Doğrudan çekilen yan duvarlara sahip bir 'tekne' tuzağı kullanarak havada büyük metal parçacıkların optik olarak hapsedilmesi

Özet

Bu makale, dinamik, tekne şeklinde fotoforetik bir tuzak kullanarak havada büyük metalik parçacıkların uzun süreli, stabil tuzaklanması ve hassas konumlandırılması için deneysel yöntemi tanımlar. Bu sistem, plazmonik etkileşim çalışmaları için uygun kontrollü manipülasyonu mümkün kılar.

Özet

Büyük metalik parçacıkların (>1,16 μm ortalama çaplı katı altın parçacıkları ve >100 μm iletken kaplı mikrosferler) odaklanmış bir ışın kullanılarak havada parabolik tuzak kesitini doğrudan çizmek için odaklanmış bir ışın kullanılarak bir yöntem sunuyoruz.  Bu çekme işleminin sonucu, üstü açık olan, büyük metalik parçacıkları zıplamadan yakalayabilen, yükleyebilecek ve sabit tutabilen bir 'tekne' tuzağının oluşmasıdır.  Yüksek güçlü sürekli dalga 532 nm lazer hem x hem de y yönlerinde taranır ve mikroküreleri yakalamak için optimize edilmiş tekne şeklinde yoğunluk dağılımı oluşturur. Tuzak süresi, parçacık dinamiğine göre sürekli görünecek kadar hızlı olacak şekilde çekilme frekansının dikkatli seçilmesiyle maksimize edilir; ancak tuzak bozulmasını önleyecek kadar yavaş olur. Bu protokol, lazer modülasyonu, parçacık tanıtım teknikleri ve doğrulama dahil olmak üzere deneysel kurulumu tanımlar. Karbon kaplı mikrosferler öncelikle tuzak oluşumu ve stabilitesini görselleştirmek ve doğrulamak için kullanılırken, saf altın nanopartikülleri plazmonik etkileşim çalışmaları için hedef olarak kullanılır. Bu yöntem, birçok kesitten herhangi birinin komut üzerine gerçek zamanlı çizilmesine olanak tanır ve uzun zaman ölçeklerinde havadaki parçacıkların yakalaması, yüklenmesi ve çevrilmesi için sağlam ve esnek bir yaklaşım sunar; bu yöntem havada asılı optik sistemlerin plazmonik geliştirmesinde potansiyel uygulamalar sunar.

Giriş

Bu çalışma, dinamik olarak oluşturulmuş bir tekne tuzağı kullanarak havadaki büyük metal parçacıkların hassas şekilde yakalanması, yerleştirilmesi ve manipülasyonu için bir yöntem sunmaktadır. Önceki yaklaşımlar—örneğin gevşek odaklı Gauss^{ışınları 1}, aberrasyon^{tuzakları 2}, nokta^{alanları 3,4,5} veya girdap^{ışınları 6,7} kullananlar gibi—dönme^{hareketi 1}, çoklu kararlı tuzak^lokusları 2,3,4,5 veya tek, iyi tanımlanmış bir tuzak^{noktasının eksikliği} gibi temel sınırlamalardan ^{muzdariptir.7}, bazı geometrilerde birden fazla kararlı tuzak^{lokusu 3,7} arasında zıplamaya yol açabilir (bkz. Şekil 1A).  Dikkate değer bir istisna, yukarıya yönelen akson tuzağıdır; bu kapsayıcı tek bir tuzak noktası sağlar, üstten yüklemeyi destekler ve en azından teorik olarak yanal^{çeviriye izin verir 8}. Burada açıklanan yöntem, bu avantajları korur ve üç kritik iyileştirme getirir: (1) metalik parçacıkların sağlam tuzaklanması, (2) yatay ışın geometrisi ve (3) doğrudan çekilen optik duvarlar aracılığıyla tuzak potansiyelinin gerçek zamanlı yeniden yapılandırılabilirliği.

Altın parçacıklarını bugüne kadar yakalama yöntemleri genellikle^{suda uygulanmıştır 9,10,11}, döndürme^{hareketi 12} veren tuzak özelliklerine sahip olabilir veya hapsedilmiş^{parçacık 13'ün} esnek translasyonunu engelleyen karşı yayılan ışınlar kullanılabilir. 1 μm'den büyük çaplı katı altın parçacıkları için bu zorlukların üstesinden gelmek için, dinamik olarak modüle edilmiş fotoforetik 'tekne' tuzağı kullanılır.

