ניסויים בטוח רחיפה אופטי של Droplets טעונה באמצעות מעבדות מרחוק

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

ריחוף אופטי הוא שיטה פרוגרסיבי בגודל מיקרומטר אובייקטים מבודד באמצעות אור לייזר. יכול להיות נשלט מרחוק ניצול מחשבים ומערכות אוטומציה, ניסוי בתליה אופטי. כאן, אנו מציגים ממערכת וטלמכניים ריחוף אופטי המשמש הן עבור החינוך לצרכי עיון ומחקר.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Galán, D., Isaksson, O., Enger, J., Rostedt, M., Johansson, A., Hanstorp, D., de la Torre, L. Safe Experimentation in Optical Levitation of Charged Droplets Using Remote Labs. J. Vis. Exp. (143), e58699, doi:10.3791/58699 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

העבודה מציג ניסוי זה מאפשר חקר תהליכים פיזיקליים בסיסיים רבים, כגון פוטון ללחץ, בשבירת קרני האור או את התנועה של חלקיקים טעונים בשדות חשמליים. בניסוי זה, קרן לייזר ממוקדת מצביע כלפי מעלה לרחף טיפות נוזל. טיפות הם התרוממתי על ידי לחץ פוטון של קרן לייזר ממוקדת אשר מאזן את כוח הכבידה. התבנית עקיפה נוצרת כאשר מואר עם אור לייזר יכולה לעזור למדוד את הגודל של droplet לכוד. המטען של ה-droplet לכוד יכול להיקבע על ידי לימוד בתנועה כאשר שדה חשמלי מכוון אנכית מוחל. ישנן מספר סיבות עידוד הניסוי הזה בפני שליטה מרחוק. ההשקעות הנדרשים עבור ההתקנה עולה על הסכום זמין בדרך כלל במעבדות הוראה לתואר ראשון. הניסוי דורש לייזר של מחלקה 4, שהינו מזיק העור והעיניים ומשתמש הניסוי המתחים כי הם מזיקים.

Introduction

העובדה כי אור נושאת מומנטום הוצע לראשונה על ידי קפלר כשהוא הסביר למה הזנב של כוכב שביט שתמיד מצביע הרחק מן השמש. השימוש בלייזר כדי להזיז השמנה של אובייקטים מאקרוסקופית דווחה לראשונה על ידי Ashkin א, ג' מ דז'ידז'יק בשנת 1971 כאשר הם הפגינו שזה אפשרי להתרומם מיקרומטר בגודל חפצים מבודד1. האובייקט לכוד נחשף קרן לייזר מכוונת כלפי מעלה. חלק של קרן הלייזר בא לידי ביטוי על האובייקט שהטיל לחץ קרינה על זה, זה היה מספיק לאזן את כוח המשיכה. רוב האור, עם זאת, היה נשברות דרך האובייקט מבודד. שינוי הכיוון של האור גורם רתיעה של האובייקט.  השפעת נטו הרתע עבור חלקיק להציב בפרופיל קרן גאוסיאנית היא כי ה-droplet לנוע לעבר האזור של עוצמת האור הגבוהה2. לפיכך, עמדה יציבה השמנה נוצרת במרכז של קרן הלייזר במיקום מעט מעל מוקד שבו לחץ קרינה מאזן את כוח המשיכה.

שכן השיטה ריחוף אופטי מאפשר אובייקטים קטנים ילכדו אותך, מבוקר מבלי להיות בקשר עם אובייקטים כלשהם, ניתן יהיה ללמוד פיסיקליות שונות levitated droplet. עם זאת, הניסוי מציג שתי מגבלות לשכפל ו שיוחלו בתי ספר או אוניברסיטאות מוסדות לא כל יכול להרשות לעצמו את הציוד הדרוש, מאחר שישנם סיכונים בתפעול על הידיים של הלייזר.

מעבדות מרחוק (RLs) מציעים גישה מרחוק באינטרנט לציוד מעבדה אמיתי עבור פעילויות ניסיוני. RLs הופיע לראשונה בסוף שנות ה-90, עם כניסתו של האינטרנט, ואת החשיבות שלהם ולהשתמש יש כבר גדל במשך השנים, כמו הטכנולוגיה התקדמה, חלק הדאגות העיקריות שלהם היה פתור3. עם זאת, הליבה של RLs נותרו כפי שהיו לאורך זמן: השימוש של מכשיר אלקטרוני עם חיבור לאינטרנט כדי לגשת למעבדה, לשלוט ולפקח על ניסוי.

בשל טבעם מרחוק, RLs ניתן להציע פעילויות ניסיוני למשתמשים מבלי לחשוף אותם הסיכונים עשויה להיות קשורה המימוש של ניסויים אלה. כלים אלה לאפשר לסטודנטים להקדיש יותר זמן עבודה עם ציוד מעבדה, ומכאן לפתח מיומנויות מעבדה טובה יותר. יתרונות נוספים של RLs הם כי הם 1) מאפשרים לאנשים נכים לבצע עבודה ניסויית, 2) להרחיב את הקטלוג של הניסויים המוצעים לסטודנטים על ידי שיתוף RLs בין אוניברסיטאות ו 3) להגדיל את הגמישות לתזמון עבודת מעבדה, מאחר וניתן לבצעה ממתי הפיזי מעבדה סגורה. לבסוף, RLs מציעים גם הדרכה בתפעול מערכות מבוקרת מחשב, המהווים כיום חלק חשוב של מחקר, פיתוח ותעשייה. לכן, RLs לא יכול רק להציע פתרון לנושאים פיננסיים ובטיחות שניהם כי מעבדות מסורתי להציג, אך גם לספק הזדמנויות ניסיוני יותר מעניין.

