выравнивание источника лазера и начального пучка
    1. На оптическом столе разместите лазерный источник мощностью от <5 мВт до >5 Вт с световым выходом 532 нм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Лазер-источник, использованный в этих экспериментах, мог захватывать мощность свыше 10 Вт. На выходе лазера и перед входом вAOM 1 пучок коллимируется с диаметром примерно 1,3 мм (ширина интенсивности 1/e²), измеряется с помощью профилера луча. Был выбран источник с толщиной 532 нм, потому что он доступен в высоких мощностях, хорошем качестве пучка и хорошей плазмонной поглощённостью целевых частиц.
    2. Уменьшите мощность лазера до <5 мВт. Используйте поляризатор, чтобы определить, ориентирована ли поляризация вертикально. Если нет, поверните лазер или вставку и поверните высокомощную полуволновую пластину для обеспечения вертикальной поляризации. Используйте кинематический лучевой лифт (рисунок 4A, правая сторона) и линейку, чтобы установить высоту луча на 23 ± 0,5 см (эта высота произвольна, но оказалась удобной). Измерьте высоту балки на расстоянии 10 см от лифта и 40 см. Убедитесь, что оба этих измерения показывают высоту 23 см.
      ПРИМЕЧАНИЕ: AOM работает с использованием двустороннего акусто-оптического взаимодействия с медленным сдвигом режима в диоксиде теллура (TeO₂), что требует горизонтальной поляризации входного пучка. Дифрагированный пучок возникает с вертикальной поляризацией из-за двупреломляющей природы взаимодействия. Поскольку первый AOM физически повернут на 90° относительно глобальной системы координат, входной пучок должен быть вертикально поляризован по глобальным координатам, чтобы выровняться с осью внутренней горизонтальной поляризации AOM.
  2. Размещение объектива и реле
    1. Отрегулировать микроскоп на высоту пучка, направленным в направлении -z, на расстоянии более 100 см от выхода элеватора луча (рисунок 4A,B).
    2. Разместите линзу преобразования Фурье на расстоянии 10 см в направлении -z с выпуклой поверхностью, обращённой в направлении +z (рисунок 4C,D).
    3. Разместите оставшиеся три линзы преобразования Фурье на расстоянии 20 см друг от друга с чередующимися выпуклостью, как показано на рисунке 4E.
  3. Конфигурация AOM
    1. Позиционируйте AOM на расстоянии 10 см в направлении -z от линз, ближайших и дальше всего от лазера, как показано на рисунке 5,B.
    2. Убедитесь, что AOM1 ( ближайший к лазеру AOM) ориентирован вертикально.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этой версии для этой цели был создан индивидуальный 3D-печатный держатель. ПовернутьAOM 1 примерно на 2° в сторону оптической оси, как показано (рисунок 5A).
    3. Разместите AOM2 на расстоянии 10 см от объектива, который находится дальше всего от лазера. Этот AOM будет ориентирован горизонтально (рисунок 5B). ПовернитеAOM 2 примерно на 2° от оптической оси, как показано (рисунок 5B).
    4. Включите лазер на низкой мощности (например, <5 мВт).
    5. Для каждого канала AWG подключите генератор с управлением напряжением (VCO), усилитель и один AOM (рисунок 5C). Сначала подключите усилители к AOM, как показано на рисунке 5D, E.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Важно убедиться, что усилители подключены к нагрузке до их включения. Усилители и VCO питаются 12 В постоянного тока и могут быть подключены к общему источнику 12 В с помощью банановых клипс, как показано на рисунке 5F.
  4. Оптимизация AOM
    1. Разместите диафрагму в системе, как показано на рисунке 6A.
    2. Используя AWG, переведите радиочастотный сигнал на оба AOM до значения 175 МГц (~5 В на VCO).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Теперь после AOM 1 будет двалуча и четыре послеAOM 2 (см. рисунок 6B).
    3. Уменьшите угол наклона AOM1 до нуля. Постепенно увеличивайте угол, пока луч первого порядка (верхний правый «проходящий луч», который появляется при взгляде в направлении -z, как показано на рисунке 6C) не станет наиболее ярким. AOM вернётся примерно к исходному углу наклона 2°.
    4. Уменьшите наклонAOM 2 до нуля. Постепенно увеличивайте угол, пока луч первого порядка не станет максимально ярким. AOM вернётся примерно к исходному углу наклона 2°.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Средняя дифракционная эффективность (при мощности 1 Вт) составляла примерно 70% для каждого AOM. Общая оптическая эффективность системы составляла примерно 30%.
    5. Убедитесь, что оба луча, выходящие из первого AOM, входят во второй. Убедитесь, что из четырёх лучей, входящих во второй AOM, верхний правый луч выбран для прохождения через отверстие.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Отверстие должно быть достаточно маленьким, чтобы блокировать «блоковые лучи» и позволять «проходящему лучу» проходить даже при отклонении AOM (рисунок 6C,D).
    6. Разместите делитель луча, как показано на рисунке 6E, чтобы направить часть пучка на наблюдательную поверхность (рисунок 6E,F).
  5. Управление AWG
    1. При нулевых амплитудах AWG (или выходах AWG на «выключенный») полученный луч на наблюдательной поверхности будет выглядеть как точка (рисунок 7A,B).
    2. Установите вертикальный смещение канала на 3 В, амплитуду на 5 В и частоту на 4 кГц, чтобы увидеть вертикальную линию (рисунок 7C,D).
    3. Установите смещение горизонтального канала на 3 В, амплитуду на 5 В и частоту на 4 кГц, чтобы увидеть диагональную линию (рисунок 7E,F).
    4. Установите вертикальную частоту канала на 8 кГц и смещение фазы на 90°, чтобы увидеть узор Лиссажуса (рисунок 7G,H).
    5. Нажмите кнопку выравнивания фазы, чтобы преобразовать узор Лиссажуса в параболическую форму (рисунок 7I, J).
    6. Отрегулировать вертикальное смещение фазы канала для уточнения параболической формы (рисунок 7K,L).

