Sikker eksperimentering i optisk Levitation av ladede dråper med ekstern Labs

Engineering

GE Global Research 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

Optisk levitation er en metode for levitating mikrometer store dielektrisk objekter ved hjelp av laserlys. Datamaskiner og automasjonssystemer, et eksperiment på optisk levitation kan fjernstyres. Her, vi presenterer en fjernstyrt optisk levitasjon system som brukes både utdanning og forskning.

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

Arbeidet presenterer et eksperiment der studie av mange grunnleggende fysiske prosesser, for eksempel Foton press, Diffraksjon av lys eller bevegelse ladede partikler i elektriske felter. I dette eksperimentet, en fokusert laser strålen peker oppover levitate væskedråper. Dråpene er levitated av Foton presset av fokusert laserstrålen som balanserer kraft. Diffraksjon mønsteret opprettet når opplyst med laserlys kan bidra til å måle størrelsen på en fanget dråpe. Ansvaret for fanget slippverktøyet kan bestemmes ved å studere sin bevegelse når en loddrett regissert elektriske feltet brukes. Det er flere grunner motiverende dette eksperimentet til fjernstyres. Investeringer som kreves for installasjonen overgår beløpet normalt tilgjengelig i undervisning undervisning laboratorier. Eksperimentet krever en laser av klasse 4, som er skadelig for både hud og øyne og eksperimentet bruker spenninger som er skadelig.

Introduction

Det faktum at lys bærer momentum ble først foreslått av Kepler da han forklarte hvorfor halen til en komet alltid peker fra solen. Bruk av en laser til å flytte og over makroskopisk objekter ble først rapportert av A. Ashkin og J. M. Dziedzic i 1971 da de vist at det er mulig å sveve mikrometer store dielektrisk objekter1. Fanget objektet ble utsatt for en oppadgående regissert laserstrålen. Del av laserstrålen ble reflektert på objektet som pålagt strålingen presset på det som var tilstrekkelig til å motvekt tyngdekraften. De fleste av lyset, men var brytes gjennom dielektrisk objektet. Endring av retning lyset forårsaker en rekyl av objektet.  Virkningen rekyl etter en partikkel i en Gaussian strålen profil er at slippverktøyet vil bevege mot regionen høyeste lysintensiteten2. Derfor opprettes en stabil overlapping posisjon i midten av laserstrålen på en posisjon over fokuspunkt hvor stråling press balanserer tyngdekraften.

Siden den optiske levitation tillater små gjenstander å være fanget og kontrollert uten kontakt med objekter, kan forskjellige fysiske fenomener studeres ved hjelp av et levitated slippverktøy. Men presenterer eksperimentet to begrensninger for å reproduseres og brukt på skoler og universiteter siden ikke alle institusjoner har råd til de nødvendige utstyret og siden det er visse risikoer i praktisk drift av laser.

Ekstern laboratorier (RLs) tilbyr online fjerntilgang til den virkelige laboratorieutstyr eksperimentelle aktiviteter. RLs først dukket opp på slutten av 90-tallet, med bruk av Internett, og deres betydning og bruk har vært økende gjennom årene som teknologien har kommet og noen av deres store bekymringer har vært løst3. Men kjernen av RLs har forblitt den samme over tid: bruk av en elektronisk enhet med Internett-tilkobling for å få tilgang til et laboratorium, og kontrollere og overvåke et eksperiment.

Deres eksterne naturen kan RLs brukes å tilby eksperimentelle aktiviteter til brukere uten å utsette dem til risikoene som kan knyttes til realisering av slike eksperimenter. Disse verktøyene gir elevene å tilbringe mer tid med laboratorieutstyr, og dermed utvikle bedre laboratorium ferdigheter. Andre fordeler ved RLs er at de 1) rette for handikappede mennesker å utføre eksperimentelt arbeid, 2) utvider katalogen av eksperimenter tilbys studenter ved å dele RLs mellom universiteter og 3) øke fleksibiliteten i planleggingen laboratoriearbeid, siden det kan utføres fra hjemme når er et fysisk laboratorium stengt. Til slutt, RLs tilbyr også opplæring i operativsystemer datastyrt, som i dag er en viktig del av forskning, utvikling og industri. Derfor tilby RLs ikke bare en løsning til både økonomiske og sikkerhet problemene at tradisjonelle labs presenterer, men også gi mer interessant eksperimentelle muligheter.