עם הגדרת הניסוי נעשה שימוש בעבודה זו, זה ניתן למדוד את הגודל גובה של droplet לכוד, לחקור את התנועה של חלקיקים טעונים בשדות חשמליים ולנתח כיצד ניתן להשתמש כדי לשנות את החיוב על droplet4 מקור רדיואקטיבי .

בכיוונון ניסיוניים שהוצגו, לייזר רבת עוצמה מכוונת כלפי מעלה, ממוקד אל מרכז תא זכוכית4. הלייזר הוא 2 W 532 ננומטר דיודת-שאוב solid-state לייזר (CW), שבו בדרך כלל נעשה שימוש בערך 1 וואט (W). אורך המוקד של העדשה השמנה היא 3.0 ס מ. טיפות נוצרים עם מתקן droplet piezo לסרו קרן הלייזר עד שהם לכודים מעל המוקד של הלייזר. השמנה מתרחשת כאשר הכוח שמפיקים כלפי מעלה ביים לחץ קרינה שווה לכוח הכבידה מכוונת כלפי מטה. יש ללא הגבלת זמן העליון ציין להשמנה. הזמן הארוך ביותר שהיה לכוד droplet 9 שעות, לאחר מכן, המלכודת היה כבוי. האינטראקציה בין ה-droplet ואת השדה לייזר יוצרת תבנית עקיפה אשר משמש כדי לקבוע את גודלו של טיפות.

טיפות הנפלטים מנפק מורכבות של 10% גליצרול ו 90% מים. החלק המים מתאדה במהירות, עוזב droplet גליצרול בגודל 20-30 מיקרומטר במלכודת. הגודל המרבי של droplet זה יכול לבצע עליו השמנה הוא כ-40 מיקרומטר. יש אין אידוי נצפתה לאחר בערך 10 s. בשלב זה, כל המים צפוי להיות התאדו. הפעם השמנה ארוך ללא כל אידוי הנצפה מציין כי הספיגה מינימלית וכי ה-droplet במהותה היא בטמפרטורת החדר. מתח הפנים של טיפות גורם להם כדורית. המטען של טיפות שנוצר על ידי מנפק droplet תלוי בתנאים הסביבתיים במעבדה, איפה הם הנפוצים ביותר להיות אניון. החלק העליון והחלק התחתון של התא השמנה מורכב שתי אלקטרודות להציב 25 מ מ אחד מהשני. הם יכולים לשמש כדי להחיל אנכי חשמליים זרם ישר (DC) או זרם חילופין (AC) שדה מעל ה-droplet. השדה החשמלי אינה חזקה מספיק כדי ליצור קשתות כלשהי גם אם 1000 וולט (V) מוחל על האלקטרודות. אם שדה DC, ה-droplet להעברת למעלה או למטה בתוך הקרן עמדה יציבה שיווי משקל חדש. אם שדה AC מוחל במקום, ה-droplet מתנדנד סביב מעמדה שיווי משקל. סדר הגודל של תנודות תלוי בגודל המטען של ה-droplet, על עוצמת השדה החשמלי ועל את הנוקשות של המלכודת לייזר. תמונה של ה-droplet מוקרן על גבי גלאי רגיש עמדה (PSD), המאפשרת למשתמשים לאתר את המיקום האנכי של ה-droplet.

עבודה זו מציגה יוזמה מוצלחת של מודרניזציה הוראה ומחקר באמצעות מידע וטכנולוגיות תקשורת דרך RL חדשני בתליה אופטי של droplets טעונה, אשר ממחיש את המושגים המודרניים בפיזיקה. איור 1 מציג את הארכיטקטורה של RL. טבלה 1 מציגה את הפציעות אפשרי לייזרים שיכולים לגרום לפי מחלקות שלהם; בהגדרת הזה, לייזר Class IV כבר בשימוש, אשר הוא המסוכן ביותר. זה יכול לפעול עד 2.0 W של קרינת לייזר גלוי, אז הבטיחות שסופקו על-ידי הפעולה מרחוק מתאים בבירור את הניסוי הזה. רחיפה אופטי של droplets טעונה RL הוצגה העבודה של גלאן ד. et al. ב 20185. בעבודה זאת, הוכח כיצד ניתן להשתמש באינטרנט על ידי המורים שרוצים לחבר את הסטודנטים המושגים המודרניים של פיזיקה ללא צורך להיות מודאגים לגבי העלויות, הלוגיסטיקה או על בעיות בטיחות. התלמידים לגשת RL את דרך פורטל אינטרנט בשם אוניברסיטת רשת של מעבדות אינטראקטיביים (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es), שבו הם יכולים למצוא את כל התיעוד לגבי התיאוריה הקשורים הניסוי ואת השימוש ניסיוני תוכנית ההתקנה של יישום אינטרנט. באמצעות המושג של מעבדה מרחוק, עבודה ניסויית הגדיל הדורש ציוד יקר ומסוכן יהיה זמין כדי קבוצות חדשות של תלמידים. יתר על כן, היא מגבירה את הלמידה הפורמלית על-ידי מתן תלמידים מסורתיים עם עוד פעם מעבדה ועם ניסויים שאינם נגישים בדרך כלל מחוץ מעבדות מחקר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: הלייזר בשימוש בניסוי זה הוא לייזר class IV אספקת עד 1 W של קרינת לייזר גלוי. כל אנשי הצוות נוכחים במעבדה לייזר חייב ניהלו הדרכות בנושאי בטיחות לייזר נאותה.

