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Engineering

ढांकता हुआ microparticles की ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है हवा में

Published: February 5, 2017 doi: 10.3791/54862
Automatic Translation
1, 1
1Physical Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology

Introduction

Ashkin त्वरण और 1970 के 1 उनके उपन्यास उपलब्धि में विकिरण के दबाव से microparticles की फँसाने की सूचना दी भौतिकी और बायोफिज़िक्स के मौलिक अध्ययन के लिए एक प्राथमिक साधन के रूप में ऑप्टिकल फँसाने तकनीकों के विकास को बढ़ावा दिया। 2, 3, 4, 5 तिथि करने के लिए, ऑप्टिकल फँसाने के आवेदन तरल वातावरण पर मुख्य रूप से ध्यान केंद्रित किया है, और एकल biomolecules के यांत्रिक गुणों के कोलाइड के व्यवहार से, सिस्टम का एक बहुत विस्तृत श्रृंखला का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया। 6, 7, गैसीय मीडिया के लिए ऑप्टिकल फँसाने के 8 आवेदन, हालांकि, कई नए तकनीकी मुद्दों को हल करने की आवश्यकता है।

हाल ही में, हवा / निर्वात में ऑप्टिकल फँसाने तेजी से मौलिक अनुसंधान के क्षेत्र में लागू किया गया है। ऑप्टिकल लेवी के बादtation संभावित आसपास के वातावरण से एक प्रणाली के लगभग पूर्ण अलगाव प्रदान करता है, ऑप्टिकली उत्तोलित कण, 4 मापने उच्च आवृत्ति गुरुत्वाकर्षण लहरों, 9 छोटी वस्तुओं में क्वांटम जमीन राज्यों का अध्ययन और आंशिक प्रभारी के लिए खोज के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला बन जाता है। 10 इसके अलावा, एयर / वैक्यूम की चिपचिपाहट कम एक एक ब्राउनियन कण 11 की तात्कालिक वेग को मापने के लिए जड़ता का उपयोग करने के लिए और रैखिक वसंत की तरह शासन से परे गति की एक विस्तृत श्रृंखला पर बैलिस्टिक प्रस्ताव बनाने के लिए अनुमति देता है। 12 इसलिए, विस्तृत तकनीकी जानकारी और गैसीय मीडिया में ऑप्टिकल जाल के लिए प्रथाओं व्यापक अनुसंधान समुदाय के लिए और अधिक मूल्यवान बन गए हैं।

नया प्रयोगात्मक तकनीक गैसीय मीडिया में ऑप्टिकल जाल में नैनो / microparticles लोड करने के लिए आवश्यक हैं। एक piezoelectric transducer (PZT), एक युक्ति है कि electr धर्मान्तरितmechano ध्वनिक ऊर्जा में आईसी ऊर्जा, ऑप्टिकल उत्तोलन का पहला प्रदर्शन के बाद से हवा / वैक्यूम 5, 12 में ऑप्टिकल जाल में छोटे कणों वितरित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। 1 तब से कई लोडिंग तकनीक एक वाणिज्यिक छिटकानेवाला 13 या एक ध्वनिक लहर जनरेटर द्वारा उत्पन्न अस्थिर एयरोसौल्ज़ का उपयोग कर छोटे कणों लोड करने के लिए प्रस्तावित किया गया है। 14 ठोस समावेशन (कण) के साथ चल एयरोसौल्ज़ बेतरतीब ढंग से फोकस के पास से गुजरती हैं और संयोग से फंस रहे हैं। एक बार एयरोसोल फंस गया है, विलायक बाहर evaporates और कण ऑप्टिकल जाल में रहता है। हालांकि, इन तरीकों में अच्छी तरह से, एक नमूना भीतर से वांछित कणों की पहचान एक चयनित कण लोड और यदि जाल से जारी अपने परिवर्तनों को ट्रैक करने के लिए उपयुक्त नहीं हैं। इस प्रोटोकॉल हवा में चयनात्मक ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है, प्रयोग शामिल है, पर नए चिकित्सकों को जानकारी प्रदान करने का इरादा हैअल सेटअप, एक PZT धारक और नमूना बाड़े, जाल लोड हो रहा है, और डाटा अधिग्रहण दोनों आवृत्ति और समय डोमेन में कण गति के विश्लेषण के साथ जुड़े का निर्माण। तरल मीडिया में फँसाने के लिए प्रोटोकॉल भी प्रकाशित किया गया है। 15, 16

समग्र प्रयोगात्मक सेटअप एक वाणिज्यिक औंधा ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप पर विकसित की है। आराम कर microparticles मुक्त कराने, ध्यान केंद्रित बीम के साथ चुना कण उठाने, इसकी गति को मापने के लिए, और यह सब्सट्रेट पर फिर रखकर: चित्रा 1 चयनात्मक ऑप्टिकल जाल लोडिंग के कदम को प्रदर्शित करने के लिए इस्तेमाल की स्थापना के एक योजनाबद्ध आरेख दिखाता है। (लगभग अवरक्त को सही प्रथम, ट्रांसलेशनल चरणों (अनुप्रस्थ और ऊर्ध्वाधर) एक फँसाने लेजर (तरंग दैर्ध्य 1064 एनएम) एक उद्देश्य लेंस से ध्यान केंद्रित का ध्यान केंद्रित करने के लिए सब्सट्रेट पर एक चयनित microparticle लाने के लिए उपयोग किया जाता है लंबे समय तक काम दूरी उद्देश्य: NA 0.4, बढ़ाई 20X, काम घपारदर्शी सब्सट्रेट के माध्यम से 20 मिमी) सहायता। फिर, एक पीजोइलेक्ट्रिक लांचर (एक यंत्रवत् पूर्व लोड रिंग प्रकार PZT) microparticles और एक सब्सट्रेट के बीच आसंजन तोड़ने के लिए अल्ट्रासोनिक कंपन उत्पन्न करता है। इस प्रकार, किसी को मुक्त कण एकल बीम ढाल लेजर से चयनित कण पर ध्यान केंद्रित जाल द्वारा उठाया जा सकता है। एक बार जब कण फंस गया है, यह नमूना इलेक्ट्रोस्टैटिक उत्तेजना के लिए दो समानांतर आयोजन प्लेटों युक्त बाड़े के केंद्र के लिए अनुवाद किया है। अंत में, एक डाटा अधिग्रहण (DAQ) प्रणाली एक साथ कण गति, एक चतुर्थ भाग-सेल photodetector (QPD) ने कब्जा कर लिया है, और बिजली के क्षेत्र में लागू किया रिकॉर्ड। माप खत्म करने के बाद, कण controllably सब्सट्रेट इतना है कि यह एक प्रतिवर्ती तरीके से फिर से फंस जा सकता है पर रखा गया है। इस समग्र प्रक्रिया कई फँसाने चक्र पर होने वाली इस तरह के संपर्क विद्युतीकरण के रूप में परिवर्तन को मापने के लिए कण बिना किसी नुकसान के सैकड़ों बार दोहराया जा सकता है। हमारे हाल के एक लेख च को देखेंया विवरण। 12

