Безопасные эксперименты в оптических левитация заряженных капель, с использованием удаленной лаборатории
January 10th, 2019
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.
Наш протокол может быть использован для визуализации многих фундаментальных физических концепций, таких как давление фотона или как заряженная частица движется в электрическом поле. Более того, все эти задачи можно выполнять удаленно. Основным преимуществом является то, что мы можем визуализировать физические явления голым глазом в качестве единственного детектора, либо непосредственно с помощью лазерных очков, либо на экране компьютера с помощью веб-камеры.
Экспериментальная система может, например, дать представление об атмосферных науках, исследуя корреляции между жидкими каплями или химическим составом капли с помощью Раманской спектроскопии. Протокол удаленного доступа применим к широкому кругу типов экспериментов. Основная экспериментальная проблема заключается в том, что мы используем мощные лазеры.
Поэтому необходимо применять строгие правила лазерной безопасности. Вся идея этого эксперимента заключается в визуализации концепций физики, которые обычно демонстрируются в эксперименте с черным ящиком или с помощью теоретических методов лечения. Эксперимент продемонстрируют Оскар Исакссон и Андреас Иоханссон.
Они оба делят свое время между преподаванием в местной средней школе и делать исследования, направленные на PH. D.Degree. В любое время, когда задействованы мощные лазеры, безопасность должна быть главным приоритетом. Эти лазеры обеспечивает два ватта видимого лазерного излучения.
Таким образом, весь персонал должен посещать курс лазерной безопасности. Начните с информирования всех в области лаборатории, что лазер будет включен. Затем включите лазерную предупреждая лампу внутри лаборатории.
Затем распоистить четыре светоутюкающих доски и убедитесь, что пространство между лазером и поглощающей платой свободно от препятствий. Кроме того, убедитесь, что пространство между ячейкой захвата и блоком луча свободно от объектов. Перед запуском лазера, а также удалить любые часы и металлические кольца, и поставить на надлежащей защиты глаз.
Теперь включите лабораторный компьютер и подождите, пока он будет готов к работе. Откройте папку удаленного запуска с рабочего стола и нажмите на значок Main1806. VI.Run программы, нажав стрелку в левом верхнем углу.
Под переменными EJS, отметьте флажок под названием Laser Remote Enable 2 Power и установите Laser Current от 2 до 25, чтобы лазерная мощность скользит вправо, заканчивается на уровне 25%Наблюдаем лазерный луч с помощью лазерных очков выравнивания, чтобы убедиться, что луч попадает в луч дома. Если нет, отрегулируйте положение пучка дома. Далее, проверьте Drops2 в программе VI.Then, отрегулируйте этап перевода, повернув винты на его базе, чтобы переместить кончик дозатора капель до тех пор, пока капли не упадут в лазерный луч.
Вернуться в программное обеспечение, поднять мощность лазера примерно до 66% с помощью лазерного тока 2 входного поля для ловушки капли. Как только капля в ловушке, беспрепятственно Drops2. После определения размера и полярности капли, следуя текстовому протоколу, определите заряд капли, умножая ее известный размер с его плотностью.
Затем установите E-Field DC Control 2 до нуля и оцените и обратите внимание на среднее значение для положения капли по PSD Normalized Position Trace в диаграмме Waveform. Рассчитайте значение мощности лазера, данное как F-Read 1 в Equation 2. Теперь установите E-Field DC Control 2 между 1 и 5 Вольт или 1 и 5 Вольт, так что падение движется вверх.
Капля в настоящее время на новой позиции. Медленно уменьшите мощность лазера до тех пор, пока капля не вернется в исходное положение. Запишите новую лазерную мощность как F-Read 2.
Чтобы получить доступ к удаленной лаборатории, откройте веб-страницу Unilab в веб-браузере. После подключения выберите нужный язык в первом пункте меню под заголовком. Затем войдите в систему, используя следующие данные.
В области курса, рядом с бревном в области, слева нажмите на логотип Гетеборгского университета. Затем нажмите на оптическую левитацию, чтобы получить доступ к материалам этого эксперимента. Получите доступ к удаленной лаборатории, нажав на удаленную лабораторию оптической левитации.
После этого убедитесь, что мэйнфрейм веб-страницы выглядит так и показывает пользовательский интерфейс удаленной лаборатории. Затем нажмите на кнопку Connect. Если подключение будет успешным, текст кнопки изменится на Connected.
Далее нажмите на отслеживание капель и убедитесь, что данные PSD в настоящее время получены. Затем нажмите на General View, чтобы определить все элементы настройки: лазер, дозатор капель, ячейку захвата и PSD. Чтобы поймать капельу, сначала нажмите на кнопку Trapping капли, чтобы визуализировать пипетки и капли дозатор сопла.
Затем нажмите на кнопку «Включить лазер», чтобы установить соединение с лазером. Отсюда установите лазерную мощность вокруг первой четверти контрольной полосы, которая расположена под кнопкой "Включить лазер". Подождите, пока не будет виден зеленый свет.
Если лазер правильно выровнен, то тонкий зеленый свет луча будет увиден. В случае неправильного выравнивания, пожалуйста, свяжитесь со службами технического обслуживания, как описано в протоколе. Как только лазер выровнен, увеличьте его мощность до трех четверти бара.
Затем нажмите на кнопку «Пуск капли», чтобы включить дозатор капель. Смотреть изображение веб-камеры и ждать, пока вспышка производится. В этот момент капля была захвачена.