1. על הידיים נסיוני

  1. בטיחות
    1. ודא שכולם במעבדה מודעת לייזר תופעל.
    2. הפעל את המנורה אזהרה לייזר במעבדה.
    3. בדוק כי אין לצפות או מתכת טבעות הם שחוקים לשים את משקפי לייזר.
    4. בדוק כי ארבעת אור קליטת לוחות, הקרוב ביותר הניסוי, נמצאים במקום.
    5. בדוק את הרווח בין הלייזר את הלוח סופג על מכשולים. בנוסף, בדוק כי הרווח בין התא השמנה לבין הרחוב קרן הינה ללא תשלום של אובייקטים.
  2. להכין את התוכנה של הניסוי.
    1. הפעל את המחשב למעבדה. חכי עד שיהיה מוכן לפעול.
    2. פתח את התיקייה הפעלה מרחוק משולחן העבודה, לחץ על הסמל Main1806.vi. הפעל את התוכנית על ידי לחיצה על החץ בפינה השמאלית העליונה.
      הערה: זה פותח את תוכנית שליטה (למשל, Labview) שמוצג באיור 2 ו- 3 איור , מפעילה אוטומטית את שניהם הזרם החשמלי הלייזר והשדה החשמלי. כל הכפתורים מעכשיו שאוזכרו בסעיף זה מתייחסים אלה המופיעות במספרים אלה.
    3. תחת "EJS משתנים", סמן את תיבת הסימון בשם "Enable2 מרחוק לייזר" כוח ולהגדיר "לייזר current2" 25 כך לשקופית כוח לייזר ימינה בסוף 25%. להתבונן באמצעות משקפי לייזר היישור כדי לוודא כי הקרן מסתיימת ב קובץ dump של קרן הלייזר. אם לא, לכוונן את המיקום של קובץ dump של קרן.
    4. בדוק Drops2 ולהעביר את קצה מנפק droplet עד טיפות נופלות לתוך קרן הלייזר. לעשות זאת על-ידי התאמת השלב תרגום מסומן באות A באיור4. למטרה זו, בעדינות לפנות את הברגים נהיגה בבסיס של השלב תרגום עד לתנוחה הרצויה.
      1. אם אין טיפות באים, ללחוץ במזרק עד droplet מוצגים על חוד מנפק. . תנגב אותה בזהירות (tip שביר) באמצעות נייר עם אצטון. טיפות צריך להתחיל עכשיו בא. כאשר זה קורה, להתחיל מחדש מנקודה 1.2.4.
    5. להעלות את עוצמת הלייזר כדי כ 66% באמצעות לייזר 2 הנוכחי שדה קלט מלכודת droplet. בטל Drops2 ברגע droplet נלכד.
      הערה: איור 5 מראה droplet בשבי הסביבה ניסיוני. נקודה ירוקה התחתון מקביל ה-droplet אמיתי, ואילו בחלק העליון יש האחד. ההשתקפות שלה על הזכוכית של התא שבו ממוקם ה-droplet. מרגע זה ואילך, יהיה שה-droplet לכוד עכשיו עם תמונה על גבי PSD.
  3. לקבוע את גודלו של droplet.
    1. התאם את עוצמת הלייזר עד המיקום PSD הוא הכי קרוב ככל האפשר לאפס.
      הערה: כמו טיפות יכול להיות לכוד מתחת או מעל עמדות ההשמנה הקודם, בהתאם את עוצמת הלייזר או את הגודל ומשקל. שלב זה מבוצע כדי להעביר את התמונה droplet למרכז PSD.
    2. לצפות תבנית עקיפה שנוצרו על המסך (ראו איור 1). צלם תמונה עם מצלמת אינטרנט שמוצג להתבונן במסך מתחת.
      הערה: התבנית נגרמת על ידי אור לייזר diffracted על ידי ה-droplet לכוד.
    3. השתמש בתמונה כדי לקבוע מרחקים מקו מסומן 1-2 קיצון שרירותי בתמונה. המרחק הוא חיובי אם זה רחוק יותר מה-droplet מאשר הקו מסומן 1, אחרת שלילי. לאחר מכן, להוסיף 40 ס"מ בשני מרחקים. קוראים את הקצר 1ו- הארוך 2. השתמש משוואה 1 כדי לחשב את הגודל של ה-droplet:
      Equation 1(1)
      איפה, x הוא המרחק האנכי בין ה-droplet על המסך (x = 23.5 ס מ), λ הוא אורך הגל של האור לייזר (λ = 532 ננומטר) וδn הוא המספר של בשולי (מספר שלם) בין קיצון שני המשמשת לחישוב.
      הערה: כאשר ה-droplet עם תמונה באמצע PSD, המרחק (x), ה-droplet על המסך הוא 23.5 ± ס מ 0.1. ניתן למצוא הסבר מפורט יותר של התהליך העבודה של. ג'יי Swithenbank et al. 6.
  4. לקבוע הקוטביות של המטען של ה-droplet.
    1. בחר את הכרטיסיה הפעל בצד ימין של המשתנים EJS ולהגדיר את שדה הראיה -DC control2 +2 V (ראה איור 3). תיזהר, מאז המתח על האלקטרודה הוא עכשיו 200 וולט.
      הערה: הקוטביות של עלות droplet נקבעת על ידי התבוננות כיצד ה-droplet מגיבים שדה חשמלי אנכית שימושית. קלסתרון של אופן החלת השדה החשמלי ניתן לראות באיור 6
  5. לקבוע את המטען של ה-droplet
    הערה: כדי לחשב את המטען של ה-droplet, יש צורך תחילה למדוד את הגודל של ה-droplet. אז ניתן לקבוע את המשקל של ה-droplet מאז צפיפות הנוזל ידוע. איור 7 מתאר את ההליך סכמטי.
    1. הגדר את שדה הראיה -DC control2 כאפס.
    2. מעריכים ורשום את הערך הממוצע עבור המיקום של ה-droplet על ידי PSD לנרמל את המיקום ב- תרשים Waveform.
    3. שים לב לערך של הכוח לייזר. ערך זה יהיה FRad1 2 במשוואה.
    4. הגדר את שדה הראיה -DC control2 בין +1 +5 וולט או-1 ו-5 וולט כך הירידה נע כלפי מעלה. ה-droplet הוא כעת במיקום החדש. לאט לאט להפחית את עוצמת הלייזר עד ה-droplet בחזרה במקומו המקורי כפי שצוין בשלב 1.5.2. רשום את עוצמת הלייזר החדש (FRad2).
      אם ה-droplet אובד, בדוק Drops2 ולהתחיל מחדש מהשלב 1.2.4.
    5. השתמש בפרוצדורה הבאה כדי לחשב את המטען. ראשית, לחשב את הכוח של השדה החשמלי:
      Equation 2(2)
    6. לקבוע את החיוב המוחלט באמצעות הביטוי
      Equation 3(3)
      כאן d הוא המרחק בין האלקטרודות והוא U מתח המופעל.