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Protocol

सावधानी: कृपया प्रयोग से पहले सभी प्रासंगिक सुरक्षा कार्यक्रमों से परामर्श करें। सभी प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं इस प्रोटोकॉल में वर्णित NIST लेजर सुरक्षा कार्यक्रम के साथ ही अन्य लागू नियमों के अनुसार में प्रदर्शन कर रहे हैं। कृपया चुनें और उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) पहनने ऐसी लेजर सुरक्षा के विशेष तरंगदैर्ध्य और सत्ता के लिए डिज़ाइन किया गया चश्मे के रूप में करने के लिए सुनिश्चित हो। हैंडलिंग सूखी नैनो / microparticles अतिरिक्त सांस की सुरक्षा की आवश्यकता हो सकती है।

1. डिजाइन और एक PZT धारक का निर्माण और एक नमूना संलग्नक

  1. डिजाइन एक PZT धारक और एक नमूना बाड़े
    ध्यान दें: विशेष रूप से डिजाइन मूल्यों को एक PZT के चयन के आधार पर बदलती हैं।
    1. कंप्यूटर एडेड डिजाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर पैकेज खोलें। एक दिया PZT आयाम के लिए एक धारक के एक दो आयामी (2 डी) स्केच ड्रा। हटा / हटा कट के संयोजन का उपयोग कर बड़ा सुविधाओं के लिए 2 डी स्केच का विकास करना।
    2. स्केच क्लिक करें,एक आयत आकर्षित करने और इसे बाहर निकालना एक आयताकार घन बनाने के लिए।
    3. घन के ऊपर की सतह पर एक डिस्क स्केच को कवर किया और रिंग प्रकार PZT धारण करने के लिए एक चक्राकार अवकाश सुविधा परिभाषित करने के लिए।
    4. एक केंद्रीय छेद को परिभाषित दोनों वास्तविक समय इमेजिंग और फँसाने के लिए एक ऑप्टिकल उपयोग किया है।
    5. के रूप में चित्रा 2 में दिखाया गया एक एक फ्लैट धातु (तांबा) अंगूठी मध्य क्षेत्र की ओर अल्ट्रासोनिक शक्ति ध्यान केंद्रित करने में डालने के लिए केंद्रीय छेद के रिम के साथ एक परिपत्र गाइड को परिभाषित करें।
    6. के रूप में चित्रा -2 सी और 2 डी में दिखाया गया PZT धारक पर M6 शिकंजा के लिए दो छेद बोर, एक नीचे की थाली (खरीदी केंद्र में एक छेद के साथ, 4 मिमी मोटी नीचे एल्यूमिनियम प्लेट) के साथ इकट्ठा किया जा बनाएँ।
    7. एक समान तरीके में, नमूना बाड़े के एक आयताकार फ्रेम डिजाइन। स्केच क्लिक करें, और एक आयत आकर्षित, आयत बाहर निकालना यह एक आयताकार बॉक्स बनाने के लिए।
    8. rectangula के ऊपर की सतह पर एक छोटे आयत ड्राआर बॉक्स और आयत एक आयताकार ट्यूब के रूप में इसे बनाने के लिए बाहर निकालना कटौती।
    9. यह नमूना बाड़े बॉक्स के फ्रेम में परिणत करने के लिए ट्यूब और बाहर निकालना-कट की ओर दीवार पर एक छोटे आयत ड्रा।
    10. एक 3 डी प्रिंटिंग की प्रक्रिया के लिए एक स्टीरियोलिथोग्राफी (एसटीएल) फ़ाइल स्वरूप में इन तीन आयामी (3 डी) मॉडल बदलने (चित्रा 2 बी)।
  2. डिजाइन वस्तुओं के 3 डी मुद्रण
    1. 3 डी प्रिंटर ऑपरेटिंग सॉफ्टवेयर से डिजाइन फ़ाइल ( "-.STL") खोलें। वस्तु पर आपत्ति निर्धारित करना फ्लैट 0 / .और केंद्र (0, 0, 0) यह चयन करने के लिए वस्तु पर क्लिक करें और संरेखण कार्यों का उपयोग करके: "हटो", "मंच पर", और "केन्द्र"। PZT धारक ओरिएंट ऊपर की ओर नाजुक सुविधाओं का सामना करने के लिए। recessed सतह ऊपर की ओर सामना किया जाएगा।
    2. मेनू में "सेटिंग" और "गुणवत्ता" टैब पर जाएँ। निम्नलिखित के रूप में मुद्रण मूल्यों को निर्धारित Infill: 100%, गोले की संख्या: 2, और परत ऊंचाई: 0.2मिमी।
    3. कुल प्रिंट समय की जाँच करें और सुनिश्चित करें कि वांछित के रूप में बहुस्तरीय वस्तुओं मुद्रित किया जाएगा बनाने के लिए वस्तुओं का पूर्वावलोकन करें। एक ".x3g" प्रारूप में 3 डी प्रिंट फ़ाइल निर्यात और 3 डी प्रिंटर में उपयोग करने के लिए इसे बचाने के लिए।
    4. 3 डी प्रिंटर पर मुड़ें और यह गर्म जब तक बाहर निकालना नोक का तापमान एक ऑपरेटिंग तापमान तक पहुँच जाता है, 230 डिग्री सेल्सियस के एक मेमोरी कार्ड या नेटवर्क ड्राइव से डिजाइन फ़ाइल लोड।
    5. गर्म अप के दौरान मदद करने के लिए वस्तुओं को सुरक्षित रूप से पालन करना नीले चित्रकार टेप के साथ मंच का निर्माण जगह है। मुद्रण नौकरी के लिए एक थर्माप्लास्टिक सामग्री के रूप में, दोनों वस्तुओं के लिए एक polylactic एसिड (पीएलए) फिलामेंट का उपयोग करें।
    6. डिजाइन वस्तुओं प्रिंट। एक बार जब छपाई का काम समाप्त हो गया है, प्रिंटर बंद करने के बाद यह ठंडा हो गया।
    7. एक छेनी का उपयोग कर मंच से मुद्रित वस्तु को अलग करें। मुद्रित वस्तुओं को सीधा। अगर उन्मुखीकरण उचित रूप से चुना जाता है, PZT धारक सीधे आगे पोस्ट प्रसंस्करण के बिना इस्तेमाल किया जा सकता है।
    8. एफओआर नमूना बाड़े, फ्रेम कवर करने के लिए इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) लेपित coverslips और तीन गिलास coverslips की एक जोड़ी तैयार करते हैं। एक हीरे कटर का उपयोग करने के लिए बाड़े coverslip फिट करने के लिए।
    9. तार दो समानांतर आयोजित एक तेजी से सूखने चांदी के रंग का उपयोग कर प्लेटों दो प्लेटें भर में वोल्टेज की आपूर्ति करने के लिए। एक पल चिपकने वाला गोंद का उपयोग नमूना बाड़े पर इन पांच खिड़कियों गोंद।
      नोट: आईटीओ लेपित coverslips की एक जोड़ी समानांतर में नमूना बाड़े पर स्थापित कर रहे हैं (एक-दूसरे का सामना करना पड़) वर्दी बिजली के क्षेत्र में प्रदान करने के लिए और बिजली के क्षेत्र के साथ स्वाभाविक रूप से आवेशित कण की बैलिस्टिक गति उत्पन्न करने के लिए। तीन पारंपरिक coverslip हवा के बाह्य प्रवाह से फंस कण की रक्षा के लिए नमूना बाड़े सतहों (ऊपर और दो अन्य पक्षों) के बाकी को कवर