3. Настройка системы визуализации

ПРИМЕЧАНИЕ: Система визуализации позволяет осуществлять осевой (то есть «лоб») обзор частиц с подсветкой сзади и профиль ловушки.

  1. Камера, фильтр и интерфейс
    ПРИМЕЧАНИЕ: Минимальная максимальная скорость камеры составляет 751 fps; однако фактическая скорость будет сильно варьироваться в зависимости от выбранного разрешения и системной задержки. В этих экспериментах фактическая скорость составляла примерно 500 кадров в секунду. Воспроизведение было наиболее полезным на скорости 1/100 или 5 кадров в секунду (при условии, что при захвате кадры не терялись).
    1. Разместите телецентрическую линзу на линейной ступени (движущейся вдоль оси z) с фокусным расстоянием 45 мм, 55 мм перед объективом (направление +z, рисунок 8A). Разместите дихроический фильтр, предназначенный для отражения света 532 нм (см. таблицу материалов), как показано на рисунке 8A,B.
    2. Подключите камеру через USB к ПК с соответствующим программным обеспечением для визуализации (см. Таблицу материалов для типа и бренда). См. Таблицу 2 для начальных настроек камеры).
    3. Немного наклоните дихроический фильтр (5-10°), пока не появится параболическая форма ловушки (рисунок 8C,D).
    4. Разместите камеру на линейном уровне (рисунок 8E) и отместите объектив назад, чтобы уточнить фокус изображения (рисунок 8F).
    5. Осветить делитель лучей с помощью источника оптоволокна (рисунок 8G).
    6. Настройте свет волокна так, чтобы его освещение было центрировано вокруг параболической ловушки (пример смещённого освещения на рисунке 8H и по центру на рисунке 8I).

4. Загрузка частиц и захват

  1. С помощью лабораторной лопатки поместите небольшое количество (~1 г) частиц внутрь стеклянного цилиндра длиной 25 мм и диаметром 12 мм, установленного для вращения вдоль оси цилиндра (рисунок 9A).
  2. Разместите загруженный стеклянный цилиндр по центру на расстоянии 15 мм (то есть рабочее расстояние объектива) от объектива (рисунок 9B).
  3. Поверните цилиндр (рисунок 9C), постучите по цилиндру и наблюдайте за дисплеем камеры. При нажатии пользователь может наблюдать следующие состояния: по умолчанию/нет захваченных частиц (рисунок 9D), падающие частицы (рисунок 9E) и частицы, застрявшие (рисунок 9F).