Bu yöntem, 20 nm karbon nanosfer kümelerinden 100 μm kaplı cam mikrosferlere kadar çok çeşitli parçacık boyutları ve tiplerine uygulanabilir. Hem açık ortam hem de kapalı kısmi basınç ortamlarında etkilidir. Bu teknik, birkaç onlarca Watt'a kadar güç kullanabiliyor.  Tuzaklar nokta değil çizgiler halinde dağıtıldığından, optik güç geniş alanlara yayıldığından, pratik uygulama en etkili şekilde 1 W'nın üzerindeki güçlerde olur.

Tuzak mekanizması, lazer ışını ile parçacığın asimetrik ısıtılmasıyla ortaya çıkan pozitif fotoforeze dayanır. Emici bir metal parçacık aydınlatıldığında, daha sıcak taraf, soğuk taraftan daha fazla momentuma sahip gaz molekülleri yayar ve bu da parçacığı ışıktan uzaklaştıran net bir kuvvet oluşturur. Bu fotoforetik kuvvet şu şekilde ifade edilebilir:

burada C, parçacık geometrisi, gaz özellikleri ve termal uyum katsayısına bağlı bir katsayıdır ve ∇T, parçacık yüzeyi boyunca sıcaklık gradyanıdır. Bu sistemde, bu kuvvet tuzakta yukarıya yönlendirilir ve yerçekimini dengeleyerek stabil bir havada durma sağlar. Fotoforetik kuvvetin daha ayrıntılı bir türetimi—hem radyometrik basınç hem de termal sürünme etkileri dahil—Mirzaei-Ghormish ve ^ark.14'te verilmiştir.

Tekne tuzağı, akusto-optik modülatörleri (AOM) kontrol etmek için rastgele bir dalgaform üreteci (AWG) kullanır; bu duvar, odaklanmış sürekli dalga (CW) lazer ışını taramasıyla oluşturulan yüksek yoğunluklu optik duvar oluşturur ve stabil bir parabolik tuzak^{potansiyeli 14} üretir (bkz. Şekil 1B).  Bu yaklaşım, tuzak şeklinin hassas kontrolünü sağlar; parçacıkların bir yüzeyde hapsedilmesini, hareketsiz tutulmasını ve maruz kalmasını sağlar—örneğin, nanoelmas plazmalarının 1 μm'den büyük boyutlu altın plazmonik parçacıklara yaklaşması gibi uygulamalar için temel gereksinimler vardır; nanoelmas floresansı^11'in Purcell geliştirmesi için

Protokol

Bu bölüm, parçacıkların hazırlanmasını ve optik düzenin inşasını açıklar. Bu düzenin, tek bir tuzak morfolojisine yol açan girdap, kırmızı kırmızı ve diğer dalga cephesi şekillendirme yaklaşımlarından farklı olduğunu unutmayın (dalga cephesi şekillendirme^{tuzakları 8} için Gong ve ark. incelemesine bakınız). Bu kurulumda, odaklı bir nokta ilkel taranarak birçok tuzak kesiti oluşturulabilir. Bu nedenle, bu çalışma tekne tuzağı morfolojisini vurgulasa da, tanımlanan kurulumun gelecekteki çalışmalarda ele alınacak birçok başka tuzak geometrisi oluşturacak kadar esnek olduğunu unutmayın.

1. Parçacıkların hazırlanması

1. Karbon kaplı cam mikroküreler (görselleştirme için kullanılıyor, Şekil 2)
   1. 3 mL mikroküreleri temiz bir spatula kullanarak küçük, temiz bir kristalleşme kabına (Şekil 2A, solda) aktarın. Bu adımı, ince cam parçacıklarının toplu yayılmasını önlemek için bir duman başlıkta yapın.
      NOT: Duman başlığı negatif basıncı koruyarak havayı içeriye doğru çekiyordu ve ortalama yüz hızı 101 ft·^min-1 idi.
   2. Kabı bir kapak veya saat camı ile kapatın ve karbon çubuklu buharlaştırma sistemine aktarın (Şekil 2B).
   3. Buharlaşma rutinini 73 A darbe akımında, 3 s darbe uzunluğunda ve 10 s darbe aralığında 3 darbe olarak ayarlayın ( bkz. Tablo 1).
   4. Kapağı çıkarın. Parçacık kabını yerleştirin. Kaplama programını çalıştırın. Kapağı değiştir. Kabı çıkarın.
   5. Parçacıkların konumlarını rastgele hale getirmek için parçacıkları yeterince kuvvetle sallayarak çabakı karıştırın (Şekil 2C). Kapağı çıkarın ve kabı kaplama için tekrar kaplamaya koyun. 10 kez tekrarlayın.
      NOT: Kaplamadan sonra, parçacıklar sağ taraftaki Şekil 2A'daki gibi görünecektir. Ayrıca, karbon kaplı mikrosferin ortaya çıkan boyutunun neredeyse değişmediğine dikkat edin; çünkü 20 nm kaplama, karbon kaplı bir mikrosferin ortalama çapına kıyasla küçüktür ve bu çaplar 60 μm'yi aşabilir.
   6. Ortaya çıkan parçacıkları bir saat camı veya filmle kaplayın ve nem kontrollü bir ortamda tutun.
      NOT: Tüm kaplama ve deney çalışmaları, 21-25 °C (70-75 °F) sıcaklık ve %20-45 göreli nem olan kapalı laboratuvar koşullarında gerçekleştirilmiştir.
2. Katı altın parçacıkları (plazmonik deneyler için kullanılır)
   1. Katı altın parçacıkları kuru olarak satılır ve ortalama çapları 1 μm ( bkz. Şekil 2D ve Malzeme Tablosu). Kullanıma hazır olduğunda, kurutulmuş parçacıkları dönen cam parçacık odasına aktarın (Şekil 2E).

2. Optik sistemin kurulumu

NOT: Optik kurulum Şekil 3'te gösterilmiştir. Kurulumu tamamlamak için gerekli optik ve elektrik bileşenlerinin tam listesi Malzemeler Tablosu'nda sunulmaktadır. Bu kurulumda, dört aynı lens AOM_1'i AOM_2'ye görüntüleyen iki zincirli 4F röle oluşturur. AOM₁ ışını dikey olarak saptırır, AOM₂ yatay olarak saptır ve odak uzaklıkları eşit olduğundan, AOM_1'in eşlenmiş düzlemi AOM₂ ile örtüşür.

1. Lazer kaynağı ve başlangıç ışın hizalanması
   1. Optik bir masaya, <5 mW'tan >5 W'a kadar 532 nm ışık çıkışı gücüne sahip bir lazer kaynağı yerleştirin.
      NOT: Bu deneylerde kullanılan kaynak lazeri 10 W'ın üzerinde tuzak gücüne sahipti. Lazerin çıkışında ve AOM^1'e girmeden önce, ışın yaklaşık 1,3 mm (1/e² yoğunluk genişliği) çapında bir ışın profilleyici kullanılarak ölçülür. 532 nm bir kaynak seçildi çünkü yüksek güçte, iyi ışın kalitesine sahip ve hedef parçacıklar için iyi plazmonik soğurmaya sahip olduğu için seçildi.
   2. Lazer gücünü <5 mW'a indirin. Polarizasyonun dikey olarak yönlendirilip yönelmediğini belirlemek için bir polarizator kullanın. Eğer olmazsa, lazeri döndürün veya yüksek güçlü yarım dalga plakasını döndürüp döndürerek dikey polarizasyon yönelimini sağlayabilirsiniz. Kiriş yüksekliğini 23 ± 0,5 cm olarak ayarlamak için kinematik ışın asansörü (Şekil 4A, sağ taraf) ve bir cetvel kullanın (bu yükseklik keyfidir ancak uygun olduğu kanıtlanmıştır). Asansörden 10 cm ve 40 cm yükseklikte kiriş yüksekliğini ölçün. Her iki ölçümün de 23 cm yükseklik sağladığından emin olun.
      NOT: AOM, giriş ışınının yatay polarize olmasını gerektiren tellüryum dioksitte (TeO₂) yavaş kesme modunda bikırıcı akusto-optik etkileşim kullanır. Kırındırılmış ışın, etkileşimin çift kırıcı doğası nedeniyle dikey polarizasyonla ortaya çıkar. İlk AOM küresel koordinat sistemine göre fiziksel olarak 90° döndürüldüğünden, giriş ışını küresel koordinatlarda dikey olarak polarize edilmelidir ki AOM'un iç yatay polarizasyon ekseniyle hizalansın.
2. Objektif ve röle lensi yerleşimi
   1. Mikroskobu ışın yüksekliğine, ışın asansörünün çıkışından 100 cm'den fazla mesafede, -z yönüne bakacak şekilde ayarlayın (Şekil 4A,B).
   2. Bir Fourier dönüşüm lensini, -z yönünde 10 cm, konveks bir yüzeyi +z yönüne bakacak şekilde yerleştirin (Şekil 4C,D).
   3. Kalan üç Fourier dönüşüm lensini, Şekil 4E'de gösterildiği gibi konvekslikler dönüşümlü olarak 20 cm aralıklı konumlandırın.
3. AOM yapılandırması
   1. AOM'ları, lazere en yakın ve en uzak lenslerden -z yönünde 10 cm konumlandırın; Şekil 5,B'de gösterildiği gibi.
   2. AOM_1'in (lazere en yakın AOM) dikey konumda olduğundan emin olun.
      NOT: Bu örnekte, bu amaçla özel bir 3D baskı tutucu oluşturulmuştur. AOM_1'i gösterildiği gibi optik eksenine doğru yaklaşık 2° döndürün (Şekil 5A).
   3. AOM_2'yi lazerden en uzak lensin 10 cm mesafesine yerleştirin. Bu AOM yatay olarak yönlendirilecektir (Şekil 5B). AOM_2'yi optik eksenden yaklaşık 2° uzakta döndürün, gösterildiği gibi (Şekil 5B).
   4. Lazeri düşük güce (örneğin <5 mW) açın.
   5. AWG'nin her kanalı için bir voltaj kontrollü osilatör (VCO), bir amplifikatör ve bir AOM (Şekil 5C) bağlayın. İlk olarak, amplifikatorları Şekil 5D, E'de gösterildiği gibi AOM'lara bağlayın.
      NOT: Amplifikatörlerin açılmadan önce bir yüke bağlı olduğundan emin olmak önemlidir. Amplifikatörler ve VCO'lar hem 12 V DC güç alır ve Şekil 5F'de gösterildiği gibi muz klipsleriyle ortak bir 12 V kaynağa bağlanabilir.
4. AOM optimizasyonu
   1. Sisteme Şekil 6A'da gösterildiği gibi bir açıklık yerleştirin.
   2. AWG kullanarak, her iki AOM'a radyo frekansı sinyalini 175 MHz (VCO'da ~5 V) değerine çevirin.
      NOT: Artık AOM^1'den sonra iki, AOM^2'den sonra ise dört ışın olacak ( bkz. Şekil 6B).
   3. AOM_1'in eğim açısını sıfıra indirin. Açıyı kademeli olarak artırın, birinci dereceden ışın ( Şekil 6C'de gösterildiği gibi -z yönüne bakıldığında görünen sağ üstteki 'geçiş ışını') en parlak noktaya getirin. AOM yaklaşık olarak orijinal eğim açısı olan 2°'ye geri dönmüş olacak.
   4. AOM_2'nin eğimini sıfıra indir. Birinci dereceden ışın en parlak noktasına gelene kadar açıyı kademeli olarak artırın. AOM yaklaşık olarak orijinal eğim açısı olan 2°'ye geri dönmüş olacak.
      NOT: Ortalama kırınım verimliliği (1 W elektrik gücüyle işletildiğinde) her AOM için yaklaşık %70 idi. Toplam sistem optik verimliliği yaklaşık %30'du.
   5. İlk AOM'dan çıkan her iki ışının da ikincisine girdiğinden emin olun. İkinci AOM'ye giren dört kirişten sağ üst kirişin bir açıklıktan geçmesi için seçildiğinden emin olun.
      NOT: Açıklık, 'blok kirişleri' engelleyecek kadar küçük olmalı ve AOM tarafından saptırıldığında bile 'geçiş ışını' ilerlemesine izin vermelidir (Şekil 6C,D).
   6. Şekil 6E'de gösterildiği gibi ışın ayırıcıyı yerleştirerek ışının bir kısmını gözlem yüzeyine yönlendirin (Şekil 6E,F).
5. AWG kontrolü
   1. AWG genlikleri sıfıra ayarlandığında (veya AWG çıkışları 'kapalı' olduğunda, gözlem yüzeyindeki ortaya çıkan ışın bir nokta gibi görünecektir (Şekil 7A,B).
   2. Dikey kanal kaymasını 3 V, genliği 5 V ve frekansı 4 kHz olarak ayarlayarak dikey bir çizgi görebilirsiniz (Şekil 7C,D).
   3. Yatay kanal kaymasını 3 V, genliği 5 V ve frekansı 4 kHz olarak ayarlayarak çapraz bir çizgi görebilirsiniz (Şekil 7E,F).
   4. Dikey kanal frekansını 8 kHz'e, faz sapmasını 90°'ye ayarlayarak Lissajous deseni görebilirsiniz (Şekil 7G,H).
   5. Lissajous desenini parabolik şekle dönüştürmek için hizalama fazı düğmesine basın (Şekil 7I,J).
   6. Parabolik şekli iyileştirmek için dikey kanal faz ofsetini ayarlayın (Şekil 7K,L).

3. Görüntüleme sistemi kurulumu

NOT: Görüntüleme sistemi, partiküllerin eksenel (yani 'başa'), arkadan aydınlatmalı görüntülenmesine olanak tanır ve tuzak profilini sağlar.

1. Kamera, filtre ve arayüz
   NOT: Kameranın nominal maksimum hızı 751 fps'dir; ancak gerçek oran, seçilen çözünürlük ve sistem gecikmesine bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Bu deneylerde gerçek hız yaklaşık 500 fps idi. Oynatma en çok 1/100 hızda veya 5 fps'de (yakalama sırasında hiç kare düşmediği varsayarsak) faydalıydı.
   1. Telesentrik bir lensi, 45 mm odak uzaklığına sahip doğrusal bir aşamaya (z-ekseni boyunca hareket ettirilebilir) yerleştirin, hedefin önünde 55 mm (+z yönü, Şekil 8A). Lens önünde 532 nm ışığı yansıtacak şekilde tasarlanmış bir dikroik filtre (bkz. Malzemeler Tablosu) Şekil 8A,B'de gösterildiği gibi.
   2. Kamerayı USB ile ilgili görüntüleme yazılımı olan bir PC'ye bağlayın (tür ve marka için Malzemeler Tablosu'na bakınız). İlk kamera ayarları için Tablo 2'ye bakınız).
   3. Dikroik filtreyi hafifçe (5-10 °) eğin ve parabolik tuzak şekli ortaya çıkana kadar (Şekil 8C,D).
   4. Kamerayı doğrusal bir sahneye yerleştirin (Şekil 8E) ve lensi geri çekerek görüntü odakını iyileştirin (Şekil 8F).
   5. Işın ayırıcıyı fiber ışık kaynağı ile aydınlatın (Şekil 8G).
   6. Fiber ışığı, aydınlatmasını parabolik tuzağın etrafında merkeze alacak şekilde ayarlayın ( Şekil 8H'de merkezden farklı aydınlatma örneği, Şekil 8I'de ise merkez üzerinde).

4. Parçacık yükleme ve tuzak

1. Laboratuvar spatulasıyla, küçük miktarda (~1 g) parçacıkı silindir ekseni boyunca dönmesini sağlamak için monte edilmiş 25 mm uzunluğunda, 12 mm çapında cam bir silindirin içine yerleştirin (Şekil 9A).
2. Yüklü cam silindiri hedefin 15 mm (yani hedef çalışma mesafesi) ortasına yerleştirin (Şekil 9B).
3. Silindiri döndürün (Şekil 9C), silindire dokunun ve kamera ekranını izleyin. Kullanıcı dokundukça şu durumları gözlemleyebilir: varsayılan parçacıklar yok/hapsedilmiş parçacıklar (Şekil 9D), düşen parçacıklar (Şekil 9E) ve hapsolmuş parçacık(lar) (Şekil 9F).

5. OpenCV ile hesaplamalı takip

NOT: Parçacık takibi ve tutma süresi nicelendirmesi, C++ dilinde geliştirilen ve Microsoft Visual Studio 2022'de çalıştırılan özel bir OpenCV tabanlı program (OpenCV sürüm 4.6.0) kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

1. Yazılım kur
   1. Visual Studio 2022 Community Edition'u (kullanıcının kullanım durumu izin verirse) https://visualstudio.microsoft.com/downloads/'de kurun. C++ iş yükü ile Masaüstü geliştirme programını kurun.
   2. OpenCV'yi indirip kur. https://github.com/opencv/opencv/releases. Kurulum sırasında kurulum dizinine dikkat edin.
   3. NI VISA'yı indirip kurun. https://www.ni.com/en/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html Kurulumu yapmak için bir hesap açmak gerekiyor. Kurulum sırasında kurulum dizinine dikkat edin.
   4. Pylon'u 7.5.0.15658 sürümünü indirip kurun. https://www.baslerweb.com/en-us/downloads/software/3359722533/. Kurulum sırasında kurulum dizinine dikkat edin.
2. Yazılım yapılandırması
   1. Visual Studio CE'yi aç ve yeni boş bir proje oluştur.
   2. main.cpp bir kaynak dosyası ekleyin ve Ek Dosya 1'den (main.cpp) kodu yeni kaynak dosyaya yapıştırın.
      NOT: Visual Studio'nun proje dosya yapısıyla çelişmeleri önlemek için harici dosyaları içe aktarmak yerine Visual Studio tarafından oluşturulan dosyalara kodu kopyalayın.
   3. Project > YourProjectNameHere Properties'e gidin.
   4. Yapılandırmayı Tüm Konfigürasyonlara ve Platformu x64'e değiştirin.
   5. Genel > C++ Dil Standardı > Yapılandırma Özelliklerini ISO C++14 Standardına Değiştirin.
   6. C/C++ > Yapılandırma Özelliklerini >Genel > Ek Dahil Dizinleri OpenCV başlıklarını da içerecek şekilde değiştirin. Bu çalışmada, bunlar C:\Program Files\opencv\build\include dosyasına yüklendi.
   7. Aynı Ek Ekle Dizinleri metin kutusunda, normal pilon başlıklarına ve pilon örnek başlıklarına giden yolları ekleyin. Bu çalışmada, bunlar sırasıyla C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include ve C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\Samples\C++\include dosyalarına yüklendi.
   8. Aynı Ek Dizinler metin kutusunda, normal pilon başlıklarını ve pylon örnek başlıklarını ekleyin. Bu çalışmada, bunlar sırasıyla C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\include ve C:\Program Files\Basler\pylon7\Development\Samples\C++\include dosyalarına yüklenmiştir.
   9. Aynı Ek Dizinler metin kutusuna VISA başlıklarını ekleyin. Bu çalışmada, bunlar C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Include dosyasına yüklendi.
   10. Linker >> Genel > Ek Kütüphane Dizinleri Yapılandırma Özelliklerini OpenCV lib klasörünü içerecek şekilde değiştirin. Bu çalışmada, bunlar C:\Program Files\opencv\build\x64\vc15\lib dosyasına yüklendi.
   11. Aynı Ek Kütüphane Dizinleri metin kutusuna pylon lib klasörünü ekleyin. Bu çalışmada, bunlar C:\Program Files\Basler\pylon 7\Development\lib\x64 dosyasına yüklendi.
   12. Aynı Ek Kütüphane Dizinleri metin kutusuna VISA lib klasörünü ekleyin. Bu çalışmada, bunlar C:\Program Files\IVI Foundation\VISA\Win64\Win64\Lib_x64\msc dosyasına yüklendi.
   13. Yapılandırmayı Hata Hata Değiştirmek olarak değiştirin, ardından Yapılandırma Özelliklerini Değiştirin > Linker > Giriş > Ek Bağımlılıklar hem opencv_world460d.lib hem de visa64.lib olarak ayarlayın.
   14. Yapılandırmayı Release olarak değiştirin, ardından Yapılandırma Özelliklerini Değiştirin > Linker > Input > Ek Bağımlılıklar opencv_world460.lib ve visa64.lib olarak ayarlayın.
3. Yazılım kalibrasyonu
   1. Visual Studio 2022'yi başlatın ve kullanıcının projesi YourProjectNameHere.sln'yi açın.
   2. Yeşil Run/ Play butonuna bas. Bir video beslemesi ve terminal görünecektir (Şekil 10A).
   3. Yeşil tuzak parabolünün görünür olduğundan emin olun. Eğer yoksa, tuzak bölgesi görünene kadar gerekli güç, filtreleme ve/veya hizalama ayarlarını ayarlayın.
   4. Ekranı önce Windows tuşuna + Shift + S tuşlarına basarak ve ardından fare işaretçisini video akışının sol üst köşesinden sağ alt köşeye tıklayarak ve sürükleyerek (Şekil 10B) ekranı ele geçirin. Ekran yakalama aracı bir açılır pencere oluşturacak. Ekran görüntüsü düzenleyicisini açmak için bu açılır pencereye tıklayın. Bu düzenleyicide MS Paint'te Düzenleme için bir düğme bulunur. MS Paint'te Düzenle butonuna tıklayın.
   5. İmleci MS Paint penceresinde gösterilen parabolün sol üst köşesine yerleştirin. MS Paint penceresinin sol alt köşesinde gösterilen koordinatları kaydedin (Şekil 10C). Koordinatlar (xmin, ymin) olarak adlandırılır.
   6. İmleci parabolun sağ alt köşesine yerleştirin. MS Paint penceresinin sol alt köşesinde gösterilen koordinatları kaydedin. Koordinatlar (xmax, ymax) olarak adlandırılır.
   7. Video akışını kaçış tuşuna basarak kapatın.
   8. Kullanıcının projesindeki main.cpp'nin is_trapped() fonksiyonuna xmin, xmax ve ymin, ymax 280 satırında girin: örneğin, Mat cropped_image = input_image(Range(335, 403), Range(322, 385));
      NOT: İlk Aralık fonksiyonu parametre olarak xmin ve xmax alırken, ikinci Aralık fonksiyonu ymin ve ymax olarak işlev görür. Bu, parçacık algılama için tespit penceresini belirleyecektir (Şekil 10D).
4. Frekans seçimi
   1. Visual Studio 2022'yi başlatın ve kullanıcının projesini açın, YourProjectNameHere.sln zaten açık değilseniz.
   2. PowerShell (Win+X → Windows PowerShell) veya Komut Göndermesi'ni açın.
      Çalıştır: python -c "rastgele aktar; print(random.sample(range(0,101),101)))"
      Oluşturulan test numaraları listesini kopyalayın.
      NOT: Üretilen her sayı bir frekansı temsil eder. Sayıdan frekansa matematiksel eşleme şöyledir:
      f(n) = 100 • 10^0.03n Hz
      Domain: n∈{0,1,...,100}
      Aralık: f(0) = 100Hz'den f(100)'e = 100.000Hz (100 kHz)
      Adımlar log aralıklı olarak yerleştirilir. Bu senaryo, okuyucunun rahatlığı için numbershuffler.py Ek Dosya 2 olarak dahil edilmiştir.
   3. main.cpp'nin 443. satırını, oluşturulan sayılar listesini test numaraları dizisine kopyalayarak düzenleyin: örneğin,
      vektör 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. Projeyi kurtar.
5. Bir deney yürütmek
   1. Lazeri hazırla. Gerekirse lazerin ısınma rutinini tamamlamasına izin verin. Lazer deklanşörünü açın ve gücü hedef seviyesine çıkarın. Bu durumda bu yaklaşık 8 W idi.
   2. Visual Studio'da YourProjectNameHere.sln açın.
   3. Kameranın USB'den PC'ye bağlı olduğundan emin olun.
   4. AWG'nin USB üzerinden PC'ye bağlı olduğundan emin olun.
      NOT: Materyaller Tablosu'nda listelenen AWG için, VISA kontrolü için doğru USB portu, enstrümanın arkasında bulunan USB-B portudur (Şekil 11A).
   5. Amplifikatörlerin AOM'larda sonlandırıldığından emin olun. VCO güç kaynaklarını açın.
   6. Beyaz ışık lambasını aç ve parabolu eşit şekilde aydınlatacak şekilde ayarlayın.
      NOT: Kod karanlık parçacık gölgelerini tespit edecek, başarılı tuzakları işaretleyecek ve sürelerini ölçer. Sonuçlar otomatik olarak bir metin dosyasına aktarılır.
   7. Projeyi çalıştırmak için Visual Studio'da Çalıştır/Oynat butonuna basın. Bir video yayını görünecek.
      NOT: Program çökerse, Debug ve Release yapılandırmaları arasında geçiş yapmayı deneyin (Microsoft rehberliği: https://learn.microsoft.com/en-us/visualstudio/debugger/how-to-set-debug-and-release-configurations?view=vs-2022).
   8. Notch filtresinin eğimini lazerin tam güçte (≈8 W) neredeyse görünmediği sürece ayarlayın.
   9. Cam tüpü dokun ve parçacıkların düşüşünü gözlemleyin. Karbon kaplı cam mikroküre parçacıkları durumunda, parçacıklar kameranın görüş alanında hızla düşen siyah daireler şeklinde görünür. Tıklamaya devam et. Program, belirtilen frekans dizisinin ilk frekansında başlayacaktır. Herhangi bir zaman uzunluğunda 10 tuzak olayını kaydettikten sonra (sadece tespit bölgesinden geçen parçacıklar dahil), dizide bir sonraki frekansa geçer. Eğer tık atışı sırasında düşen parçacık sayısı azalırsa, cam boruyu 180° döndürüp tıklamaya devam edin. Tüm frekanslar test edildiğinde program sonlanacak ve kullanıcı tıklamayı durdurabilir.
6. Veri görselleştirme
   1. results.txt dosyasını (Ek Dosya 3) bir metin düzenleyicide açın. Bu çalışmada dosya C\:Users\\source\nepos\\\ results.txt adresinde bulunuyordu. Program her çalıştırıldığında yeni sonuçlar "Yeni bir sonuç grubunun başlangıcı." başlığı altında sonuç: içinde tuzak süresi şeklinde görünür.
   2. Find and Replace tuşunu kullanarak "result:" örneklerini virgülle (,) ile değiştirin. Mevcut çalışmayla ilgili olmayan tüm verileri sil. Save As kullanarak temizlenmiş dosyayı results.csv olarak kaydet.
   3. Bir tabloda results.csv açın. Test numaralarını ve tuzak zamanlarını .csv dosyasından tablo example.xlsx (Ek Dosya 4) içine kopyalayın. Test sayılarını ilk sütuna yapıştırın. İkinci sütun, test sayılarından hesaplanan Hz cinsinden ilgili yazı frekansıyla otomatik olarak doldurulur. Tuzak zamanı verilerini üçüncü sütuna yapıştırın. Ek sütunlar, minimum zaman filtreleri gibi filtreler uygulanarak otomatik olarak doldurulur. Bir dağılma grafik grafiği doldurulacak ve tuzak zamanları ile tuzak çekme sıklığını temsil eden veri noktalarını gösterir (Şekil 11B).
      NOT: AOM_1'i monte etmek için kullanılan 3D yazdırılabilir AOM tutucuya ait STL dosyası Ek Dosya 5'te gösterilmiştir.

Sonuçlar

Karbon kaplı mikroküreler için sonuçlar

Karbon kaplı mikrosferler, bu makalede işlenilen iki parçacık türünden (yani karbon kaplı mikroküreler ve katı altın parçacıkları) en görsel olarak en uygun parçacıkları tutuyor. Karbon kaplı mikroküreler, arka aydınlatmada koyu gölgeler oluşturur; Şekil 9E,F'de gösterildiği gibi.  Bu da onları tekne tuzağı donanımının kurulumunu doğrulamak için ideal kılar....

Tartışma

Bu tuzak tekniğinin başarılı uygulanması, AOM frekanslarının hassas modülasyonuna ve optik bileşenlerin doğru hizalanmasına dayanır. En kritik adımlardan biri, tarama lazer ışınının iyi şekillendirilmiş bir parabolik potansiyel üretmesini sağlamaktır.  Daha kısa odak uzaklıkları ve daha yüksek sayısal açıklıklar genellikle tuzak sertliğini ve hapsedilmesini iyileştirirken, parçacık yüklemesi ve gözlemi için uzun çalışma mesafesi hedefinin kolaylığı bu uygulamada bu avantajlardan daha ağı...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
1x, 40 mm WD CompactTL Telecentric Lens	Edmund Optics	63-745	Tuzaklanmış parçacıkları görüntülemek için kullanılır; telesentrik lens; Şekil 3'te 'i' olarak etiketlenmiştir
50.8 mm (2 in) N-BK7 A Coated Plano Convex Lens	Thorlabs	LA1050-A	Işın kolimasyonu ve üst üste getirme için kullanılır (hizalama tartışılmıştır); Röle Optik; Şekil 3'te 'b' olarak etiketlenmiştir
5x Long Working Distance LM Plan Achromatic Metallurgical Microscope Objective Lens Working Distance 15.5mm MT05073231	BoliOptics	MT05073231	AOM'ların Fourier dönüşümlerini çıkışı; objektif; Şekil 3'te 'g' olarak etiketlenmiştir
AmScope Powerful 6 Watt LED Dual Gooseneck Illuminator	Amscope	LED-6W	Görüntüleme kontrastını artırmak için kullanılır; Beyaz Işık Kaynağı; Şekil 3'te 'f' olarak etiketlenmiştir
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	Akousto-optik Modülatörler (AOM), y-yönünde tarama; Y-AOM; Şekil 3'te 'a' olarak etiketlenmiştir
AO deflector, part number 97-02799-01	Gooch & Housego	4120-2	X-yönünde ışın taraması için kullanılan AOM; X-AOM; Şekil 3'te 'c' olarak etiketlenmiştir
Basler ace acA640-750uc USB3, Color	Edmund Optics	33975	Parçacıkları algılamak için kullanılır; kamera; Şekil 3'te 'j' olarak etiketlenmiştir
Computer Running Windows 11	Dell	n/a	Veri toplama ve görüntüleme yazılımıyla donatılmıştır
CW laser (532 nm, up to 10 W)	Coherent	Verdi V10	Aydınlatma Lazeri; Lazer kaynağı
Disposable Culture Tubes	Fisher	14-961-26	Parçacıklar için dönen hazne; parçacık haznesi; Şekil 3'te 'h' olarak etiketlenmiştir
Glass Chamber 20 mm length 12 mm diameter Borosilicate glass culture tube cut	Fisherbrand	14-961-26	Hava akışının stabilize edilmesi için kullanılan 20L × 12D mm
Glass Microspheres 40-60 µm ave diameter, 3M K1 'bubbles'	Kremer	#59910	Karşılaştırmalı testler için kullanılır
Gold Particles (1.16 µm mean diameter)	ASI	162-0010	Katı altın parçacıkları
model number TB-17	Minicircuits	15542	AOM'lara sinyal güçlendirmek için kullanılır; RF Amplifikatörleri; Şekil 3'te'm' olarak etiketlenmiştir
Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post	Thorlabs	ID25	Difraktif sıraları uzaysal olarak filtrelemek için kullanılır; Diyafram; Şekil 3'te 'd' olarak etiketlenmiştir
Ø1" 50:50 UVFS Plate Beamsplitter, Coating: 350 - 1100 nm, t = 5.0 mm	Thorlabs	BSW26	Parçacıkları arkadan aydınlatmak için optik eksen boyunca beyaz ışık tanıtmak için kullanılır; ışın ayırıcı; Şekil 3'te 'e' olarak etiketlenmiştir
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.	TestEquity	DG4202	AOM kontrolü için kullanılan Rigol DG4202; Rasgele dalga şekli üreteci; Şekil 3'te 'k' olarak etiketlenmiştir
ZOS-150+	Minicircuits	M110171	AOM frekans ayarlaması için kullanılır; Voltaj kontrollü osilatörler (VCO'lar); Şekil 3'te 'l' olarak etiketlenmiştir