Med eksperimentelle oppsett brukes i dette arbeidet, er det mulig å måle størrelsen og betalt av en fanget dråpe, undersøke bevegelse ladede partikler i elektrisk felt og analysere hvordan en radioaktiv kilde kan brukes å endre gebyret på en dråpe4 .

Eksperimentelle oppsett presentert, er en kraftig laser rettet oppover og fokusert på midten av glass celle4. Laser er en 2 W 532 nm diode-pumpet solid-state laser (CW), der vanligvis ca 1 Watt (W) brukes. Brennvidden på objektivet overlapping er 3,0 cm. dråper genereres med en piezo slippverktøy dispenser og ned gjennom laserstrålen før de er fanget like over fokus for laser. Overlapping oppstår når kraften fra oppover regissert strålingstrykket er lik for nedadgående regissert kraft. Det er ingen øvre tidsbegrensning observert overlapping. Den lengste tiden en dråpe har blitt fanget er 9 timer, deretter, fellen ble slått av. Samspillet mellom slippverktøyet og laser produserer en Diffraksjon mønster som brukes til å bestemme størrelsen på dråpene.

Dråper slippes ut fra dispenser består av 10% glyserol og 90% vann. Delen vann fordamper raskt, etterlot en 20-30 µm størrelse glyserol dråpe i fellen. Maksimumsstørrelsen på et slippverktøy som kan overlappes er 40 µm. Det er ingen fordampning observert etter ca 10 s. På dette punktet forventes alle vann å ha fordampet. Lang overlapping tiden uten noen observerbare fordampning angir at det er minimal absorpsjon og at slippverktøyet i hovedsak ved romtemperatur. Overflatespenning av dråpene gjør dem sfærisk. Anklagen av dråper generert av slippverktøy dispenseren er avhengig av ytre forhold i laboratoriet, hvor de oftest blir negativt ladet. Toppen og bunnen av overtrykk cellen består av to elektroder plassert 25 mm fra hverandre. De kan brukes til å bruke en loddrett elektrisk likespenning (DC) eller vekselstrøm (AC) feltet over slippverktøyet. Det elektriske feltet er ikke sterk nok til å lage noen buer selv om 1000 Volt (V) brukes over elektrodene. Hvis en DC-feltet brukes, flyttes slippverktøyet opp eller ned i laserstrålen til en ny stabil likevekt stillingen. Hvis en AC-feltet brukes i stedet, svinger slippverktøyet rundt plasseringen likevekt. Omfanget av svingninger, avhenger av størrelsen og ansvaret for slippverktøyet, intensiteten av det elektriske feltet og stivhet av laser fellen. Et bilde av slippverktøyet er projisert på en posisjon-sensitive detektor (PSD), hvilke innrømmer brukernes å spore den vertikale plasseringen av slippverktøyet.