5. Отслеживание вычислений с помощью OpenCV

ПРИМЕЧАНИЕ: Отслеживание частиц и количественная оценка времени хранения проводились с помощью специализированной программы на базе OpenCV (OpenCV версии 4.6.0), разработанной на C++ и выполненной в Microsoft Visual Studio 2022.

  1. Программное обеспечение для установки
    1. Установите Visual Studio 2022 Community Edition (если пользователь это позволяет) в https://visualstudio.microsoft.com/downloads/. Установите настольную разработку с рабочей нагрузкой на C++ .
    2. Скачайте и установите OpenCV. https://github.com/opencv/opencv/releases. При установке обратите внимание на каталог установки.
    3. Скачайте и установите NI VISA. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html Для установки нужно создать аккаунт. При установке обратите внимание на каталог установки.
    4. Скачайте и установите версию Pylon 7.5.0.15658. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. При установке обратите внимание на каталог установки.
  2. Конфигурация программного обеспечения
    1. Откройте Visual Studio CE и создайте новый пустой проект.
    2. Добавьте main.cpp исходный файл и вставьте код из Дополнительного файла 1 ( main.cpp) в новый исходный файл.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Копируйте код в файлы, созданные Visual Studio, вместо импорта внешних файлов, чтобы избежать конфликтов со структурой проектных файлов Visual Studio.
    3. Перейдите в раздел Project > YourProjectNamehere.
    4. Измените конфигурацию на все конфигурации и замените платформу на x64.
    5. Изменить конфигурационные свойства > General > C++ LanguageStandard на стандарт ISO C++14.
    6. Изменить свойства конфигурации > C/C++ > General > Additional Include Directories так, чтобы в них были заголовки OpenCV. В этом исследовании они были установлены в C:\Program Files\opencv\build\include.
    7. В том же текстовом поле Additional Include Directories добавьте пути к обычным заголовкам пилонов и заголовкам примеров пилонов. В этом исследовании они были установлены в C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\ include и C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include соответственно.
    8. В том же текстовом поле Additional Include Directories добавьте обычные заголовки пилона и заголовки примеров пилонов. В этом исследовании они были установлены в C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include и C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include соответственно.
    9. В том же текстовом поле Additional Include Directories добавьте заголовки VISA. В этом исследовании они были установлены в C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include.
    10. Измените свойства конфигурации > Linker > General > Additional Library Directories так, чтобы в них была папка lib OpenCV. В этом исследовании они были установлены в C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib.
    11. В том же текстовом поле «Дополнительные каталоги библиотек » добавьте папку pylon lib. В этом исследовании они были установлены в C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64.
    12. В том же текстовом поле Дополнительные каталоги библиотек добавьте папку VISA lib. В этом исследовании они были установлены в C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc.
    13. Измените конфигурацию на отладку, затем установите Change Configuration Properties > Linker > Input > Additional Dependencies , чтобы включить и opencv_world460d.lib , и visa64.lib.
    14. Измените конфигурацию на Release, затем установите Change Configuration Properties > Linker > Input > Additional Dependencies, чтобы включить и opencv_world460.lib , так и visa64.lib.
  3. Программная калибровка
    1. Запустите Visual Studio 2022 и откройте пользовательский проект YourProjectNameHere.sln.
    2. Нажмите зелёную кнопку Run/Play . Появятся видеопоток и терминал (рисунок 10A).
    3. Убедитесь, что зеленая ловующая парабола видна. Если нет, регулируйте питание, фильтрацию и/или выравнивание по мере необходимости, пока область ловушки не станет видимой.
    4. Захватите экран, сначала нажав клавишу Windows + Shift + S , затем кликнув и перетащив указатель мыши из верхнего левого угла в нижний правый угол видеопотока (рисунок 10B). Утилита для захвата экрана сгенерирует всплывающее окно. Нажмите на это всплывающее окно, чтобы открыть редактор скриншотов. В этом редакторе есть кнопка для редактирования в MS Paint. Нажмите кнопку «Редактировать» в MS Paint .
    5. Разместите курсор в левом верхнем углу параболы, показанной в окне MS Paint. Запишите координаты, показанные в левом нижнем углу окна MS Paint (рисунок 10C). Координаты называются (xmin, ymin).
    6. Разместите курсор в правом нижнем углу параболы. Запишите координаты, показанные в левом нижнем углу окна MS Paint. Координаты называются (xmax, ymax).