2. פרוטוקול ניסויים מרחוק

  1. גישה מרחוק המעבדה.
    1. פתח את דף האינטרנט UNILabs בדפדפן אינטרנט: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. בחר את השפה הרצויה במידת הצורך. האפשרות היא למצוא את הפריט הראשון של התפריט תחת הכותרת.
    3. התחברו עם הנתונים הבאים:
      שם משתמש: מבחן
      סיסמה: מבחן
      הערה: המסגרת כניסה הוא תחת מידע חדשות ויישום של דף האינטרנט.
    4. באזור ' קורס ', בסמוך לאזור הכניסה, עזב לחץ על הלוגו של אוניברסיטת גטבורג (גו).
    5. לחץ על ריחוף אופטי כדי לגשת את החומר של הניסוי הזה.
    6. גישה למעבדה מרחוק על ידי לחיצה על מעבדה מרחוק של ריחוף אופטי. לאחר מכן, ודא מסגרת הראשית של המופע בדף אינטרנט ממשק המשתמש של המעבדה מרחוק, כמוצג באיור8.
  2. להתחבר אל המעבדה ריחוף אופטי.
    הערה: כל ההוראות כאן עיין באיור 8.
    1. לחץ על הלחצן התחבר . אם החיבור הוא מוצלח, טקסט הלחצן תשנה מחובר.
      הערה: כאשר משתמש מתחבר למעבדה מרחוק, הוא פולט אות אקוסטי זה מזהיר אנשים אחרים באזור שמסביב כי מישהו כוח לתמרן את הלייזר מרחוק.
    2. לחץ על מעקב אחר טיפות , בדוק כי הנתונים PSD קבלתו.
      הערה: כפי שיש טיפות לא נתפס בשלב זה, הערך שהתקבל אינה רלוונטית.
    3. לחץ על מבט כללי כדי לזהות את כל האלמנטים של ההתקנה: הלייזר, מנפק droplet, התא השמנה של PSD.
  3. השמנה droplet.
    הערה: כל ההוראות כאן עיין באיור 8.
    1. ברגע המעבדה מרחוק מחובר, לחץ על לחצן השמנה טיפות כדי להמחיש את פיפטה, הצינור מנפק ' droplet '.
    2. לחץ על לחצן הפעל לייזר ליצור חיבור לייזר.
      הערה: הלייזר מופעל באופן ידני, ללא תלות בשאר המכשירים כי זה עלול לגרום נזק לסביבה, אם זה לא מיושרים כהלכה.
    3. להגדיר את עוצמת הלייזר סביב הרבעון הראשון של רצועת שליטה, הנמצא תחת לחצן הפעל לייזר . לחכות עד אור ירוק יהיה גלוי.
    4. בדוק את יישור הלייזר.
      הערה: אם הלייזר מיושרת כהלכה, קרן אור ירוק דק יראה. אחרת, מקום ירוק פזורים להיתפס. במקרה של יישור שגוי, לכבות את המערכת, פנה אל שירותי תחזוקה של המעבדה. כדי לפנות את שירותי תחזוקה, לחץ על הסמל המייצג את בועת דיבור, ממוקם בפינה השמאלית העליונה של דף אינטרנט UNILabs. ולאחר מכן לחץ על ההודעה משתמש Admin , לכתוב את ההודעה בתחתית המתארת את הבעיה ולחץ שלח. זה בדרך כלל לא קורה, מאז כל המערכת האופטית קבועים.
    5. להגביר את עוצמת הלייזר כדי 3/4 של הבר.
      הערה: כוח של 60% (550 mW) זה מספיק כדי ללכוד לשמור droplet מרחף מגנטית.
    6. לחץ על לחצן התחל טיפות כדי להפעיל את מתקן droplet.
    7. צפה בתמונה מצלמת והמתן עד הבזק מופק. באותו הרגע, כבר נתפס droplet. לבדוק שוב את התמונה מצלמת וודא כי droplet הוא פרוגרסיבי במרכז התא השמנה. לחץ על לחצן עצור טיפות כדי לבטל מנפק droplet.