Dette arbeidet presenterer en vellykket initiativ av modernisering undervisning og forskning ved hjelp av informasjons- og kommunikasjonsteknologi gjennom en innovativ RL på optisk levitation av ladede dråper som illustrerer moderne begreper i fysikk. Figur 1 viser arkitekturen i RL. Tabell 1 viser mulige skader lasere kan forårsake etter klasse; I dette oppsettet, er en klasse IV laser brukt, og som er den farligste. Den kan operere med opptil 2.0 W av synlig laserstråling, så sikkerheten av eksterne operasjonen er tydelig egnet til dette eksperimentet. Den optiske levitation av ladede dråper RL ble presentert i arbeidet med D. Galan et al. i 20185. I dette arbeidet er det demonstrert hvordan kan det brukes online av lærere som ønsker å introdusere elevene til moderne konsepter for fysikk uten å være bekymret for kostnadene, logistikk eller sikkerhet problemer. Studenter tilgang RL gjennom en web-portal kalt universitet nettverk av interaktive laboratorier (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) i som de kan finne alle dokumentasjonen om teorien eksperimentet og bruken av den eksperimentelle konfigurasjon ved hjelp av en web-applikasjon. Ved å bruke konseptet med en ekstern laboratorium, kan eksperimentelt arbeid i moderne fysikk som krever kostbar og farlig utstyr gjøres tilgjengelig for nye grupper av studenter. Videre, det forbedrer formell læring ved å gi tradisjonelle studenter med mer laboratorium tid og eksperimenter som ikke vanligvis er tilgjengelige utenfor forskningslaboratorier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: Laseren som brukes i dette eksperimentet er en klasse IV laser levere opptil 1 W av synlig laserstråling. Alt personell i laser laboratoriet må ha gjennomført tilstrekkelig laser sikkerhetsopplæring.

1. hands-On eksperimentelle protokollen

  1. Sikkerhet
    1. Kontroller at alle i laboratoriet er klar over at en laser slås på.
    2. Slå på den laser advarselslampen i laboratoriet.
    3. Kontroller at ingen ser eller metall ringer er slitt og sette på laser briller.
    4. Kontroller at fire lys absorbere boards, nærmest for eksperimentet, er på plass.
    5. Kontroller avstanden mellom laser og absorberende styret for hindringer. Også sjekke at avstanden mellom fangst cellen og bjelken blokken er gratis fra objekter.
  2. Forberede programvaren og eksperimentet.
    1. Slå på datamaskinen for lab. Vent til den er klar å operere.
    2. Åpne mappen Ekstern oppstart fra skrivebordet og klikk på ikonet Main1806.vi. Kjør programmet ved å trykke på pilen øverst til venstre.
      Merk: Dette åpner kontroll programmet (f.eksLabview) som vist i figur 2 og Figur 3 og aktiverer automatisk både strømforsyningen for laser og det elektriske feltet. Alle knappene til nå i denne delen refererer til de som vises i disse tallene.
    3. Under "EJS variabler", markere avkrysningsruten heter "Laser ekstern virtuell Enable2" power og sette "laser current2" 25 slik at laser makt lysbildet til høyre ender opp på 25%. Observere laserstrålen bruke justeringen laser briller for å sikre at strålen ender opp i strålen fylling. Hvis ikke, justere plasseringen av bjelke fylling.
    4. Kontroller Drops2 og flytte tuppen av slippverktøy dispenser til dråpene faller inn i laserstrålen. Dette gjør du ved å justere oversettelse scenen merket med bokstaven A i Figur 4. For dette formålet, forsiktig slå kjøring skruer på bunnen av oversettelse scenen til ønsket posisjon.
      1. Hvis ingen dråper kommer, bruke litt press i sprøyten til et slippverktøy vises i spissen av dispenser. Stryke det nøye (skjøre tips) med et papir med aceton. Dråpene skal nå starte kommer. Når dette skjer, starte på nytt fra punktet 1.2.4.
    5. Øke laser makt til ca 66% ved hjelp av Laser gjeldende 2 felt og felle en dråpe. Fjern Drops2 så snart et slippverktøy er fanget.
      Merk: Figur 5 viser et slippverktøy i eksperimentell miljøet. Den nedre grønne prikken tilsvarer virkelige slippverktøyet, mens den øvre er refleksjon på glass cellen der slippverktøyet ligger. Fra dette øyeblikk på, vil det være fanget slippverktøyet er nå fotografert på PSD.
  3. Angi et slippverktøy.
    1. Juster laser makt til PSD er så nær som mulig til null.
      Merk: som dråper kan være fanget under eller over tidligere feller posisjoner, avhengig av laser makt eller størrelsen/vekt. Dette trinnet utføres for å flytte slippverktøy bildet til midten av PSD.
    2. Observere Diffraksjon mønsteret opprettet på skjermen (se figur 1). Ta et bilde med webkamera som plasseres for å observere skjermen fra under.
      Merk: Mønsteret er forårsaket av laserlys diffracted av fanget slippverktøyet.
    3. Bruke bildet for å bestemme avstander fra linje merket 1 til to vilkårlig minima i bildet. Avstanden er positiv hvis den er lengre fra slippverktøyet linjen merket 1, andre negative. Legg deretter til 40 cm til både avstander. Kall det korteste 1og den lengste 2. Bruk formel 1 til å beregne størrelsen på slippverktøyet:
      Equation 1(1)
      der x er den vertikale avstanden fra slippverktøyet til skjermen (x = 23,5 cm), λ er bølgelengdeområdet av laserlys (λ = 532 nm) og Δn er antall utkanten (heltall) mellom de to minima brukes i beregningen.
      Merk: Når slippverktøyet er fotografert i PSD, avstanden (x), fra slippverktøyet til skjermen er 23,5 ± 0,1 cm. En mer detaljert forklaring av prosessen kan finnes i arbeidet med J. Swithenbank et al. 6.
  4. Bestemme polariteten til ansvaret for slippverktøyet.
    1. Velg kategorien kjøre til høyre for EJS variabler og angi E-feltet DC control2 til 2 V (se fig. 3). Vær forsiktig, siden spenningen på elektroden er nå 200 V.
      Merk: Polaritet slippverktøy tillegget bestemmes ved å observere hvordan slippverktøyet svare på et anvendt loddrett elektrisk felt. En skisse av hvordan det elektriske feltet brukes ses i figur 6
  5. Bestemme ansvaret for slippverktøyet
    Merk: Hvis du vil beregne tillegget av slippverktøyet, er det nødvendig først å måle størrelsen på slippverktøyet. Vekten av slippverktøyet kan deretter bestemmes siden tettheten av væsken er kjent. Figur 7 beskriver fremgangsmåten skjematisk.
    1. Angi E-feltet DC control2 til null.
    2. Anslå og Merk en gjennomsnittsverdi for plasseringen av slippverktøyet av PSD normalisere posisjon spor i Diagrammet bølgeform.
    3. Note verdien for laser makt. Denne verdien blir FRad1 i ligning 2.
    4. Angi E-feltet DC control2 mellom 1 og 5 volt eller -1 og-5 volt slik at drop beveger seg oppover. Slippverktøyet er nå på en ny plassering. Sakte redusere laser makt til slippverktøyet tilbake i utgangsstillingen som nevnt i trinn 1.5.2. Skriv ned den nye laser makten (FRad2).
      Hvis du mister slippverktøyet sjekk Drops2 og starte på nytt fra trinn 1.2.4.
    5. Bruk følgende fremgangsmåte til å beregne tillegget. Først beregne fra feltet elektriske:
      Equation 2(2)
    6. Bestemme absolutt tillegget bruker uttrykket
      Equation 3(3)
      Her d er avstanden mellom elektrodene og U er anvendt spenning.

2. eksterne eksperimentering protokollen

  1. Tilgang til ekstern laboratoriet.
    1. Åpne UNILabs webside på en web-leser: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Velg ønsket språk om nødvendig. Alternativet finnes på det første elementet på menyen under overskriften.
    3. Logg inn med følgende data:
      Brukernavn: test
      Passord: test
      Merk: Logg inn rammen er under Nyheter og introduksjon info på nettsiden.
    4. I området kurs ved påloggingsfeltet, venstre klikk på logoen til Universitetet i Gøteborg (GU).
    5. Klikk på Optisk Levitation tilgang til materialet av dette eksperimentet.
    6. Access ekstern laboratoriet ved å klikke på Ekstern laboratorium av optisk Levitation. Etter det, sikre at den viktigste rammen av websiden viser brukergrensesnittet til ekstern laboratoriet, som vist i Figur 8.
  2. Koble til optiske Levitation laboratoriet.
    Merk: Alle instruksjonene her se Figur 8.
    1. Klikk på knappen Koble til . Hvis tilkoblingen er vellykket, endres Knappeteksten til tilkoblet.
      Merk: Når en bruker kobler til ekstern laboratoriet, den avgir et akustisk signal som advarer andre personer i området rundt at noen vil slå på og manipulere laser eksternt.
    2. Klikk på sporing dråper og sjekk at PSD data mottas.
      Merk: Som det er ingen dråper fanget på dette punktet, er ikke verdien hentes relevant.
    3. Klikk på Generelt-visningen til å identifisere alle elementer av oppsettet: laser, slippverktøy dispenser, overlapping cellen og PSD.
  3. Overtrykke et slippverktøy.
    Merk: Alle instruksjonene her se Figur 8.
    1. Når ekstern laboratoriet er koblet, klikk på knappen overlapping dråper å visualisere pipette og slippverktøy dispenser munnstykket.
    2. Klikk på knappen slå på laser å etablere tilkoblingen til laser.
      Merk: Laser startes manuelt og uavhengig av resten av instrumentene fordi det kan skade miljøet hvis det ikke er riktig justert.
    3. Sette laser makt rundt første kvartal kontrollinjen, som ligger under knappen slå på laser . Vent til det grønn lyset er synlig.
    4. Sjekk laser justeringen.
      Merk: Hvis laser justeres riktig, en tynn grønt bjelke vil bli sett. Ellers vil en spredt grønne plass bli oppfattet. Ved feil justering, slå av systemet, og kontakt lab systemvedlikehold. Å kontakte systemvedlikehold, klikk på ikonet som representerer en tale boble, ligger i øvre venstre hjørne av UNILabs webside. Klikk på Admin-brukeren meldingen, skrive ned meldingen nederst som beskriver problemet og trykk Send. Dette skjer vanligvis ikke, siden alle optikk er løst.
    5. Øke laser makt til 3/4 av baren.
      Merk: En strøm av 60% (550 mW) er nok til å fange og holde et slippverktøy levitated.
    6. Trykk på Start drops for å slå på slippverktøy dispenser.
    7. Se webcam bildet og vent til en flash er produsert. I det øyeblikket tilordnet et slippverktøy. Kontroller webcam bildet igjen og at et slippverktøy er levitating i midten av overtrykk cellen. Trykk knappen Stopp drops deaktivere slippverktøy dispenser.
      Merk: Hvis det er mulig å få et større slippverktøy ved fange flere av dem og vente for dem å fusjonere med en allerede tatt. Må huske på at hvis flere er fanget, slippverktøy massen øker slik at laser makt ikke kan være nok til å holde det levitated.
  4. Angi et slippverktøy.
    Merk: Alle instruksjoner her se figur 9.
    1. Trykk knappen dimensjonering dråper å observere Diffraksjon mønster dannet av fanget slippverktøyet.
    2. Følg samme fremgangsmåte som hands-on eksperimentering protokollen (trinn 1.3) til å fastslå størrelsen på slippverktøyet gjennom Diffraksjon mønsteret.
  5. Avgjøre slippverktøy kostnad polaritet.
    Merk: Alle instruksjoner her se Figur 10.
    1. Klikk på knappen sporing dråper vise PSD grafen og webcam synspunkt på pipette.
    2. Klikk kategorien elektriske feltet nederst til venstre i brukergrensesnittet.
    3. Angi den DC spenningen til 100 V. Gjør klikk på det numeriske feltet til høyre av DC (V) og angi verdien 100.
    4. Sjekk PSD grafen viser plasseringen av slippverktøyet og observere om slippverktøyet beveger seg oppover eller nedover når det elektriske feltet brukes.
      Merk: Polariteten til platene er ordnet slik at hvis en positiv spenning, et negativt ladde slippverktøy flyttes nedover og et positivt ladet slippverktøy flyttes oppover.
    5. Nå endre verdien av elektrisk felt og kontroller at slippverktøyet beveger seg i motsatt retning; for dette formålet, skriver du inn-100 i DC (V) numerisk felt.
  6. Bestemme ansvaret for slippverktøyet.
    Merk: Alle instruksjoner her se Figur 10.
    1. Har et slippverktøy fanget, klikk på visningen sporing dråper .
    2. Velg elektrisk felt .
    3. Angi feltet DC elektrisk til null med DC (V) numerisk felt.
    4. Beregne og Merk en gjennomsnittsverdi av slippverktøy plasseringen gitt av diagrammet og Merk laser makt.
    5. Angi DC elektriske feltet til en verdi mellom 500 V og-500 V å gjøre slippverktøyet endre plassering.
    6. Redusere eller øke laser makt med glidebryteren til slippverktøyet er tilbake på den opprinnelige plasseringen og skriv ned den nye verdien av laser makt.
    7. Følg fremgangsmåten som er beskrevet i trinn 1.5.5 skal beregnes slippverktøy.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Når laserstrålen er godt organisert, og den nederste platen er ren, er dråper nesten umiddelbart fanget. Når et slippverktøy er fanget kan det bo i fellen i flere timer, gi god tid for undersøkelser. Radius r av dråpene er i størrelsesorden 25 ≤ r ≤ 35 µm og tillegget har blitt målt mellom 1.1x10-17 ±1.1 x10-18 C og 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. Størrelsen på dråpene forblir, ifølge våre målinger, konstant over tid, men kostnaden vil sakte diffus, gir mindre og mindre reaksjoner fra stillingen slippverktøyet når du bruker et elektrisk felt. Dette gir brukeren muligheten til å måle ulike belastninger på samme slippverktøyet hvis han eller hun er tålmodig nok.

Ekstern laboratoriet har blitt utviklet ved hjelp av enkel Java/JavaScript simuleringer7 og er tilgjengelig via UNILabs nettside8. Som for den lokale programvaren i laboratoriet, har det blitt utviklet bruke programmet kontroll. Tilkobling av eksterne og lokale programvaren er utviklet etter, vidt testet, arbeidet med D. kaos et al. 9. å skape et ekstern laboratorium for optisk slippverktøy levitation er basert på to pilarer: 1) for å tillate forskere fra andre deler av verden som ikke har dette oppsettet å arbeide med den og 2) for å gjøre denne typen eksperiment tilgjengelig for fysikk studenter.

Miljøet er blitt omfattende testet både lokal og ekstern støtte forskere arbeidet. Det har vist at slippverktøy fange kan ta mellom 2 sekunder og 1 minutt. Denne varianten er pipette rengjøring og laser justering. Derfor er litt vedlikehold utført hver dag å aktivere laboratoriet for å fungere riktig. Når slippverktøyet er spilt, den tåler levitating over lengre tid, nå mer enn en halv time, en periode som er tilstrekkelig til å utføre alle oppgavene som gir systemet. Det faktum at flere drops kan skjule og bli fanget, kan brukere raskt sjekke korreksjon av protokollene knyttet til beregningen av masse og elektrisk, som forskjellen i resultater mellom to dråper kollapset, og en eneste dråpe er mer betydning enn hvis de bare sammenligner to unike dråper fanget på ulike tidspunkt. I tillegg fungerer gitt stabilitet og reconfigurability av miljøet, det som et grunnlag for å legge til nye instrument og dermed aktivere nye funksjoner. Et eksempel på dette er en analyse, gjennomførte i dag ved Universitetet i Gøteborg, å studere påvirkning av radioaktive prøver på fenomenet optisk levitasjon.

Den eneste effektive måten å tillate mange studenter tilgang denne typen erfaring er gjennom ekstern laboratorium hovedsakelig av sikkerhetsgrunner. Også viser forskning som Lundgren et al. at elevenes erfaring med å jobbe med en ekstern laboratorium er nyttig som en tradisjonell laboratorium10. Miljøet kan yngre studenter å oppdage begrepet optisk levitation ved å observere hvordan laserstrålen kan effektivt levitate saken. Læreren kan også introdusere elektrisk ladning til studentene ved å studere polariteten til dråpene. For mer avanserte studenter, beregning av slippverktøyet masse og kostnad kan inkluderes i arbeid-protokollen.

Dette laboratoriet er brukt i en fysikk klasse i Halmstad, Sverige, med studenter fra International Baccalaureate (IB) diplom programmet (www.ibo.org). Læreren fulgte fjernkontroll som beskrevet i trinn 2. Etter opplevelsen, ble studentene intervjuet av å spørre dem om miljøet, målingene gjort, underliggende fysiske begrepene de hadde lært, og fordelene og ulempene de oppfattet av eksterne laboratoriet. Samlet forstått studentene prosessen fulgte og beregnet størrelsen av hans drops, oppnå resultater nær den virkelige størrelsen av fanget drop. De forsto risikoene ved hjelp av kraftige lasere og noen foreslo å legge til forbedringer i visualisering av eksperimentet, som kjøper bedre kamera eller inkludert utvidet virkelighet elementer.

Figure 1
Figur 1: arkitektur av eksterne laboratorium eksperimentering. Internett-brukere koble til UNILabs websiden bruker deres computer eller transportabel anordninger. Web miljøet serverer ekstern laboratoriet JavaScript-program som gjør det mulig for å betjene eksternt eksperimentet. Dette programmet kobler til en datamaskin i laboratoriet gjennom JIL server mellomvare, som muliggjør kommunikasjon mellom JavaScript programmer og LabVIEW programmer. Til slutt, lab datamaskinen kommuniserer med eksperimentelle oppsett med nødvendig DAQ kortene og LabVIEW program. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: LabView program: konfigurasjonsskjermbilde. Kategorien konfigurasjon i LabView programmet brukes i modus for hands-on eksperimentering for å starte eksperimentet ved å slå på laser på og starter dråpene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: LabView program: kjøre panelet. Kategorien konfigurasjon i LabView programmet brukes i modus for hands-on eksperimentering for å bestemme ansvaret for fanget dråpene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: detalj av eksperimentelle. Slippverktøy dispenser vises øverst i bildet, cellen i midten og nederst, webkamera. Brev A: oversettelse scenen brukes til å justere plasseringen av dispenser i cellen. Brev B: objektiv av PSD oppfatter fanget slippverktøyet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: en fanget slippverktøy levitating. I bildet er det mulig å se en av dråpene levitating inne i cellen oppsettet. Den grønne fargen skyldes laser og faktum av å se to prikker i stedet for en er at slippverktøyet reflekteres i glass cellen. I dette tilfellet det øverste punktet er refleksjon og lavere poenget er slippverktøyet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: elektrode konfigurasjon for bruk av elektriske felter. Eksperimentelle oppsett for å bruke det elektriske feltet på slippverktøyet. Når en positiv spenning brukes, negativt ladede dråper vil flytte nedover og dråper med positive ladningen flyttes oppover. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: bestemmelse av dråper. En skjematisk skisse av fremgangsmåten for å fastslå absolutt ansvaret for en optisk levitated slippverktøy. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8: ekstern lab grensesnitt: overlappe et slippverktøy. I eksterne eksperimentering brukes dette webgrensesnittet for programmet til å overtrykke et slippverktøy. En fanget dråpe kan ses i bildet av lab webcam på grunn av spredte lys. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9: ekstern lab grensesnitt: bedømme et slippverktøy. I eksterne eksperimentering brukes dette webgrensesnittet for programmet til å fastslå størrelsen på en fanget dråpe. Diffraksjon mønsteret vises lab webcam og skalaen tillater brukere å bestemme størrelsen på fanget slippverktøyet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 10
Figur 10: ekstern lab grensesnitt: bruke et elektrisk felt. I eksterne eksperimentering brukes dette webgrensesnittet for programmet å bruke et elektrisk felt på fanget slippverktøyet. I dette eksemplet brukes en 200 V AC elektrisk felt. Lab PSD signalet vises i diagrammet til høyre, og den viser oscillerende bevegelsen av slippverktøyet etter et elektrisk felt endre som ble brukt på rundt t = 10 s. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Laser klasse Mulig skade
Klasse 1 Stand til å forårsake noen skade under en normal drift
Klasse 1M Ikke forårsake noen form for skade hvis ingen optisk samlere brukes.
Klasse 2 Synlig lasere som ikke forårsaker skader i 0,25 s
Klasse 2M Hvis ingen optisk samlere, de er i stand til skade i 0,25 s.
Klassen 3R Litt usikker for intrabeam viser; opptil 5 ganger klassen begrense 2 synlig lasere eller 5 ganger klasse 1 grensen for usynlig lasere
Klasse 3B Øye fare for direkte visjon, vanligvis ikke en øye fare å spre visjon
Klasse 4 Øye- og fare for både direkte og spredte eksponering

Tabell 1: Laser Klassifisering summarisk. De ulike lasere på markedet kan klassifiseres etter deres hazardousness og risikoen involvert i bruk. Tabellen viser de ulike typene lasere tilgjengelig (i venstre kolonne) og deres fare (i høyre kolonne).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette arbeidet presenterer et oppsett for en moderne fysikk eksperiment der dråper er optisk levitated. Eksperimentet kan utføres i en tradisjonell praktisk måte eller eksternt. Med det eksterne system etablissementet, kan studenter og forskere over hele verden få tilgang til den eksperimentelle set-up. Dette garanterer også brukernes sikkerhet, siden de ikke trenger å være i nærvær av høy makt laser og elektrisk felt som kreves for eksperimentet. I tillegg kan brukerne samhandle med instrumentering i en veldig enkel måte, ved å sende høyt nivå kommandoer via datamaskinen på grunn av automatisering av oppsettet. Sammenlignet med hands-on prosedyren, tilbyr ekstern eksperimentering en svært lignende opplevelse. En av nøkkel-punkter av eksperimentet presentert er å få størrelsen på dråper, siden den har en stor innflytelse på beregningene i absolutte kostnader. Tre ulike metoder har blitt brukt til å angi, og de alle er enig veldig bra: (1) metoden beskrevet ovenfor (bruker Diffraksjon mønsteret) (2) å svinge slippverktøyet med vertikale elektrisk felt og bruke den fase forskjellen mellom elektriske feltet og plasseringen og (3) for å visualisere skyggen av slippverktøyet på en skjerm, og med et kamera bestemmer størrelsen. Oppsettet er også forberedt for forskning fanget dråper i vakuum. Først slippverktøyet er fanget i luften, så cellen er vedlagt, og luften er fjernet. På denne måten vil det være mulig å undersøke egenskapene til en fanget dråpe i vakuum.

Med presentert ekstern lab, kan kostnader og størrelsen på mikrometer store dielektrisk partikler bestemmes. En videreutvikling av oppsettet har gitt en måte å studere mikrometer store slippverktøy kollisjoner bruke høyhastighets kameraer11. Med den eksperimentelle set-up som base, har det blitt undersøkt som en følsom måte å spore plasseringen av partikler med en Sagnac Interferometer12. Vår metode brukes til å få kostnader og størrelsen på dråper enkeltvis. Målingene ta lengre tid å utføre, så det er hovedsakelig et verktøy for å arbeide med enkelt dråper. Hvis målet er en god statistikk fange stort antall dråper, andre metoder er bedre, for eksempel metoden presentert av Polat13.

Når målene er gjort, slippverktøyet slippes og ned på bunnen av cellen, dessverre gjør bunnen glasset skitne. Dette er en langsiktig begrensning siden laserlys kan spre, gjør vanskeligere å fange neste slippverktøyet. Men er det lett løses med en periodisk rengjøring av cellen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgements

Dette arbeidet har vært støttet av den svenske Research Council, Carl Trygger´s Foundation for forskning og det spanske departementet for økonomi og konkurranseevne under prosjektet CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Takk til Sannarpsgymnasiet for å la prøve oss RL med studenter.

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