Проверьте изображение веб-камеры снова и убедитесь, что капля левитирует в центре ячейки захвата. Затем нажмите кнопку Стоп капли, чтобы выключить дозатор капель. Чтобы определить размер капли, нажмите на капли размеров и следуйте процедуре в разделе 8 сопроводительного текстового протокола.
Чтобы определить заряд для захваченной капли, сначала нажмите на представление капель отслеживания. Затем выберите меню электрического поля и установите поле DC Electric до нуля с числовой областью DC Voltage. Используя диаграмму, оцените и обратите внимание на среднее значение положения капли, а также обратите внимание на мощность лазера.
Теперь установите поле DC Electric на значение между или 500 Вольт, чтобы сделать капельу изменить свое положение. Как только положение меняется, изменить мощность лазера с ползунок, пока капля возвращается в исходное положение и записать новое значение лазерной мощности. Наконец, используйте Equation 2 из сопроводительного текстового протокола для расчета заряда капли.
Здесь показана пойманная в ловушку капля левитирующего. Можно увидеть одну из капель левитирующих внутри клетки установки. Зеленый цвет из-за лазера и вид двух точек, а не одна, из-за отражения капли на стекле клетки.
В этом случае верхняя точка является отражением, а нижняя - каплей. Самое главное при попытке поймать это иметь терпение. Предполагается, что капля размером с микрометр приземлится в луче света чуть шире, чем сама капля.
Для того, чтобы получить более точное значение для заряда, можно использовать цикл управления. При применении электрического поля, петля управления изменит мощность лазера до тех пор, пока капля не вернется в исходное положение. Дальнейшие разработки этой экспериментальной установки заключается в изучении капель столкновения с высокоскоростными камерами, а также исследовать, как капля ведет себя в высокой вакуумной камере.
В этом эксперименте используется лазер класса 4. Важно принять все меры безопасности для защиты персонала в лаборатории и окружающей среды.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
В данной статье представлена дистанционно управляемая система оптической левитации, которая позволяет левитации объектов диэлектрика размером в микрометры с использованием лазерного света. Система разработана как для образовательных, так и для исследовательских целей, обеспечивая визуализацию фундаментальных физических концепций.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Оптическая левитация
- Фотонное давление
- Дистанционный эксперимент
Фон
- Оптическая левитация использует лазерный свет для манипуляции мелкими частицами.
- Система может управляться дистанционно с помощью компьютеров и автоматизации.
- Она предоставляет уникальную возможность визуализации физических явлений.
- Применения включают атмосферные науки и химический анализ.
Цель исследования
- Демонстрация принципов оптической левитации.
- Обеспечение дистанционного доступа к экспериментальным установкам.
- Визуализация физических концепций с минимальным оборудованием.
Используемые методы
- Использование высокомощных лазеров для левитации.
- Дистанционное управление через компьютерные системы.
- Визуализация через лазерные очки или веб-камеры.
- Исследование поведения жидких капель с использованием Раман-спектроскопии.
Основные результаты
- Успешная левитация объектов диэлектрика размером в микрометры.
- Визуализация эффектов фотонного давления.
- Дистанционный доступ позволяет разнообразные экспериментальные применения.
- Понимание атмосферных наук и химии капель.
Выводы
- Система оптической левитации эффективна для образовательных и исследовательских целей.
- Дистанционный эксперимент улучшает доступность и вовлеченность.
- Визуализация физических явлений может быть достигнута с помощью простых методов обнаружения.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Remote optical levitation of charged droplets enables direct visualization and quantitative measurement of fundamental physical processes relevant to biopharma R&D, such as photon pressure and charged particle dynamics. This system supports hypothesis-driven experimentation in a controlled, reproducible environment, facilitating mechanistic de-risking and target validation in early discovery. The remote lab infrastructure also addresses operational safety and resource constraints, expanding access to advanced physical measurement workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of charged particle motion under controlled electric fields for mechanistic insight.
- Supports functional validation of physical hypotheses relevant to particle-based delivery or detection systems.
- Provides a platform for predictive confidence in physical parameter measurement and system behavior.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation and manipulation of validated droplet systems for downstream analytical workflows.
- Enables reproducible, quantitative measurement of droplet size and charge using optical and electrical readouts.
- Supports standardization and scalability through remote, software-controlled operation and data capture.
Translational & Preclinical Research
- Offers potential for alignment with atmospheric or aerosol-based preclinical models where droplet behavior is relevant.
- Provides continuity from physical measurement to translational research in particle-based systems.
- Enables risk-adjusted advancement by clarifying physical mechanisms underlying droplet manipulation.
Pipeline & Workflow Integration
This remote optical levitation platform integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, quantitative measurement, and reproducible manipulation of charged droplets.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on photon pressure and electric field effects on microdroplets.
- Screening: Delivers quantitative outputs for droplet size and charge, supporting assay readiness.
- Analytics: Provides real-time position and power readouts for comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects physical droplet behavior to broader preclinical or environmental models when relevant.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, remotely accessible platform for physical measurement and training.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in physical system studies.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and safe remote access to high-risk instrumentation.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust early-stage measurements.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of particle-based or physical measurement projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical physics, laser safety, and remote instrumentation control.
- Demands access to high-powered lasers, droplet dispensers, and real-time data acquisition systems.
- Necessitates strict adherence to safety protocols and cross-team standardization for remote operation.
- May require adaptation for different droplet types or environmental conditions depending on application.
- Operational limitations include alignment sensitivity and the need for robust remote connectivity.