    7. Закройте видеопоток, нажав клавишу Escape .
    8. Вводим xmin, xmax и ymin, ymax на строке 280 в функции is_trapped() main.cpp внутри проекта пользователя: например, Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      ПРИМЕЧАНИЕ: Первая функция Диапазона принимает xmin и xmax как параметры, а вторая функция Диапазона — как ymin и ymax. Это определит окно обнаружения частиц (рисунок 10D).
  4. Выбор частот
    1. Запустите Visual Studio 2022 и откройте проект пользователя, YourProjectNameHere.sln если не открыт.
    2. Откройте PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) или командную строку.
      Запуск: python -c "import random; print(random.sample(range(0,101),101))"
      Скопируйте сгенерированный список тестовых номеров.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Каждое сгенерируемое число представляет собой частоту. Математическое отображение от числа к частоте выглядит так:
      f(n) = 100 •10 0,03n Гц
      Домен: n∈{0,1,...,100}
      Диапазон: f(0) = 100 Гц до f(100) = 100 000 Гц (100 кГц)
      Ступени расположены в логарифмическом интервале. Этот сценарий включен в виде дополнительного файла 2 numbershuffler.py для удобства читателя.
    3. Редактировать строку 443 main.cpp года, скопировав сгенерированный список чисел в последовательность тестовых чисел: например,
      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. Спаси проект.
  5. Проведение эксперимента
    1. Приготовьте лазер. Дайте лазеру завершить разминку, если это необходимо. Откройте лазерный затвор и увеличьте мощность до уровня цели. В данном случае это было примерно 8 Вт.
    2. Открытый YourProjectNameHere.sln в Visual Studio.
    3. Убедитесь, что камера подключена к ПК через USB.
    4. Убедитесь, что AWG подключён через USB к ПК.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для AWG, указанного в Таблице материалов, правильным USB-портом для управления VISA является USB-B-порт, расположенный сзади прибора (рисунок 11A).
    5. Убедитесь, что усилители завершены на AOM. Включите блоки питания VCO.
    6. Включите белую лампу и отрегулируйте её, чтобы равномерно освещать параболу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Код будет обнаруживать тени тёмных частиц, отмечать успешные ловушки и засчитывать их длительность. Результаты автоматически экспортируются в текстовый файл.
    7. Нажмите кнопку Run/ Play в Visual Studio, чтобы запустить проект. Появится видеопоток.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если программа вылетает, попробуйте переключаться между конфигурациями Debug и Release (см. рекомендации Microsoft: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
    8. Регулируйте наклон фильтра с вырезами, пока лазер на полной мощности (≈8 Вт) не станет едва виден.
    9. Постучите по стеклянной трубке и наблюдайте, как падают частицы. В случае частиц стекла с углеродом частицы выглядят как чёрные круги, быстро падающие в поле зрения камеры. Продолжай постукивать. Программа начнётся с первой частоты указанной последовательности частот. После того как он зафиксирует 10 ловушек любого времени (включая частицы, проходящие только через зону обнаружения), он переходит к следующей частоте в последовательности. Если количество частиц, падающих при нажатии, уменьшается, поверните стеклянную трубку на 180° и продолжите постукивание. После тестирования всех частот программа завершается, и пользователь может прекратить нажатие.
  6. Визуализация данных
    1. Откройте results.txt файл (дополнительный файл 3) в текстовом редакторе. В этом исследовании файл находился по адресу C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt. Каждый раз при запуске программы появляются новые результаты под заголовком «Начало новой партии результатов» в формате <номер теста> результат: <время ловли в ns>.
    2. Используйте Find and Replace для замены всех экземпляров «result:» на запятую (,). Удалить все данные, не связанные с текущим запуском. Используйте Save A , чтобы сохранить очищенный файл как results.csv.
    3. Откройте results.csv в таблице. Скопируйте номера тестов и время ловушки из .csv файла в таблицу example.xlsx (Дополнительный файл 4). Вставьте номера тестов в первую колонку. Второй столбец автоматически заполняется соответствующей частотой записи в Гц, рассчитанной из тестовых номеров. Вставьте данные времени ловушки в третий столбец. Дополнительные столбцы автоматически заполняются при применении фильтров, таких как фильтры с минимальным временем. Затем появится график рассеяния, отображающий точки данных, отражающие время ловушки по сравнению с частотой затяжки (рисунок 11B).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Файл STL для держателя AOM для 3D-печати, используемого для монтажа AOM1 , показан в дополнительном файле 5.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Результаты для микросфер с углеродным покрытием