2. चयनित किसी microparticle की ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है

  1. नमूना तैयार करना
    1. एक में microparticles स्टोरखाली करा लिया desiccator प्रयोग से पहले हवा में नमी के साथ संपर्क कम करने के लिए।
    2. एक गिलास स्लाइड पर microparticles का एक छोटा सा हिस्सा बाहर डालो और तुरंत निर्माण की बोतल desiccator में वापस डाल दिया।
    3. एक गिलास केशिका ट्यूब के साथ microparticles के कुछ उठाओ। धीरे केशिका पर दोहन coverslip पर केशिका जबकि पकड़े द्वारा सब्सट्रेट पर कणों तितर बितर।
    4. सब्सट्रेट एक अंधेरे क्षेत्र माइक्रोस्कोप का उपयोग करने पर मात्रा और जमा कणों के वितरण का सत्यापन करें।
      नोट: नमूना तैयार करने चरण में, कण सिर्फ एक coverslip पर बिखरे हुए हैं और एक ऑप्टिकल उन्हें डालने से पहले समग्र व्यवस्था को सत्यापित करने के PZT और PZT धारक के बीच (बिखरे हुए microparticles के साथ एक coverslip) माइक्रोस्कोप के साथ imaged है। चूंकि सतह आसंजन काफी मजबूत सब्सट्रेट पर अलग-अलग microparticles पकड़ है, पालन कणों मजबूती से तय कर रहे हैं, जब तक कि महत्वपूर्ण बाहरी बल लागू किया जाता है।
    5. Piezoelectric लांचर विधानसभा
      1. फ्लैट नीचे की थाली, फिल्म, PZT, गिलास coverslip, एक तांबे की अंगूठी, PZT धारक, दो M6 शिकंजा, और नमूना बाड़े इन्सुलेट: पीजोइलेक्ट्रिक लांचर के सभी घटकों को प्राप्त करते हैं।
      2. नीचे की थाली पर एक पतली फिल्म (या टेप) लागू PZT बचाने के लिए। गिलास coverslip ढेर के शीर्ष आइसोलेट्स।
      3. फ्लैट प्लेट अब टेप के साथ अछूता के शीर्ष पर PZT, coverslip, तांबे की अंगूठी, और PZT धारक द्वारा पीछा किया केंद्रित करके ढेर इकट्ठा करो। ढेर को एक साथ PZT के एकत्रित बनाए रखने धारक को PZT shorting यदि धारक के रूप में चित्रा -2 सी और 2 डी में दिखाया आयोजन होता है से बचने के लिए भाड़ में। तांबे की अंगूठी प्लास्टिक PZT धारकों के लिए ढेर पर एक समान रूप से वितरित यांत्रिक प्रीलोड प्रदान करता है।
      4. अंत में, ढेर पर नमूना बाड़े गोंद और माइक्रोस्कोप में एक XYZ translational मंच पर विधानसभा माउंट।
    6. PZT लांचर का विन्यास
      नोट: एक उच्च वोल्टेज संकेत के साथ PZT ड्राइविंग संभावित बिजली के खतरों है। प्रयोग से पहले सुरक्षा कर्मियों के साथ परामर्श करें। सभी बिजली के कनेक्शन प्रयोग से पहले सुरक्षित किया जाना चाहिए। एम्पलीफायर बंद करें और डिस्कनेक्ट PZT जब भी संभव होता है।
      1. कनेक्ट PZT वोल्टेज एम्पलीफायर की ओर जाता है और वोल्टेज एम्पलीफायर का एक इनपुट बंदरगाह के लिए समारोह जनरेटर कनेक्ट।
      2. समारोह जनरेटर चालू करें और इसे विन्यस्त 1 वी के एक निर्गम वोल्टेज के साथ निरंतर वर्ग लहरें उत्पन्न करने के लिए वोल्टेज संकेत उत्पन्न नहीं है जब तक सभी कनेक्शन सत्यापित और सुरक्षित हैं।
      3. वोल्टेज एम्पलीफायर पर मुड़ें और उत्पादन को सक्षम करने से उत्पादन में वोल्टेज 1 वी के वर्ग तरंग उत्पन्न करते हैं।
      4. एक आस्टसीलस्कप के लिए एम्पलीफायर की निगरानी उत्पादन बंदरगाह (उत्पादन में वोल्टेज 200 वी) कनेक्ट करें। एम्पलीफायर कॉन्फ़िगर मोड़ से 200 वी / वी के लाभ के लिए हैसामने पैनल पर घुंडी लाभ। सत्यापित करें रूप में आस्टसीलस्कप द्वारा मापा निगरानी उत्पादन में वोल्टेज 1 वी के एक आयाम है।
      5. एक बार जब समारोह जनरेटर और एम्पलीफायर विन्यस्त कर रहे हैं, ड्राइविंग संकेत के मॉडुलन आवृत्ति स्कैनिंग जबकि वास्तविक समय वीडियो माइक्रोस्कोप छवियों कणों पालन द्वारा PZT लांचर के गुंजयमान आवृत्ति पाते हैं। स्कैनिंग दोहराएँ जब तक microparticle गति एक अधिकतम है। कणों जारी करने के लिए इस आवृत्ति (यहाँ 64 kHz) का प्रयोग करें।
        नोट: मॉडुलन आवृत्ति स्वयं (स्कैन) 150 किलोहर्ट्ज़ के लिए गुंजयमान आवृत्ति खोजने के लिए बदल जाता है शून्य से।
      6. समारोह जनरेटर कॉन्फ़िगर फट मोड में चक्र का एक निर्धारित संख्या के साथ एक वर्ग तरंग उत्पन्न करने के लिए। सामने पैनल पर "फट" बटन दबाएँ और "एन साइकिल फट"।
      7. "# साइकिल" नरम कुंजी दबाने से फट गिनती चुनते हैं और 10 या 20 के लिए गिनती की स्थापना की।
      8. वर्ग तरंग कॉन्फ़िगर साथ वोल्टेज संकेतों को उत्पन्न करने के लिए600 वी के एक आयाम पिछले चरण से पाया गया है जो 64 किलोहर्ट्ज़ के गुंजयमान आवृत्ति पर (तीन बार निरंतर उत्तेजना के लिए इस्तेमाल किया वोल्टेज)। सत्यापित करें कि स्पंदन संकेत कणों प्रत्येक नाड़ी के बाद कदम सुनिश्चित करने के द्वारा एक repeatable ढंग से लक्ष्य कण विज्ञप्ति।
    7. चयनात्मक ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है
      नोट: PZT लांचर विधानसभा एक मैनुअल रैखिक अनुवाद XY मंच पर स्थापित है। कणों translational मंच ले जाकर निश्चित बीम ध्यान केंद्रित करने के लिए सापेक्ष अनुवाद किया जा सकता है।
      1. माइक्रोस्कोप बुर्ज (चित्रा 3 ए) घूर्णन द्वारा फँसाने बीम का ध्यान केंद्रित की पहचान करने के लिए लेजर लाइन फिल्टर निकालें। मोटर चालित ध्यान केंद्रित कर ब्लॉक के आगे और पीछे फोकस अनुकूलन करने के लिए दिखाई छवि का सबसे अच्छा फोकस चारों ओर खड़ी ले जाएँ।
      2. एक बार जब ध्यान की स्थिति सत्यापित है, फँसाने बीम से हस्तक्षेप के बिना एक स्पष्ट वास्तविक समय वीडियो देने के लिए वापस फिल्टर डाल दिया।
      3. पी के लिए नमूना अनुवादफँसाने लेजर का ध्यान केंद्रित स्थिति पर एक चयनित कण फीता। एक चयनित कण, जिसके बारे में एक आधे त्रिज्या से कण केंद्र के नीचे नाममात्र फँसाने स्थिति रखता है, जबकि कण ऊपर उत्तोलन स्थिति को छोड़ने के केंद्र छवि के कण पर ध्यान दें।
      4. बिजली ऑप्टिकल फँसाने सत्ता स्थापित करने के लिए इलेक्ट्रो ऑप्टिक न्यूनाधिक (EOM) ड्राइवर से जुड़े आपूर्ति को समायोजित करें। इष्टतम शक्ति कण आकार और सामग्री पर निर्भर करता है। ऑप्टिकल शक्ति दोहराया परीक्षणों के माध्यम से मिला था बिजली की किरण से यह बाहर खदेड़ना बिना कण उड़ जाना करने के लिए पर्याप्त निर्धारित करने के लिए। इधर, फंसाने के लिए 20 मीटर व्यास polystyrene (पी एस) कणों उद्देश्य के पीछे फोकल हवाई जहाज़ पर 140 मेगावाट की एक ऑप्टिकल शक्ति का उपयोग करें।
      5. बाद चयनित कण के केंद्र गठबंधन किया है, कई दालों के साथ पीजोइलेक्ट्रिक लांचर उकसाना। एक चलती धुंधली छवि के लिए एक स्थिर छवि को ध्यान से कण छवि के परिवर्तन लेव को सफल लोड हो रहा है इंगित करता हैitation स्थिति।
      6. उद्देश्य लेंस संभव सतह बातचीत को रोकने के लिए ऊपर ले जाकर सब्सट्रेट के ऊपर एक मिलीमीटर के बारे में उत्तोलित कण अनुवाद खड़ी। तब उत्तोलित कण (चित्रा 3 बी) नाममात्र फँसाने स्थिति (चित्रा -3 सी) में संक्रमण के लिए जो और अधिक स्थिर है ऑप्टिकल शक्ति को कम।
        नोट: फँसाने लेजर के ऑप्टिकल शक्ति एक इलेक्ट्रो ऑप्टिक न्यूनाधिक (EOM) द्वारा ठीक किया जा सकता है। EOM एक पूर्वाग्रह वोल्टेज एक डिजिटल बिजली की आपूर्ति के माध्यम से आपूर्ति के साथ बिजली उत्पादन को नियंत्रित करता है। एक सीसीडी के माध्यम से स्थिति को फँसाने, जबकि धीरे-धीरे ऑप्टिकल शक्ति कम कर देता है उत्तोलन से संक्रमण का निरीक्षण कर सकते हैं।
      7. स्थिति माप के लिए, 3 डी के लिए चित्रा -3 सी में दिखाया गया के रूप में, ध्यान से PZT धारक के केंद्र ऑप्टिकल अक्ष के लिए ले जाने और उसके बाद उद्देश्य लेंस को स्थानांतरित (खड़ी) (ऊपर 9 मिमी नमूना बाड़े के बीच में कण अनुवाद करने के लिए substrखाया) जहां हाशिये पर बिजली के क्षेत्र में कम से कम है।
      8. माप के रूप में नीचे वर्णित प्रदर्शन के बाद, जब तक कण सब्सट्रेट से छू नीचे उद्देश्य को ले जाकर सब्सट्रेट पर कण जगह है। चूंकि कणों की सबसे कोनों के पास आवेदन कर रहे हैं, फंस कण आसानी से पहचाना जा सकता है और फिर से फंस जब यह मध्य क्षेत्र में रखा गया है। यह प्रतिवर्ती जाल लोड हो रहा है ऐसे कण और सब्सट्रेट के संपर्क बातचीत के रूप में एक भी फँसाने घटना से परे होने वाली परिवर्तन को मापने के लिए सक्षम बनाता है।

    3. डाटा अधिग्रहण

    1. कंडेनसर और ध्यान केंद्रित लेंस के जाल में एक कण के साथ QPD "राशि" संकेत अधिकतम करने के लिए संरेखित करें।
    2. ध्यान केंद्रित लेंस नाममात्र QPD की एक्स और वाई चैनलों शून्य करने के लिए, के रूप में चित्रा 4C में दिखाया गया है संरेखित करें।
    3. कंडेनसर के समायोजन और जब तक फूरियर तब्दील स्थिति संकेतों ध्यान केंद्रित लेंस (या सत्ता स्पेक्ट्रम घनत्व दोहराएँ (PSD) एक्स के भूखंडों) और वाई चैनलों संतुलित संवेदनशीलता दिखाने के लिए मिलाना। ठीक से गठबंधन QPD संकेतों (एक्स और वाई), लगभग समान व्यवहार दिखाने के रूप में चित्रा 4 बी में दिखाया गया है।
    4. एक बार जब QPD संरेखण सत्यापित है, दो आईटीओ प्लेटों के लिए वोल्टेज एम्पलीफायर कनेक्ट। DAQ प्रणाली के लिए एम्पलीफायर के उत्पादन वोल्टेज की निगरानी संकेत कनेक्ट कदम उत्तेजना संकेत और प्रेरित कण प्रक्षेपवक्र तुल्यकालिक रिकॉर्ड करने के लिए।
    5. 400 वी की एक सतत वर्ग तरंग की आपूर्ति एक बिजली के क्षेत्र (चित्रा 4D) के बारे में है कि 500 एनएम (चित्रा 4E) द्वारा ऑप्टिकल धुरी के transversely कण चालें उत्पन्न करते हैं। QPD का उपयोग कर फंस कण के कदम प्रतिक्रिया को मापने।
    6. आवश्यक के रूप में औसत कई अवधि ब्राउनियन गति के प्रभाव को कम करने के लिए। प्रेरित गति थर्मल उतार चढ़ाव की तुलना में गति की एक व्यापक रेंज पर ऑप्टिकल बल को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। 12,एफई "> 17 चित्रा 4D और 4e शो लागू वोल्टेज और कदम उत्तेजना के 50 पुनरावृत्तियों से अधिक प्रेरित कण प्रक्षेपवक्र के संकेतों औसत।

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Representative Results

PZT लांचर एक सीएडी सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग कर बनाया गया है। यहाँ, हम एक सरल संरचना सैंडविच preloading (एक PZT दो प्लेटों के साथ clamped) के लिए, के रूप में चित्रा 2 PZT धारक और नमूना बाड़े सामग्री और तरीकों की एक किस्म से गढ़े जा सकता है में दिखाया गया है का उपयोग करें। एक त्वरित प्रदर्शन के लिए, हम थर्माप्लास्टिक के साथ 3 डी मुद्रण के रूप में चित्रा 2 डी में सचित्र चुनें। निर्मित उपकरणों के आधार पर, ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है 3 चित्र में दिखाया गया है। चयनात्मक लोड करने के लिए, परिलक्षित फँसाने लेजर एक फिल्टर सीसीडी कैमरे की रक्षा के लिए है, जबकि दृश्य प्रकाश प्रतिबिंब में इमेजिंग के लिए फिल्टर गुजरता एक खुर्दबीन के बुर्ज पर स्थापित द्वारा प्रयोग के दौरान अवरुद्ध है के रूप में चित्रा 1 में सचित्र एक calibrated सीसीडी कैमरा भी मात्रात्मक की सुविधा कण व्यास और अतिरिक्त स्थिति का पता लगाने की माप की अनुमति देकर माप। लक्ष्य का व्यासकण द्रव्यमान जो प्राकृतिक आवृत्ति से जाल कठोरता पैदावार, नीचे के रूप में चर्चा की गणना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। सीसीडी कैमरे का उपयोग करके मापा प्रक्षेप पथ भी विस्थापन को मापने के लिए QPD वोल्टेज संकेत जांच करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। 12

एक बार जब कण फंस गया है, एक लाल लेजर से उज्ज्वल बिखरने के रूप में चित्रा 1 (इनसेट फोटोग्राफ) में दिखाया गया फंस कण, नग्न आंखों से मान्यता प्राप्त होने की अनुमति देता है। इसके अलावा, सब्सट्रेट की वास्तविक समय छवियों निर्धारित कर सकते हैं, तो कण के बाद से यह सब्सट्रेट (चित्रा 3) का पालन अन्य microparticles से एक अलग ऊंचाई (फोकस) पर है में फंस गया है। एक फँसाने की स्थिति और एक उत्तोलन स्थिति: microparticles दो पदों में फंस जा सकता है। फँसाने की स्थिति में, ऑप्टिकल बलों सभी दिशाओं में कण स्थिर। इसके विपरीत, उत्तोलन स्थिति में कण केवल transvers स्थिर हैऑप्टिकल बलों द्वारा इली। ऊर्ध्वाधर में विकिरण दबाव से ऊपर की ओर बल गुरुत्वाकर्षण से संतुलित है। हमारे लोडिंग विधि के साथ, चयनित कण आम तौर पर एक उत्तोलन स्थिति को दिया है। उत्तोलन स्थिति में निलंबित कण के ऊर्ध्वाधर स्थान बहुत अधिक ध्यान देने के पास फँसाने की स्थिति की तुलना में ऑप्टिकल शक्ति में बदलाव के प्रति संवेदनशील है। 18 एक खड़ी ऑप्टिकल शक्ति अलग से इन दोनों स्थिर स्थितियों के बीच repeatably कण स्थानांतरित कर सकते हैं। उत्तोलन स्थिति भी नाममात्र फँसाने की स्थिति के रूप में प्रकाश फोकस से दूर प्रसारित क्योंकि जाल कठोरता नरम हो जाता है की तुलना में बाहरी ताकतों के लिए उच्च संवेदनशीलता है। इसलिए, उत्तोलन स्थिति भी अधिक संवेदनशील मापन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है जब विस्थापन शोर ब्राउनियन गति का वर्चस्व नहीं है। स्थिति शोर thermally सीमित है जब के रूप में यह यहाँ है, कठोरता बढ़ जाती है दोनों संवेदनशीलता और शोर को कम तो कोई लाभ चया सटीक माप।

फंस कण की गति एक QPD द्वारा नजर रखी और एक DAQ बोर्ड द्वारा दर्ज की गई है। QPD संकेत समय डोमेन (चित्रा 4C) और फूरियर तब्दील (आंकड़े -4 ए और 4 बी) में दर्ज की गई है। समग्र संरेखण आसानी से दो रेडियल चैनल (एक्स और वाई) की शक्ति स्पेक्ट्रा की तुलना द्वारा जाँच की जा सकती है। वे आरोपित नहीं कर रहे हैं (चित्रा 4 ए), ऑप्टिकल संरेखण तक superposition होता है सही करने के रूप में (चित्रा 4 बी में दिखाया गया है) है।

के रूप में चित्रा 4 में दिखाया गया कण प्रक्षेपवक्र दोनों ब्राउनियन और बैलिस्टिक गति से पता चलता है। समय और आवृत्ति डोमेन विश्लेषण इन मापों की व्याख्या करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। हम माप जो ब्राउनियन गति की तुलना द्वारा ऑप्टिकल जाल की और पूरी समझ के लिए अनुमति देने के लिए मजबूर करने के लिए दो दृष्टिकोण पेश किया हैएक electrostatic बल द्वारा प्रेरित बैलिस्टिक गति के लिए। कोई electrostatic क्षेत्र के तहत ब्राउनियन गति के लिए कण प्रक्षेपवक्र शक्ति वर्णक्रमीय घनत्व जो फिर एक nonlinear पूर्ण Langevin समीकरण के समाधान के लिए कम से कम वर्ग फिट से विश्लेषण किया जा सकता करने के लिए बदल जाती है। 19 PSD का यह विश्लेषण गुंजयमान आवृत्ति पैदावार और जाल केंद्र के पास भिगोना। गुंजयमान आवृत्ति सूत्र में जाना जाता है बड़े पैमाने का उपयोग कर जाल कठोरता में बदल जाती है 1 समीकरण । मापा विस्थापन तो एक वसंत एफ = -kx के लिए ऑप्टिकल बल सूत्र का उपयोग कर देता है।

बैलिस्टिक गति electrostatic क्षेत्र में एक कदम परिवर्तन से प्रेरित भी जाल से गुंजयमान आवृत्ति उपज और मध्यम की भिगोना कर सकते हैं। 12 हम फंस कण से electrostatic क्षेत्र को हटाने के रूप में, कण अनुसंधान करने के लिए जारी किया जाएगाक्षेत्र से मुक्त दोहन चित्रा 4D और 4E में दिखाया गया position.as को eturn। समय के समारोह के रूप में विस्थापन, गुंजयमान आवृत्ति देना भिगोना, और स्थिर राज्य विस्थापन के लिए एक damped हार्मोनिक थरथरानवाला के सामान्य समाधान के लिए फिट हो सकते हैं। इन तरीकों के दोनों मानते हैं कि जाल में कण एक रेखीय वसंत के रूप में कार्य करता है। इन मापों जनरल (गैर रेखीय) पैरामीट्रिक बल विधि का उपयोग बलों के लिए बढ़ाया जा सकता है। 12 PSD विश्लेषण और पैरामीट्रिक बल विश्लेषण का ब्यौरा इस प्रोटोकॉल में ध्यान केंद्रित नहीं कर रहे हैं लेकिन वे साहित्य से पाया जा सकता है। 12, 19

आकृति 1
चित्रा 1: प्रयोगात्मक स्थापना के Schematics एयर में चयनात्मक ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है के लिए प्रयोग किया जाता है। एक एकल बीम ढाल बल ऑप्टिकल टीरैप एक औंधा ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप पर विकसित की है। योजनाबद्ध में इस्तेमाल किया संकेताक्षर नीचे सूचीबद्ध हैं: EOM, इलेक्ट्रो ऑप्टिक न्यूनाधिक; एचएएल, हैलोजन प्रकाशक; म्यूच्युअल फंड, मंच ध्यान केंद्रित motorized; NIR-LWD उद्देश्य, सही अवरक्त लंबे समय तक काम दूरी उद्देश्य लेंस; टीएस, अनुवाद चरण (एक्स-वाई); PZT, पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर; ईएसएम, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र न्यूनाधिक; एन डी, तटस्थ घनत्व फिल्टर; QPD, चतुर्थ भाग-सेल photodetector; डीएम, अचालक दर्पण; आईटीओ, इंडियम टिन ऑक्साइड लेपित coverslips; सीसीडी, चार्ज कपल्ड डिवाइस कैमरा; HeNe, हीलियम नीयन लेजर (633 एनएम); एन डी: Yvo 4, फँसाने के लिए 1,064 एनएम लेजर। 12 यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2: Piezoelectric लांचर विधानसभा का निर्माणBly। (क) एक "-.SLDPRT" प्रारूप और 3 डी मुद्रण के लिए (ख) "-.STL" प्रारूप में सीएडी सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग कर एक PZT धारक का गाया छवियों। पीजोइलेक्ट्रिक लांचर के अंतिम विधानसभा की (ग) एक प्रदान की छवि: नमूना बाड़े (आईटीओ लेपित coverslips के साथ), PZT धारक, अंगूठी स्पेसर, रिंग प्रकार PZT, एल्यूमिनियम प्लेट, coverslips। (घ) अंतिम विधानसभा का चित्र। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3: एक 20 माइक्रोन पी एस कण के चुनिंदा ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है चरण प्रदर्शन द्वारा कदम। (क) फँसाने बीम का ध्यान केंद्रित, (ख) फोकस ऊपर कण उड़ती लगाने (भागicle छवि एक मंद कलंक उत्तोलन स्थिति अच्छी तरह से ऊपर नाममात्र माइक्रोस्कोप ध्यान केंद्रित है क्योंकि), (ग) (फँसाने की स्थिति में संक्रमण नाममात्र ध्यान में), और फिर (घ) डाटा अधिग्रहण के लिए केंद्रीय क्षेत्र के लिए फंस कण बढ़ रहा है। कण बीम ध्यान केंद्रित करने के लिए एक निश्चित स्थान पर फंस गया है जबकि नमूना मंच के रूप में चित्रा 3 डी में एक पीले तीर (स्केल बार = 100 माइक्रोन) के साथ संकेत ले जाया जाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4: QPD आवृत्ति में और समय डोमेन दोनों कण trajectories पर कब्जा कर लिया। (क) एक खराब गठबंधन प्रयोगात्मक स्थापना जबकि (ख विशिष्ट आवृत्तियों पर कम आवृत्ति शोर और शोर चोटियों से पता चलता है) एक्स और वाई अक्ष का अच्छी तरह से मिलान PSDs सही ऑप्टिकल संरेखण संकेत मिलता है। (ग) एक QPD समय क्षेत्र में फंस कण की ब्राउनियन गति रिकॉर्ड। (ई) फंस कण भर में लागू बिजली के क्षेत्र में एक कदम बदल तुल्यकालिक प्रेरित (घ) बैलिस्टिक डाटा अधिग्रहण (DAQ) प्रणाली के माध्यम से गति के साथ दर्ज की गई है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

पीजोइलेक्ट्रिक लांचर एक चयनित PZT के गतिशील प्रदर्शन का अनुकूलन करने के लिए बनाया गया है। PZT सामग्री और अल्ट्रासोनिक कंपन के प्रबंधन का उचित चयन एक सफल प्रयोग उपज के लिए महत्वपूर्ण कदम उठाए हैं। PZTs अलग विशेषताओं ट्रांसड्यूसर के प्रकार पर निर्भर करता है (थोक या खड़ी) और घटक सामग्री (मुश्किल या नरम) है। एक थोक प्रकार PZT एक कठिन पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री से बना निम्नलिखित कारणों के लिए चुना जाता है। सबसे पहले, कठिन पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री कम अचालक नुकसान और मुलायम सामग्री की तुलना में उच्च यांत्रिक गुणवत्ता कारक है। दूसरा, थोक प्रकार PZT एक कम विद्युत भार का प्रतिनिधित्व करता है और ड्राइव करने के लिए आसान एक खड़ी प्रकार ट्रांसड्यूसर की तुलना में उच्च आवृत्तियों पर है। गतिशील आपरेशन के तहत, उच्च आयाम दोलन एक उतार PZT चीनी मिट्टी कि यांत्रिक विफलता में परिणाम पर तन्य बलों पैदा कर सकता है। एक यांत्रिक preloading संरचना एक निरंतर लोड प्रदान करने के लिए प्रतिक्रिया को कम करने और PZT के गतिशील प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए प्रयोग किया जाता है। एक मुलाकातallic अंगूठी स्पेसर PZT धारक और अंगूठी प्रकार PZT के बीच डाला जाता है। इस धातु की अंगूठी स्पेसर अल्ट्रासोनिक शक्ति केंद्रित है और यह समान रूप से वितरित करता अंगूठी के आसपास (कोई भी स्थानीय (असमान) तनाव को आसानी से coverslip को तोड़ सकते हैं।)। एक अच्छी तरह से डिजाइन PZT लांचर के साथ, दोनों अक्षीय और रेडियल दिशाओं में फँसाने बीम के कण की उचित संरेखण जाल लोडिंग की दक्षता निर्धारित करता है। कण सफलतापूर्वक स्पंदन के बाद उत्तोलित नहीं है, तो सब्सट्रेट संरेखण दोहराने और फोकस ऑप्टिकल लोडिंग स्थिति को खोजने के कण नीचे एक छोटी सी चाल। लगभग अवरक्त को सही उद्देश्य लेंस के लिए, फँसाने बीम का ध्यान केंद्रित नमूना विमान है कि सीसीडी पर ध्यान केंद्रित किया है नीचे कुछ माइक्रोमीटर होना तय है। इष्टतम फँसाने शक्ति जाल microparticles के लिए आवश्यक लक्ष्य microparticle परिवर्तन के आकार के रूप में बदलता है। 13 इष्टतम फँसाने शक्ति परीक्षण और त्रुटि के माध्यम से अनुभव से पाया जा सकता है। बिजली यहाँ की आवश्यकता (140 मेगावाट) हैअपेक्षाकृत कम एनए और लंबे समय तक काम दूरी इस्तेमाल करने के कारण उच्च।

यहाँ हम एक 20 माइक्रोन पी एस कण की प्रतिवर्ती जाल लोडिंग का प्रदर्शन किया। हालांकि, हमारे दृष्टिकोण छोटे कणों के लिए बढ़ाया जा सकता है। छोटे microparticles के लिए, हमारे वर्तमान PZT लांचर कणों को अलग करने के लिए पर्याप्त अल्ट्रासोनिक शक्ति प्रदान करने में सक्षम नहीं हो सकता। एक तेजी से PZT ड्राइविंग सर्किट का उपयोग छोटे कणों को रिहा करने के लिए दिखाया गया है। 20 इसके अलावा, एक कम आसंजन सतह एक वैकल्पिक तरीका हो सकता है। Microparticles और सब्सट्रेट के बीच आसंजन के 21 में कमी कण इस प्रकार हमारे वर्तमान PZT लांचर भी छोटे कणों को अलग करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता अलग करने के लिए आवश्यक न्यूनतम अल्ट्रासोनिक शक्ति को कम करेगा।

अधिकांश पारंपरिक लोडिंग तकनीक यादृच्छिक प्रक्रियाओं, जिसमें ठोस समावेशन के साथ कई एयरोसोल बूंदों लगातार उत्पन्न कर रहे हैं जब तक उनमें से एक जाल केंद्र के पास संयोग से फंस जाता हैआतंकवाद। इस प्रकार इस पारंपरिक तकनीक एक सीमित मात्रा के साथ नमूनों को फँसाने या वर्दी नमूना बनाए रखने के लिए उपयुक्त नहीं हो सकता। प्रोटोकॉल में, हम प्रतिवर्ती ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है जो जाल लोड हो रहा है और लैंडिंग के दोहराया चक्र शामिल प्रदर्शित करता है। इस अनूठी प्रयोगों कण पर आरोप संचय के अध्ययन के लिए सक्षम बनाता है, उदाहरण के लिए। 22 फंस कण पर आरोप एक nonlinear कम से कम वर्ग ढंग से हार्मोनिक थरथरानवाला के आदर्श समाधान के लिए क्षणिक प्रतिक्रिया (चित्रा 4D) फिटिंग द्वारा मापा जा सकता है। प्रेरित विस्थापन जाल कठोरता से गुणा इलेक्ट्रोस्टैटिक शक्ति है जो जाना जाता बिजली क्षेत्र की ताकत (दो समानांतर आईटीओ लेपित प्लेटों के बीच की दूरी से विभाजित लागू वोल्टेज द्वारा दिए गए) से प्रभार से गणना की अनुमति देता है देता है। 12 यह सरल प्रभारी माप जब प्रतिवर्ती जाल लोडिंग तकनीक के साथ संयुक्त कण-सतह बातचीत का अध्ययन करने के लिए बढ़ाया जा सकता हैकुए यहां प्रदर्शन किया। 22

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
ScotchBlue Painter's Tape Original 3M 3M2090
Scotch 810 Magic Tape 3M 3M810
Function/Arbitrary Waveform generator Agilent HP33250A
Power supply/Digital voltage supplier Agilent E3634A
Ring-type piezoelectric transducer American Piezo Company item91
Electro-optic modulator Con-Optics 350−80-LA
Amplifier for Electro-optic modulator Con-Optics 302RM
Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective Edmund optics 46-404 Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics
LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE Loctite 230992
3D printer MakerBot Replicator 2
Polylactic acid (PLA) filament MakerBot True Red PLA Small Spool
Data Acquisition system National Instruments 780114-01
Quadrant-cell photodetector Newport 2031
Translational stage Newport 562-XYZ
Inverted optical microscope Nikon Instruments EclipsTE2000
Fluorescence filter (green) Nikon Instruments G-2B
Flea3/CCD camera Point Grey FL3-U3-13S2M-CS Trapping laser
Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4) Spectra Physics J20I-8S-12K/ BL-106C
Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips SPI supplies 06463B-AB Polystyrene microparticles
Fast Drying Silver Paint Tedpella 16040-30
Dri-Cal size standards Thermo Scientific DC-20
Optical Fiber Thorlabs P1−1064PM-FC-5 bottom plate
Aluminium plate  Thorlabs CP4S
High voltage power amplifier TREK PZD700A M/S

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References

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  22. Park, H., LeBrun, T. W. Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air. SPIE OPTO. 9764, (2016).

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इंजीनियरिंग अंक 120 ऑप्टिकल उत्तोलन ऑप्टिकल फँसाने अचालक microparticles पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर इलेक्ट्रोस्टैटिक मॉडुलन
ढांकता हुआ microparticles की ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है हवा में
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Park, H., LeBrun, T. W. Optical Trap … More

Park, H., LeBrun, T. W. Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air. J. Vis. Exp. (120), e54862, doi:10.3791/54862 (2017).

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