      הערה: לחלופין, זה אפשרי להשיג droplet גדולים יותר על ידי לתפוס כמה מהם ואני מחכה להם להתמזג עם האחד נלכדו. יש צורך לזכור כי אם כמה הם נתפסו, עליות המוני droplet כך עוצמת הלייזר לא בטוח שיהיה מספיק כדי לשמור על התרוממתי.
  4. לקבוע את גודלו של droplet.
    הערה: כל ההוראות כאן עיין איור 9.
    1. לחץ לחצן שינוי גודל טיפות כדי לבחון את דפוס עקיפה הנוצרת על-ידי ה-droplet לכוד.
    2. בצע את ההליך כמו פרוטוקול ניסויים על הידיים (שלב 1.3) כדי לקבוע את גודלו של ה-droplet באמצעות התבנית עקיפה.
  5. קביעת את הקוטביות תשלום ' droplet '.
    הערה: כל ההוראות כאן עיין איור 10.
    1. לחץ על לחצן מעקב טיפות כדי להציג את הגרף PSD ונוף מצלמת אינטרנט של פיפטה.
    2. לחץ על הכרטיסיה שדה חשמלי בפינה השמאלית התחתונה של ממשק המשתמש.
    3. הגדר את מתח DC 100 וולט. כדי לעשות זאת, לחץ על השדה המספרי בצד ימין של התווית DC (V) והזן את הערך 100.
    4. בדוק את גרף PSD המציג את המיקום של ה-droplet ולבחון אם ה-droplet נע כלפי מעלה או כלפי מטה כאשר השדה החשמלי מוחל.
      הערה: הקוטביות של הלוחות מסודרים כך אם מתח חיובי מוחל, טיפונת טעונים שלילית ינוע כלפי מטה ו droplet הטעון חיובית ינוע כלפי מעלה.
    5. עכשיו לשנות את הערך של שדה חשמלי, בדוק כי ה-droplet נע בכיוון ההפוך; למטרה זו, הזן-100 בשדה המספרי DC (V) .
  6. לקבוע את המטען של ה-droplet.
    הערה: כל ההוראות כאן עיין איור 10.
    1. נתקל droplet לכוד, לחץ על התצוגה מעקב טיפות .
    2. בחר בתפריט שדה חשמלי .
    3. הגדר שדה חשמלי DC אפס בשדה המספרי DC (V) .
    4. מעריכים, הערה ערך הממוצע של העמדה droplet שניתנו על ידי התרשים ורשום את עוצמת הלייזר.
    5. הגדר שדה חשמלי DC ערך בין +500 V ל-500 V כדי להפוך את ה-droplet לשנות את מיקומה.
    6. להפחית או להגביר את עוצמת הלייזר בעזרת המחוון עד ה-droplet בחזרה למיקום המקורי ורשום את הערך החדש של הכוח לייזר.
    7. בצע את ההליך המתואר בשלב 1.5.5 לחישוב החיוב droplet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כאשר קרן הלייזר מיושרים כראוי, צלחת התחתון נקי, הטיפות לכודים כמעט מיד. כאשר droplet נלכד העסק יוכל להישאר במלכודת למשך מספר שעות, נותן המון זמן בשביל חקירות. רדיוס r של טיפות הוא בטווח של 25 ≤ r ≤ מיקרומטר 35 ו הטעינה יש כבר נמדד בין 1.1x10-17 ±1.1 x10: תרכיזי C 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 ג גודל טיפות נשאר, על פי המידות שלנו, קבוע לאורך זמן, אך החיוב לאט לפזר משם, מתן תגובות קטנים יותר ויותר מתוך העמדה של ה-droplet בשעת החלת שדה חשמלי. זה נותן למשתמש הזדמנות כדי למדוד חיובים שונים על ה-droplet אותו אם הוא או היא סבלנית.

המעבדה מרחוק פותחה באמצעות סימולציות Java/JavaScript קל7 והוא נגיש באמצעות אתר האינטרנט UNILabs8. לגבי התוכנה בקרה מקומית של המעבדה, היא פותחה באמצעות התוכנה שליטה. החיבור של המקומיים והמרוחקים התוכנה פותחה בעקבות, נבדק באופן נרחב, העבודה של כאוס ד. et al. 9. הרעיון של יצירת מעבדה מרחוק עבור ריחוף droplet אופטי מבוסס על שני עמודי תווך: 1) כדי לאפשר חוקרים בחלקים אחרים של העולם שאין תוכנית התקנה זו לעבוד איתם ו 2) כדי לבצע סוג זה של הניסוי זמין פיזיקה תלמידים.

הסביבה נבדקו בהרחבה הן המקומיים והן מרחוק כדי לתמוך את עבודת החוקרים. הוכח, כי רביב לכידת יכול לקחת בין 2 שניות 1 דקה. וריאציה זו נובעת יישור הלייזר וניקוי פיפטה. מסיבה זו, כמות קטנה של התחזוקה מתבצעת בכל יום כדי לאפשר את המעבדה לתפקד כהלכה. לאחר ה-droplet כבר נתפס, הוא יכול לעמוד פרוגרסיבי במשך פרקי זמן ארוכים, להגיע יותר מחצי שעה, תקופה מספיק לבצע את כל המשימות המספק על-ידי המערכת. העובדה כי מספר טיפות ניתן לכווץ, נהיה לכודים, מאפשר למשתמשים לבדוק במהירות את התיקון של הפרוטוקולים הנוגעים בחישוב תשלום מסה ו חשמל, כמו ההבדל בתוצאות בין שתי טיפות התמוטטה, והוא טיפה אחת יותר משמעותי יותר אם הם רק להשוות בין שתי טיפות ייחודי נתפס ברגעים שונים. בנוסף, לאור את היציבות ואת reconfigurability של הסביבה, משמשת בסיס עבור הוספת מיכשור חדש, ובכך מאפשר פונקציונליות חדשה. דוגמה של עובדה זו היא ניתוח, מתבצעות כיום ב אוניברסיטת גטבורג, כדי לחקור את ההשפעה של דגימות על התופעה של ריחוף אופטי.

הדרך היעילה רק לאפשר לסטודנטים רבים לגשת לסוג זה של החוויה היא דרך מעבדה מרחוק, בעיקר מסיבות של אבטחה. כמו כן, מחקר כגון כי של לונדגרן ואח מראה כי הסטודנטים ניסיון בעבודה עם מעבדה מרחוק הוא שימושי כמו זה של מעבדה מסורתי10. הסביבה מאפשר לתלמידים צעירים לגלות את הרעיון של ריחוף האופטי על ידי התבוננות איך קרן הלייזר להתרומם ביעילות החומר. המורה יכול גם להציג מטען חשמלי בפני התלמידים בלמדם את הקוטביות של טיפות. יותר מתקדם סטודנטים, בחישוב של ה-droplet מסה ו תשלום ניתן לכלול את פרוטוקול עבודה.

מעבדה זו שימש בשיעור פיזיקה (halmstad), שבדיה, עם תלמידי התוכנית תעודת בגרות הבינלאומי (ליברות) (www.ibo.org). המורה בעקבות פרוטוקול מרחוק המתוארת בשלב 2. לאחר החוויה, התלמידים רואיינו על ידי לשאול אותם שאלות על הסביבה, המדידות שנעשו, המושגים הפיזיים הבסיסיים שהם למדו, ולא את היתרונות ואת החסרונות שהם המרהיב הנשקף באמצעות המעבדה מרחוק. בסך הכל, התלמידים הבינו התהליך עקב ומחושב בגודל של הטיפות, קבלת תוצאות קרובות הגודל האמיתי של הטיפה לכוד. הם הבינו את הסיכונים המעורבים בשימוש לייזר רב עוצמה, היו שהציעו הוספת שיפורים הפריט החזותי של הניסוי, כגון קניית טוב יותר מצלמות או כולל אלמנטים מציאות רבודה.

Figure 1
איור 1: אדריכלות מן הניסויים מעבדה מרחוק. משתמשי אינטרנט להתחבר אל דף האינטרנט של UNILabs באמצעות המחשב או המכשירים הניידים שלהם. הסביבה אינטרנט מגישה את המעבדה מרחוק JavaScript יישום המאפשר לפעול מרחוק את הניסוי. יישום זה מתחבר למחשב ממוקם במרחק המעבדה באמצעות תווכה שרת JIL, המאפשרת את התקשורת בין LabVIEW תוכניות ויישומים של JavaScript. בסופו של דבר, המחשב למעבדה מתקשר עם הגדרת הניסוי באמצעות הקלפים DAQ הצורך ותוכנית LabVIEW. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: תוכנית LabView: תצורת לוח. בכרטיסיה ' תצורה ' בתוכנית LabView משמש בניסויים על הידיים במצב החל את הניסוי על-ידי הפעלת הלייזר- ואני מתחיל את טיפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: תוכנית LabView: להפעיל את לוח. בכרטיסיה ' תצורה ' בתוכנית LabView משמש מצב הידיים על ניסויים לקביעת המטען של טיפות לכוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: פירוט של ההתקנה ניסיוני. מנפק droplet מוצג בחלק העליון של התמונה, התא האמצעי, בתחתית, במצלמת האינטרנט. האות a: השלב תרגום נהגה להתאים את מיקום מנפק בתוך התא. אות ב': העדשה המשמש את PSD תופסים את ה-droplet לכוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: פרוגרסיבי droplet לכוד. בתמונה זה ניתן לראות באחת טיפות פרוגרסיבי בתוך התא של ההתקנה. הצבע הירוק הוא בשל הלייזר והוא העובדה לראות שתי נקודות במקום אחד ה-droplet משתקף על הזכוכית של התא. במקרה זה, הנקודה העליונה היא ההשתקפות ואת הנקודה התחתונה היא ה-droplet. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: אלקטרודה תצורה להחלת שדות חשמליים- הגדרת הניסוי להחלת השדה החשמלי על גבי ה-droplet. כאשר מתח חיובי מוחל, droplets טעונה שלילית ינוע כלפי מטה, טיפות עם מטען חיובי ינוע כלפי מעלה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: קביעת תשלום טיפות. שרטוט סכמטי של ההליך לקביעת המטען מוחלטת של droplet שטיחות levitated. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8: ממשק מעבדה מרחוק: השמנה droplet. ניסויים מרחוק, ממשק יישום אינטרנט זה משמש כדי ללכוד droplet. Droplet לכוד ניתן לראות בתמונה שסופקו על-ידי מצלמת מעבדה בשל האור מפוזר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9: ממשק מעבדה מרחוק: שינוי גודל droplet. ניסויים מרחוק, ממשק יישום אינטרנט זה משמש כדי לקבוע את גודלו של droplet לכוד. התבנית עקיפה המוצג על-ידי מצלמת המעבדה ולאפשר קנה המידה משתמשים לקבוע את גודלו של ה-droplet לכוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10
איור 10: ממשק מעבדה מרחוק: החלת שדה חשמלי. ניסויים מרחוק, ממשק יישום אינטרנט זה משמש כדי להחיל שדה חשמלי על ה-droplet לכוד. בדוגמה זו, שדה חשמלי 200 V AC מוחל. האות PSD מעבדה מוצגת בגרף הנכון וזה מראה תנועת נדנוד של ה-droplet בעקבות שדה חשמלי לשנות אשר הוחל ב סביב t = 10 ס אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

לייזר בכיתה פציעה
מחלקה 1 מסוגל לגרום כל נזק במהלך פעולה רגילה
מחלקה 1 מ' אינם גורמים לכל סוג של פגיעה, אם אין אספנים אופטי משמשים.
מחלקה 2 לייזרים גלוי זה לא תגרום לפגיעות ב- 0.25 s
מחלקה 2 מ' אם אין אספנים אופטי משמשים, הם אינם מסוגלים גרימת חבלה ב 0.25 s.
Class 3R מעט בטוחים עבור intrabeam במלונות; עד 5 פעמים המחלקה 2 להגביל עבור לייזרים גלוי או 5 פעמים את מגבלת שיעור 1 עבור לייזרים בלתי נראים
Class 3B עין מפגע לחזון ישירה, בדרך כלל לא עין מפגע לנטרל את החזון
שיעור 4 סיכון העין ועור חשיפה ישירה והן מפוזרות

טבלה 1: לייזר סיווג סיכום. לייזרים שונים בשוק יכולים להיות מסווגים לפי hazardousness שלהם, הסיכונים בשימוש שלהם. הטבלה מציגה סוגים שונים של לייזרים כניסה (בעמודה השמאלית) שלהם סכנה פוטנציאלית (בעמודה השמאלית).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

עבודה זו מציגה הכנה ביצוע ניסוי בפיסיקה המודרנית שבה הן טיפות שטיחות התרוממתי. ניתן לבצע את הניסוי דרך תרגולים מסורתית או מרחוק. עם הקמת המערכת המרוחקת, סטודנטים וחוקרים מכל העולם יכול לקבל גישה שיבנו ניסיוני. זה גם מבטיח הבטיחות של המשתמשים, מכיוון שהם לא צריכים להיות בנוכחותו של לייזר ובעוצמת ושל שדות חשמליים הדרושים עבור הניסוי. בנוסף, המשתמשים יכול לקיים אינטראקציה עם מכשור בצורה מאוד פשוטה, על-ידי שליחת פקודות ברמה גבוהה דרך המחשב עקב האוטומציה של הסידור. כאשר לעומת ההליך על הידיים, הניסויים מרחוק מציע חוויה דומה מאוד. אחת מנקודות המפתח של הניסוי הציגו הוא קבלת גודל טיפות, מאז יש לה השפעה גדולה על החישובים של החיוב המוחלט. השתמשו בשלוש שיטות שונות כדי לקבוע את גודלו, הם מסכימים היטב: (1) השיטה המתוארת לעיל (באמצעות התבנית עקיפה) (2) כדי נעים ה-droplet עם שדה חשמלי אנכי ולהשתמש ההבדל שלב בין חברת החשמל השדה, את המיקום ואת (3) כדי להמחיש את הצל של ה-droplet על מסך, ועם מצלמה לקבוע את הגודל. ההגדרה היא להיות מוכנים גם טיפות לכוד לחקור בואקום. קודם ה-droplet נלכד באוויר, ואז התא מוקף, האוויר מוסר. בדרך זו, אותה ניתן יהיה לחקור את המאפיינים של droplet לכוד בואקום.

עם מעבדת מרחוק, הציג החיוב ואת גודל חלקיקים מבודד בגודל מיקרומטר יכול להיקבע. התפתחות נוספת של ההתקנה סיפקה דרך ללמוד droplet בגודל מיקרומטר התנגשויות באמצעות מצלמות מהירות גבוהה11. עם הסידור ניסיוני כבסיס, זה נחקר כדרך רגיש כדי לעקוב אחר המיקום של חלקיקים באמצעות Sagnac Interferometer12. השיטה שלנו משמש כדי לקבל את המטען והגודל של טיפות אחת. המדידות לקחת די הרבה זמן לביצוע, אז זה בעיקר כלי כדי לעבוד עם טיפות יחיד. אם המטרה היא סטטיסטיקה טובה לכידת מספר גדול של טיפות, שיטות אחרות טובים יותר, כגון שיטת שהוצגו על-ידי Polat13.

כאשר המדידות נעשות, ה-droplet שוחרר ויורד אל החלק התחתון של התא, לצערי עושה הזכוכית התחתונה מלוכלך. זהו אילוץ לטווח ארוך שכן אור הלייזר ניתן לפזר, ביצוע קשה ללכוד את ה-droplet הבא. עם זאת, זה נפתר בקלות עם ניקוי תקופתי של התא.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכו על ידי מועצת המחקר השבדי, קארל Trygger´s קרן מחקר מדעי, ספרדית משרד הכלכלה ואת התחרותיות תחת הפרויקט CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. הודות Sannarpsgymnasiet על שנתת לנו לנסות את RL עם תלמידים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
GEM 532 Laser Quantum Green laser with adjustable power between 50 mW and 2 W
Lateral Effect Position Sensor THOR Lab PDP90A PSD to sensor the position of the droplet in the pipette
Advanced Educational Spectrometer Kit, Metric THOR Lab EDU-SPEB1/M Mirrors and other elements to control the laser beam 
Pipette Self made The chamber were the droplet is trapped was specially made for this setup
AC/DC Power supply Keithley Instruments, Inc. 2380-500-30 A power supply to generate the electric field (0V - 500V DC)
Power Distribution Unit APC AP7900 A PDU to remotelly connect the lab instrumentation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical levitation by radiation pressure. Applied Physics Letters. 19, 283-285 (1971).
  2. Roosen, G., Imbert, C. Optical levitation by means of two horizontal laser beams: A theoretical and experimental study. Physics Letters. 59, (1), 6-8 (1976).
  3. Heradio, R., de la Torre, L., Galan, D., Cabrerizo, F. J., Herrera-Viedma, E., Dormido, S. Virtual and remote labs in education: A bibliometric analysis. Computers & Education. 98, 14-38 (2016).
  4. Isaksson, O., Karlsteen, M., Rostedt, M., Hanstorp, D. An optical levitation system for a physics teaching laboratory. American Journal of Physics. 8810, 88-100 (2018).
  5. Galan, D., Isaksson, O., Rostedt, M., Enger, J., Hanstorp, D., de la Torre, L. A remote laboratory for optical levitation of charged droplets. European Journal of Physics. 39, (4), 045301 (2018).
  6. Swithenbank, J., Beer, J., Taylor, D., Abbot, D., Mccreath, G. A laser diagnostic technique for the measurement of droplet and particle size distribution. 14th Aerospace Sciences Meeting, Aerospace Sciences Meetings. (1976).
  7. Christian, W., Esquembre, F. Modeling physics with easy java simulations. The Physics Teacher. 45, 475-480 (2007).
  8. de la Torre, L., Sanchez, J., Heradio, R., Carreras, C., Yuste, M., Sanchez, J., Dormido, S. Unedlabs - an example of ejs labs integration into moodle. World Conference on Physics Education. (2012).
  9. Chaos, D., Chacon, J., Lopez-Orozco, J. A., Dormido, S. Virtual and remote robotic laboratory using ejs, matlab and labview. Sensors. 13, ISSN 1424-8220 2595-2612 (2013).
  10. Lundgren, P., Jeppson, K., Ingerman, A. Lab on the web-looking at different ways of experiencing electronic experiments. International journal of engineering education. 22, 308-314 (2006).
  11. Ivanov, M., Chang, K., Galinskiy, I., Mehlig, B., Hanstorp, D. Optical manipulation for studies of collisional dynamics of micron-sized droplets under gravity. Optics Express. 25, 1391-1404 (2017).
  12. Galinskiy, I., et al. Measurement of particle motion in optical tweezers embedded in a Sagnac interferometer. Optics express. 23, 27071-27084 (2015).
  13. Polat, M., Polat, H., Chander, S. Electrostatic charge on spray droplets of aqueous surfactant solutions. Journal of Aerosol Science. 31, 551-562 (2000).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics