本文介绍了一种在空气中捕获并稳定囚禁选定介电微粒的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
我们展示了一种利用单束梯度光阱的辐射压力在空气中捕获选定介电微粒的方法。附着在玻璃基底上的随机分布的介电微粒通过压电换能器（PZT）产生的超声振动被瞬时脱离。随后，聚焦于选定微粒的光束将其提升至光阱位置，而其他受振动激发的微粒则回落到基底上。微粒可被捕获在光阱光束的标称焦点处，也可被捕获在焦点上方某一位置（本文称之为悬浮位置），在该位置重力提供恢复力。测量完成后，被捕获的微粒可被精确地放置在基底上的指定位置。
本方案概述了一种在空气中选择性加载光镊捕获微粒的实验方法。首先简要介绍实验装置；其次，详细说明压电陶瓷（PZT）样品 holder 与样品腔体的设计与加工过程。随后，逐步演示如何选择性地将单个微粒加载至光阱中，包括样品制备、将微粒送入光阱，以及利用静电力激发被捕获微粒的运动以测量其电荷。最后，我们展示了在空气中被捕获微粒的布朗运动与弹道运动轨迹记录。这些轨迹可用于通过时域和频域分析来测量光阱刚度或验证光路对准情况。选择性捕获加载技术使光镊能够以可逆方式在多次捕获过程中持续追踪同一微粒及其变化，从而实现对微粒-表面相互作用的研究。
引言
Ashkin 于1970年报道了利用辐射压对微粒进行加速和捕获的现象。1 这一开创性成果推动了光镊技术的发展，使其成为物理学和生物物理学基础研究的重要工具。2,3,4,5 至今，光镊技术的应用主要集中于液体环境，已被用于研究多种多样的体系，从胶体行为到单个生物大分子的力学特性。6,7,8 然而，将光镊技术应用于气体介质时，则需要解决若干新的技术难题。
近年来，光阱技术在空气/真空环境中的应用在基础研究中日益广泛。由于光悬浮能够使系统几乎完全与周围环境隔离，因此光悬浮微粒成为研究小尺度物体量子基态4、探测高频引力波9以及寻找分数电荷10的理想平台。此外，空气/真空的低黏度特性使得研究人员能够利用惯性测量布朗粒子的瞬时速度
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方案
警告：实验前请查阅所有相关的安全规程。本方案中描述的所有实验操作均须遵循美国国家标准与技术研究院（NIST）激光安全规程以及其他适用法规。请务必选择并佩戴适当的个人防护装备（PPE），例如针对特定波长和功率设计的激光防护眼镜。操作干燥的纳米/微米级颗粒时，可能需要额外的呼吸防护。
1. PZT 持有装置与样品封装装置的设计与制备
- 设计PZT支架和样品腔室
注意：具体设计参数取决于所选PZT的型号。- 打开计算机辅助设计（CAD）软件包。根据给定的PZT尺寸绘制二维（2D）支架草图。通过拉伸/切除拉伸等操作将2D草图转化为三维实体特征。
- 点击“草图”，绘制一个矩形并将其拉伸成一个长方体。
- 在长方体的顶面绘制一个圆形，创建一个圆形凹槽结构，用于覆盖并固定环形PZT。
- 定义一个中心孔，以提供实时成像和捕获操作的光学通路。
- 在中心孔边缘设计一个环形导槽，用于插入一个扁平金属（铜）环，将超声能量集中到中心区域，如图2a所示。
- 在PZT支架上创建两个M6螺钉的通孔，以便与底板（外购，4 mm厚铝制底板，中心带孔）组装，如图2c和图2d所示。
- 以类似方式设计样品腔室的....
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结果
PZT 发射装置采用 CAD 软件包进行设计。此处我们使用一种简单的夹心结构实现预加载（将 PZT 夹在两块板之间），如图 2所示。PZT 持有器和样品腔体可采用多种材料和方法加工制造。为便于快速演示，我们选择使用热塑性材料进行 3D 打印，如图 2d所示。基于所制备的组件，光镊装载过程如图 3所示。对于选择性装载，在实验过程中，通过安装在显微镜物镜转换器上的滤光片阻挡反射的捕获激光，以保护 CCD 相机，同时允许可见光透过滤光片，实现反射模式成像，如图 1所示。经过校准的 CCD 相机还可通过测量微粒直径及额外的位置检测，实现定量测量。目标微粒的直径可用于计算其质量，再结合固有频率推导出光阱刚度，如下文所述。利用 CCD 相机测得的轨迹还可用于校准 QPD 电压信号，以测量位移。12
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讨论
压电驱动装置的设计旨在优化选定PZT的动态性能。正确选择PZT材料并有效管理超声振动是实验成功的关键步骤。PZT的特性因换能器类型（块体型或叠层型）和组分材料（硬性或软性）的不同而有所差异。本实验选用由硬性压电材料制成的块体型PZT，原因如下：首先，硬性压电材料的介电损耗较低，机械品质因数高于软性材料；其次，块体型PZT的电负载较低，相较于叠层型换能器更易于在高频条件下驱动。在动态工作过程中，高幅振荡可能在未加载的PZT陶瓷上产生拉伸力，从而导致机械失效。因此采用机械预加载结构施加恒定负载，以减小回程间隙并提升PZT的动态性能。在PZT支架与环形PZT之间插入一个金属环形垫片，该垫片可集中超声能量并使其在环周均匀分布（局部不均匀应力极易导致盖玻片破裂）。通过精心设计的PZT驱动装置，微粒在轴向和径向方向上与捕获光束的准确对准决定了捕获效率。若脉冲后微粒未能成功悬浮，需重复基底对准操作，并将焦点略微下移至微粒下方，以确定最佳光学加载位置。对于近红外校正的物镜，捕获光束的焦点应设置在CCD成像平面下方数微米处。捕获微粒所需的最优捕获功率随目标微粒尺寸的变化而变化13，可通过反复试验经验性地确定.......
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披露
作者声明不存在竞争性财务利益。
致谢
所有工作均在美国国家标准与技术研究院的支持下完成。为促进对本实验方案的理解，文中指明了某些商用设备、仪器或材料。此指明并不意味着美国国家标准与技术研究院推荐或认可这些产品，也不意味着所指明的材料或设备 necessarily 是可用于该目的的最佳选择。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ScotchBlue 原装美纹纸胶带 | 3M | 3M2090 | |
| Scotch 810 魔术胶带 | 3M | 3M810 | |
| 函数/任意波形发生器 | Agilent | HP33250A | |
| 电源/数字电压供应器 | Agilent | E3634A | |
| 环形压电换能器 | American Piezo Company | item91 | |
| 电光调制器 | Con-Optics | 350−80-LA | |
| 电光调制器放大器 | Con-Optics | 302RM | |
| Mitutoyo 近红外无限远校正物镜 | Edmund optics | 46-404 | 由 Mitutoyo 制造，Edmund optics 销售 |
| LOCTITE 超级胶水细颈瓶 | Loctite | 230992 | |
| 3D 打印机 | MakerBot | Replicator 2 | |
| 聚乳酸（PLA）线材 | MakerBot | True Red PLA 小卷 | |
| 数据采集系统 | National Instruments | 780114-01 | |
| 四象限光电探测器 | Newport | 2031 | |
| 平移台 | Newport | 562-XYZ | |
| 倒置光学显微镜 | Nikon Instruments | EclipsTE2000 | |
| 荧光滤光片（绿色） | Nikon Instruments | G-2B | |
| Flea3/CCD 相机 | Point Grey | FL3-U3-13S2M-CS | 捕获激光 |
| 二极管泵浦掺钕钒酸钇（Nd:YVO4） | Spectra Physics | J20I-8S-12K/ BL-106C | |
| 氧化铟锡（ITO）镀膜盖玻片 | SPI supplies | 06463B-AB | 聚苯乙烯微粒 |
| 快干银漆 | Tedpella | 16040-30 | |
| Dri-Cal 尺寸标准微粒 | Thermo Scientific | DC-20 | |
| 光纤 | Thorlabs | P1−1064PM-FC-5 | 底板 |
| 铝板 | Thorlabs | CP4S | |
| 高压功率放大器 | TREK | PZD700A M/S |
参考文献
- Ashkin, A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).
- Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator. Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).
- Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L.
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