Микросферы с углеродной покрытостью обеспечивают наиболее удобные для захвата частиц из двух типов частиц, рассмотренных в данной статье (то есть микросферы с углеродным покрытием и частицы твёрдого золота). Микросферы, покрытые углеродом, образуют тёмные тени при подсветке, как показано на рисунке 9E,F.  Это делает их идеальными для проверки настрой...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Успешная реализация этой техники захвата зависит от точной модуляции частот AOM и правильного выравнивания оптических компонентов. Одним из важнейших шагов является обеспечение того, чтобы сканирующий лазерный луч генерировал хорошо сформированный параболический потенциал.  Хотя более короткие фокусные расстояния и большие числовые диафрагмы обычно улучшают жёсткость и удержание ловушки, удобство объектива на большое рабочее расстояние для загрузки частиц и наблюдения перевешивает эти пр...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом по гранту No 2234534.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric LensEdmund Optics63-745Используется для изображения заключенных частиц; телецентрическая линза; помечен как 'i' на Рисунке 3
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex LensThorlabsLA1050-AИспользуется для коллимации луча и суперпозиции (рассмотрено выравнивание); релейная оптика; помечен как 'b' на Рисунке 3
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231BoliOpticsMT05073231преобразования Фурье выхода AOM; объектив; помечен как 'g' на Рисунке 3
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck IlluminatorAmscopeLED-6WИспользуется для улучшения контраста изображения; источник белого света; помечен как 'f' на Рисунке 3
AO deflector, part number 97-02799-01Gooch & Housego4120-2Акусто-оптические модуляторы (AOM), сканирование в направлении Y; Y-AOM; помечен как 'a' на Рисунке 3
AO deflector, part number 97-02799-01Gooch & Housego4120-2AOM, используемый для сканирования луча в направлении X; X-AOM; помечен как 'c' на Рисунке 3
Basler ace acA640-750uc USB3, ColorEdmund Optics33975Используется для обнаружения частиц; камера; помечен как 'j' на Рисунке 3
Computer Running Windows 11Delln/aОборудован программным обеспечением для сбора данных и изображений
CW laser (532 nm, up to 10 W)CoherentVerdi V10Лазерное освещение; лазерный источник
Disposable Culture TubesFisher14-961-26вращающаяся камера для частиц; камера частиц; помечен как 'h' на Рисунке 3
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cutFisherbrand14-961-2620L × 12D мм, используется для стабилизации потока воздуха
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'Kremer#59910Используется для сравнительных испытаний
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)ASI162-0010Твердые золотые частицы
model number TB-17Minicircuits15542Используется для усиливания сигнала к AOM; РЧ усилитель; помечен как 'm' на Рисунке 3
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 PostThorlabsID25Используется для пространственной фильтрации дифракционных порядков; диафрагма; помечен как 'd' на Рисунке 3
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mmThorlabsBSW26используется для введения белого света вдоль оптической оси для обратного освещения частиц; разделитель лучей; помечен как 'e' на Рисунке 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, используется для управления AOM; Генератор произвольных форм волн; помечен как 'k' на Рисунке 3
ZOS-150+ MinicircuitsM110171Используется для настройки частоты AOM; Напряжением управляемые колебательные генераторы (VCO); помечен как 'l' на Рисунке 3

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи