Säkra experiment i optisk Levitation av laddade droppar använder Remote Labs

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

Optisk levitation är en metod för svävar mikrometerstort dielektriska objekt med hjälp av laserljus. Utnyttja datorer och automationssystem, ett experiment på Optisk levitation kan fjärrstyras. Här presenterar vi en fjärrkontrollerad Optisk levitation system som används både för utbildning och 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

Arbetet presenterar ett experiment som gör studien av många grundläggande fysikaliska processer, såsom photon tryck, diffraction av ljus eller rörelse av laddade partiklar i elektriska fält. I detta experiment, en fokuserad laser beam pekar uppåt levitate flytande droppar. Dropparna är leviterat av fotonen trycket av den fokusera laserstrålen som balanserar gravitationen. Diffraktionsmönster skapas när belyses med laserljus kan hjälpa till att mäta storleken på en instängd droplet. Laddningen av fångade droplet-programmet kan bestämmas genom att studera dess rörelse när ett vertikalt riktad elektriskt fält appliceras. I området i närheten finns det flera skäl motivera detta experiment att fjärrstyras. De investeringar som krävs för installationen överskrider beloppet som normalt finns i grundutbildning laboratorier. Experimentet kräver laserstrålning av klass 4, som är skadliga för både hud och ögon och experimentet använder spänningar som är skadliga.

Introduction

Det faktum att ljuset bär rörelsemängd föreslogs först av Kepler när han förklarade varför svansen av en komet alltid pekar bort från solen. Användningen av en laser för att flytta och fälla makroskopiska objekt rapporterades först av A. Ashkin och J. M. Dziedzic 1971 när de visat att det är möjligt att levitera mikrometer storlek dielektriska föremål1. Fångade objektet var utsatt för en uppåtgående riktas laserstrålen. Del av laserstrålen återspeglades på objektet som införde ett strålningstryck på det som var tillräcklig för att motverka gravitationen. De flesta av ljuset, var dock bryts genom dielektriska objektet. Ändringen av riktningen av ljuset orsakar en rekyl i objektet.  Nettoeffekten av rekylen för en partikel som placeras i en Gaussisk beam profil är att droplet-programmet kommer att gå mot regionen i högsta ljusintensiteten2. Därmed skapas en stabil svällning position i mitten av laserstrålen vid en position något över kontaktpunkten där strålningstryck balanserar gravitationen.

Eftersom metoden Optisk levitation tillåter små föremål att vara instängd och kontrollerad utan att vara i kontakt med något föremål, kan olika fysikaliska fenomen studeras med hjälp av en levitated droplet. Experimentet presenterar emellertid två begränsningar som ska reproduceras och tillämpas på skolor eller universitet eftersom inte alla institutioner har råd med den nödvändiga utrustningen och eftersom det finns vissa risker i praktisk drift av lasern.

Remote laboratorier (RLs) erbjuder online fjärråtkomst till den riktiga laboratorieutrustning för experimentell verksamhet. RLs först dök upp i slutet av 90-talet, med tillkomsten av Internet, och deras betydelse och användning har ökat under åren, som tekniken har gått framåt och några av deras stora oro har varit löst3. Men kärnan i RLs har förblivit densamma över tiden: användning av en elektronisk enhet med Internetanslutning för att komma åt en labb, och styra och övervaka ett experiment.

På grund av deras art, kan RLs användas att erbjuda experimentella aktiviteter till användare utan att utsätta dem för de risker som kan förknippas med genomförandet av sådana experiment. Dessa verktyg tillåter eleverna att spendera mer tid att arbeta med laboratorieutrustning och därmed utveckla bättre kunskaper i laboratorium. Andra fördelar med RLs är att de 1) underlätta för funktionshindrade personer att utföra experimentellt arbete, 2) expandera katalogen av experiment som erbjuds studenter genom delning RLs mellan universitet och 3) öka flexibiliteten i schemaläggning laborationer, eftersom den kan utföras från hem när är en fysiska laboratoriet stängt. Slutligen, RLs erbjuder även utbildning i operativsystem dator-kontrollerade, som numera är en viktig del av forskning, utveckling och industri. RLs kan inte därför endast erbjuder en lösning på både de finansiella säkerhet problem och att traditionella labs presenterar, men ger också mer intressant experimentell möjligheter.

Med experimentella inställningarna används i detta arbete, är det möjligt att mäta storleken och ladda för en instängd droplet, utreda rörelsen av laddade partiklar i elektriska fält och analysera hur en radioaktiv källa kan användas för att ändra avgiften på en droplet4 .

I experimentell uppsättning presenteras, är en kraftfull laser riktad uppåt och fokuserat in i centrera av ett glas cell4. Lasern är en 2 W 532 nm diode-pumpade solid-state laser (CW), där vanligtvis ca 1 Watt (W) används. Brännvidd av linsen svällning är 3,0 cm. droppar genereras med en piezo droplet dispenser och sjunka genom laserstrålen tills de är fångade precis ovanför fokus för laser. Svällning uppstår när kraften från den uppåtriktade riktad strålningstryck är lika med nedåt riktad gravitationskraften. Det finns ingen övre tidsgräns som observerats för svällning. Den längsta tid som en droplet har varit instängd är 9 timmar, därefter, fällan var avstängd. Samspelet mellan droplet-programmet och fältet laser producerar en diffraktionsmönster som används för att bestämma storleken på dropparna.

Droppar som avges från fördelaren består av 10% glycerol och 90% vatten. Å vatten avdunstar snabbt, lämnar en 20 till 30 µm storlek glycerol droplet i fällan. Den maximala storleken för ett droplet-program som kan vara instängd är ca 40 µm. Det finns ingen avdunstning som observerats efter ca 10 s. Vid denna punkt, förväntas allt vatten har avdunstat. Långa svällning tiden utan någon observerbar avdunstning indikerar att det finns minimal absorption och att droplet-programmet i huvudsak är vid rumstemperatur. Ytspänningen i droppar gör dem sfäriska. Laddningen av droppar genereras av droplet dispensern är beroende av miljöförhållandena i laboratoriet, där de oftast bli negativt laddad. Toppen och botten av cellen svällning består av två elektroder placeras 25 mm apart. De kan användas för att tillämpa en vertikal elektrisk likström (DC) eller växelström (AC) fältet över droplet-programmet. Det elektriska fältet är inte tillräckligt stark för att skapa några bågar även om 1000 volt (V) appliceras över elektroderna. Om ett DC-fält används, flyttar droplet-programmet uppåt eller nedåt i laserstrålen till en ny stabil equilibrium placerar. Om en AC-fältet används i stället, pendlar droplet-programmet runt dess equilibrium placerar. Omfattningen av svängningarna beror på storlek och laddning av droplet-programmet, på intensiteten i det elektriska fältet och styvheten i laser fällan. En bild av droplet-programmet är projiceras på en position-känslig detektor (PSD), som tillåter användare att spåra den vertikala positionen för droplet-programmet.

Detta arbete presenterar ett framgångsrikt initiativ för modernisering av undervisning och forskning med hjälp av informations- och kommunikationsteknik genom en innovativ RL på Optisk levitation av laddade droppar som illustrerar moderna begrepp i fysik. Figur 1 visar arkitekturen i RL. Tabell 1 visar de möjliga skador som lasrar kan orsaka enligt sin klass; I den här installationen har en klass IV-laser använts, vilket som är farligast. Det kan drivas med upp till 2.0 W av synlig laserstrålning, så säkerhet som tillhandahålls av fjärrstyrning lämpar sig tydligt för detta experiment. Den Optisk levitation av laddade droppar RL presenterades i arbetet av D. Galan et al. i 20185. I detta arbete, är det visat hur det kan användas online av lärare som vill presentera sina elever till moderna begrepp av fysik utan att behöva vara orolig för kostnaderna, logistik eller säkerhetsfrågorna. Studenter tillgång till RL via en webbportal som kallas nätverk av interaktiva universitetslaboratorier (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) i som de kan hitta all dokumentation angående teorin om experimentet och användningen av de experimentella installationen med hjälp av en webbapplikation. Genom att använda begreppet ett remote laboratorium, kan experimentellt arbete i modern fysik som kräver kostsamma och farliga utrustning göras tillgängliga till nya grupper av studenter. Dessutom förbättrar det formella lärandet genom att ge traditionella studenter med mer laboratorium tid och med experiment som normalt är oåtkomliga utanför forskningslaboratorier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Obs: Den laser som används i detta experiment är en klass IV laser leverera upp till 1 W synlig laser strålning. All personal närvarande i laser laboratoriet måste har genomfört lämpliga laser säkerhetsutbildning.

1. praktisk experimentellt protokoll

  1. Säkerhet
    1. Kontrollera alla i labbet är medvetna om att en laser slås på.
    2. Slå på lampan laser varning i labbet.
    3. Kontrollera att ingen klocka eller metall ringar är slitna och sätta på laser glasögon.
    4. Kontrollera att de fyra ljus absorberande styrelser, närmast av experimentet, är på plats.
    5. Kontrollera utrymmet mellan lasern och absorberande styrelsen för hinder. Kontrollera att utrymmet mellan cellen svällning och balken blockerar är också fri från föremål.
  2. Förbereda programvaran och experiment.
    1. Slå på datorn för lab. Vänta tills det är driftklar.
    2. Öppna Remote Autostart -mappen från skrivbordet och klicka på ikonen Main1806.vi. Kör programmet genom att trycka på pilen i det övre vänstra hörnet.
      Obs: Detta öppnar i kontrollprogrammet (t.ex., Labview) visas i figur 2 och figur 3 och stängs automatiskt på båda strömförsörjningen för laser och det elektriska fältet. Alla knappar som refereras från nu på i det här avsnittet avser de som visas i dessa siffror.
    3. Under ”EJS variabler”, markera kryssrutan heter ”Laser Remote Enable2” makt och ange ”laser current2” till 25 så att laser power bilden till höger som hamnar på 25%. Iaktta laserstrålen använder justering laser glasögon för att se till att balken som hamnar i beam soptipp. Om inte, justera positionen för den beam dumpen.
    4. Kontrollera Drops2 och flytta spetsen av droplet dispensern tills droppar faller in i laserstrålen. Gör detta genom att justera översättning scenen markerade med bokstaven A i figur 4. För detta ändamål, Vrid försiktigt köra skruvarna vid basen av översättning scenen tills önskad position uppnås.
      1. Om inga droppar kommer, utöva vissa påtryckningar i sprutan tills ett droplet-program visas i spetsen på doseringssprutan. Torka av försiktigt (skör spets) med ett papper med aceton. Dropparna bör nu börjar komma. När detta inträffar kan du börja om från punkt 1.2.4.
    5. Höja laser kraften till ca 66% med hjälp av Laser nuvarande 2 inmatningsfält och fälla ett droplet-program. Avmarkera Drops2 så snart en droplet är fångade.
      Obs: Figur 5 visar en droplet som fångas i experimentell miljö. Den lägsta gröna punkten motsvarar verkliga droplet-programmet, medan den övre är dess reflektion på glaset av cellen där droplet-filen är belägen. Från nu, kommer det vara instängd droplet-programmet är nu avbildas på PSD.
  3. Bestämma storleken på ett droplet-program.
    1. Justera lasereffekten tills PSD ställning är så nära som möjligt till noll.
      Obs: som droppar kan fastna under eller över tidigare svällning positioner, beroende på lasereffekten eller storlek/vikt. Detta steg utförs för att flytta droplet bilden till mitten av PSD.
    2. Iaktta diffraktionsmönster skapade på skärmen (se figur 1). Ta en bild med webbkameran som är placerade för att observera skärmen från undersidan.
      Obs: Mönstret orsakas av laserljus bombarderas av fångade droplet-programmet.
    3. Använda bilden för att avgöra avstånd från raden märkt 1 till två godtyckliga minima i bilden. Avståndet är positivt om det är längre från droplet-programmet än raden markerad 1, annars negativa. Sedan lägger du till 40 cm båda avstånd. Kalla den kortaste en1och den längsta en2. Använda ekvation 1 för att beräkna storleken på droplet-programmet:
      Equation 1(1)
      där x är det lodräta avståndet från droplet-programmet till skärmen (x = 23.5 cm), λ är våglängden av laserljuset (λ = 532 nm) och Δn är antalet fransar (heltal) mellan de två minima används i beräkningen.
      Obs: När droplet-programmet är avbildade i mitten PSD, avståndet (x), från droplet-programmet till skärmen är 23,5 ± 0,1 cm. En mer detaljerad förklaring av processen kan hittas i arbetet av J. Swithenbank o.a. 6.
  4. Bestämma polaritet i laddningen av droplet-programmet.
    1. Välj fliken Kör till höger om EJS variabler och ange den E-fältet DC Kontroll2 till + 2 V (se figur 3). Var försiktig, eftersom spänningen på elektroden är nu 200 V.
      Obs: Polariteten av droplet avgiften bestäms genom att observera hur droplet-programmet svarar på en tillämpad vertikala elektriskt fält. En skiss av hur det elektriska fältet tillämpas kan ses i figur 6
  5. Bestämma laddningen av droplet-programmet
    Obs: För att beräkna avgiften av droplet-programmet, är det nödvändigt att först mäta storleken på droplet-programmet. Vikten av droplet-filen kan sedan bestämmas eftersom tätheten av vätskan är känt. Figur 7 beskriver proceduren schematiskt.
    1. Ange den E-fältet DC Kontroll2 till noll.
    2. Uppskatta och notera ett genomsnittligt värde för position droplet-programmet av PSD normalisera Position spårningen i Diagrammet vågform.
    3. Anteckna värdet av laser makt. Detta värde blir FRad1 i ekvation 2.
    4. Ange den E-fältet DC Kontroll2 mellan + 1 och + 5 volt eller -1-5 volt så att nedrullningsbara rör sig uppåt. Droplet-programmet är nu på en ny position. Långsamt minska laser strömmen tills droplet-programmet är tillbaka i sin ursprungliga position som noterats i steg 1.5.2. Skriv ner de nya lasereffekten (FRad2).
      Om droplet-programmet går förlorade, kontrollera Drops2 och börja om från steg 1.2.4.
    5. Använd följande procedur för att beräkna avgiften. Först beräkna kraft från det elektriska fältet:
      Equation 2(2)
    6. Bestämma den absoluta laddningen med hjälp av uttrycket
      Equation 3(3)
      Här d är avståndet mellan elektroderna och U är spänningen.

2. remote experimenterande protokoll

  1. Tillgång remote laboratoriet.
    1. Öppna UNILabs webbsida i en webbläsare: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Välj önskat språk vid behov. Alternativet finns på det första objektet i menyn under rubriken.
    3. Logga in med följande uppgifter:
      Användarnamn: test
      Lösenord: testa
      Obs: Ramen inloggning är under Nyheter och introduktion info på webbsidan.
    4. I området kurs, intill inloggningsområdet, vänster klicka på logotypen för Göteborgs universitet (GU).
    5. Klicka på Optisk Levitation tillgång till materialet i detta experiment.
    6. Tillgång remote laboratoriet genom att klicka på Fjärr laboratorium av optisk Levitation. Efter det, se till att huvudramen av webbsidan Visa användargränssnittet för remote laboratoriet, som visas i figur 8.
  2. Anslut till optisk Levitation laboratoriet.
    Obs: Alla instruktioner här se figur 8.
    1. Klicka på knappen Anslut . Om anslutningen lyckas ändras knapptexten till ansluten.
      Obs: När en användare ansluter till remote laboratoriet, den avger en akustisk signal som varnar andra människor i omgivningen att någon kommer att driva på och manipulera laser distans.
    2. Klicka på spåra droppar och kontrollera att PSD data tas emot.
      Obs: Det finns inga droppar som fångas vid denna punkt, det värde som erhålls är inte relevant.
    3. Klicka på allmänna uppfattningen att identifiera alla delar av installationen: laser, droplet fördelaren, cellen svällning och PSD.
  3. Fälla en droplet-fil.
    Obs: Alla instruktioner här se figur 8.
    1. När remote laboratoriet är ansluten, klicka på knappen svällning droppar att visualisera pipetten och droplet dispenser munstycket.
    2. Klicka på knappen Aktivera laser för att upprätta en anslutning till lasern.
      Obs: Laser startas manuellt och oberoende av resten av instrument eftersom det kan skada miljön om det inte är korrekt justerad.
    3. Ange laser makt runt de första kvarteren i Inställningsmodulen, som ligger under knappen Aktivera laser . Vänta tills den grön lampan är synlig.
    4. Kontrollera laser justering.
      Obs: Om lasern är korrekt justerad, syns en tunn grön ljusstråle. Annars kommer en spridda grön plats att uppfattas. Vid felaktig inriktning, stänga av systemet, och kontakta lab underhållsservicen. Kontakta avdelningar vid underhåll, klicka på ikonen som representerar en pratbubbla, belägen i det övre vänstra hörnet av UNILabs webbsida. Klicka på Admin user meddelande, Skriv ned meddelandet längst ned beskriver problemet och tryck på Skicka. Detta händer vanligtvis inte, eftersom alla optiken är fasta.
    5. Öka laser kraften till 3/4 av baren.
      Obs: En makt på 60% (550 mW) är tillräckligt för att fånga och hålla en droplet leviterat.
    6. Tryck på knappen Start droppar aktivera droplet dispensern.
    7. Titta på webcam bilden och vänta tills en blixt produceras. I det ögonblicket, har ett droplet-program fångats. Kolla på webcam bilden igen och kontrollera att en droppe svävar i centrera av cellen svällning. Tryck på knappen stoppa droppar att stänga av droplet dispensern.
      Obs: Valfritt, det är möjligt att få en större droplet genom att fånga flera av dem och väntar på dem att gå samman med en redan erövrat. Det är nödvändigt att ha i åtanke att om flera är fångad, den droplet massa ökar så att lasereffekten inte kan räcka för att hålla det leviterat.
  4. Bestämma storleken på ett droplet-program.
    Obs: Alla instruktioner här se figur 9.
    1. Tryck på knappen dimensionering droppar att iaktta diffraktionsmönster bildas av fångade droplet-programmet.
    2. Följ samma procedur som i protokollet hands-on experiment (steg 1.3) för att bestämma storleken på droplet-programmet med hjälp av diffraktionsmönster.
  5. Att fastställa droplet kostnad polariteten.
    Obs: Alla instruktioner här se figur 10.
    1. Klicka på knappen spåra droppar att Visa PSD grafen och vyn webbkamera i pipetten.
    2. Klicka på fliken elektriska fältet längst ner till vänster i användargränssnittet.
    3. Ange den DC-spänningen 100 V. Att göra detta, klicka på det numeriska fältet till höger om skivbolaget DC (V) och ange värdet 100.
    4. Titta på diagrammet PSD visar positionen för droplet-programmet och observera om droplet-programmet flyttar uppåt eller nedåt när det elektriska fältet appliceras.
      Obs: Polariteten av plattorna är ordnat så att om en positiv spänning, en negativt laddade droplet flyttas nedåt och en positivt laddad droplet kommer att röra sig uppåt.
    5. Nu ändra värdet av det elektriska fältet och kontrollera att dropletprogrammet rör sig i motsatt riktning; för detta ändamål ange -100 i fältet DC (V) numeriskt.
  6. Bestämma laddningen av droplet-programmet.
    Obs: Alla instruktioner här se figur 10.
    1. Att ha en droplet instängd, klicka på vyn spåra droppar .
    2. Välj menyn elektriskt fält .
    3. Ange fältet DC elektriska till noll med numeriska fältet DC (V) .
    4. Uppskatta och observera ett genomsnittligt värde av droplet ståndpunkt ges av diagrammet och observera lasereffekten.
    5. Ange fältet DC elektriska till ett värde mellan 500 V och -500 V att göra droplet-programmet att ändra sin ståndpunkt.
    6. Minska eller öka laser kraften med skjutreglaget tills droplet-programmet är tillbaka på sin ursprungliga plats och skriv ner det nya värdet för lasereffekten.
    7. Följ proceduren som beskrivs i steg 1.5.5 ska beräknas droplet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

När laserstrålen är väl anpassad och bottenplattan är ren, fångas dropparna nästan omedelbart. När en droppe är instängd kan det bo i fällan i flera timmar, vilket ger gott om tid för utredningar. Radien r av dropparna är i intervallet 25 ≤ r ≤ 35 µm och avgiften har uppmätts mellan 1.1x10-17 ±1.1 x10-18 C och 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. Förblir storleken på dropparna, enligt våra mätningar, konstant över tiden, men avgiften kommer långsamt diffusa bort, vilket ger mindre reaktioner från positionen för droplet-programmet vid tillämpningen av ett elektriskt fält. Detta ger användaren en chans att mäta olika avgifter på samma droplet-programmet om han eller hon är patienten tillräckligt.

Remote laboratoriet har utvecklats med hjälp av enkel Java/JavaScript simuleringar7 och är tillgänglig via den UNILabs hemsida8. När det gäller den lokala styrprogram för laboratoriet, har det utvecklats med hjälp av kontroll i programmet. Anslutning av fjärr- och lokala programvaran har utvecklats efter, allmänt testade, arbetet av D. kaos o.a. 9. idén att skapa en fjärransluten laboratorium för optisk droplet levitation är baserad på två pelare: 1) att forskare från andra delar av världen som inte har denna inställning att arbeta med det och 2) att göra denna typ av experiment tillgängliga för fysik studenter.

Miljön har testats både lokalt och på distans att stödja arbetet som forskare. Det har visat att droplet capture kan ta mellan 2 sekunder och 1 minut. Denna variation beror på pipett rengöring och laser justering. Av denna anledning utförs en liten mängd underhåll varje dag för att laboratoriet ska fungera korrekt. När droplet-programmet har fångats, det tål svävar under lång tid, når mer än en halvtimme, en period som är tillräckligt för att utföra alla uppgifter som systemet erbjuder. Det faktum att flera droppar kan kollapsa och vara instängd, möjliggör för användare att snabbt kontrollera korrigeringen av de protokoll som avser beräkningen av massa och elektriska laddning, som skillnaden i resultat mellan två droppar kollapsade, och en enda droppe är mer betydande än om de bara jämföra två unika droppar fångade vid olika tidpunkter. Dessutom fungerar tanke på stabilitet och omkonfigurerbarheten av miljön, den som en grund för att lägga till ny instrumentering och således möjliggöra ny funktionalitet. Ett exempel på detta faktum är en analys, som genomförs numera vid Göteborgs universitet, att studera påverkan av radioaktiva prover på fenomenet med Optisk levitation.

Det enda effektiva sättet att tillåta många studenter att få tillgång till denna typ av erfarenhet är genom en avlägsen laboratorium, främst av säkerhetsskäl. Forskning som Lundgren et al. visar också, att studenternas erfarenhet av att arbeta med en remote laboratorium är lika användbar som en traditionell laboratorium10. Miljön låter yngre elever att upptäcka begreppet Optisk levitation genom att observera hur laserstrålen effektivt kan sväva fråga. Läraren kan också införa elektrisk laddning för eleverna genom att studera polariteten av droppar. För mer avancerade elever, beräkningen av droplet-programmet massa och laddning kan inkluderas i protokollet arbete.

Detta laboratorium har använts i en fysik klass i Halmstad, med studenter från programmet International Baccalaureate (IB) diplom (www.ibo.org). Läraren följt remote protokollet beskrivs i steg 2. Efter upplevelsen intervjuades eleverna genom att ställa frågor till dem om miljön, de mätningar som gjorts, de underliggande fysiska begrepp som de hade lärt sig, och fördelar och nackdelar som de uppfattas använda remote laboratoriet. Sammantaget förstått eleverna processen följde och beräknat storleken på dropparna resultat nära den verkliga storleken av den fångade droppe. De förstod riskerna med att använda motorstarka lasrar, och några föreslog att lägga till förbättringar till visualisering av experimentet, såsom att köpa bättre kameror eller inklusive förstärkt verklighet element.

Figure 1
Figur 1: arkitektur av remote laboratorium experimenterandet. Internet-användare ansluta till webbsidan UNILabs med sin dator eller mobila enheter. Webbmiljö serverar remote lab JavaScript-program som gör att distans driva experimentet. Detta programmet ansluter till en dator som finns i laboratoriet genom den JIL server middleware, som möjliggör kommunikation mellan JavaScript applikationer och LabVIEW program. Slutligen, lab datorn kommunicerar med experimentella setup med de nödvändiga DAQ-kort och ett LabVIEW program. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: LabView program: konfigurationspanelen. På fliken Konfiguration i LabView programmet används i praktisk läge experimenterande för att starta experimentet genom att aktivera lasern på och börjar droppar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: LabView program: kör panel. På fliken Konfiguration i LabView programmet används i praktisk läge experimenterande för att bestämma laddningen av fångade droppar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: detalj av den experimentella setup. Droplet dispensern visas längst upp i bilden, cellen i mitten och längst ner, den spindelväv kameran. Bokstaven A: Översättning scenen används för att justera positionen för fördelaren inne i cellen. Bokstaven B: det objektiv som används av PSD för att uppfatta fångade droplet-programmet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: en instängd droplet svävar. I bilden är det möjligt att se en av droppar svävar i cellen av installationen. Den gröna färgen beror på laser och ser två prickar istället för en är att dropletprogrammet återspeglas på glaset av cellen. I detta fall övre punkten är reflektion och den nedre punkten är droplet-programmet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: elektroden konfiguration för tillämpning av elektriska fält. Experiment för att tillämpa det elektriska fältet på droplet-programmet. När en positiv spänning, negativt laddade droppar kommer flytta nedåt och droppar med positiv laddning kommer att röra sig uppåt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: beslutsamhet vattendroppar omkastningen. En schematisk skiss av förfarandet för att bestämma den absoluta laddningen av ett optiskt levitated droplet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: Remote lab gränssnitt: svällning en droplet. I remote experimenterande används denna webbgränssnitt för att fälla en droplet-fil. En instängd droplet kan ses i bilden som tillhandahålls av lab webbkameran på grund av det spridda ljuset. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 9
Figur 9: Remote lab gränssnitt: dimensionering en droplet. I remote experimenterande används denna webbgränssnitt för ansökan för att bestämma storleken på en instängd droplet. Diffraktionsmönster visas genom webkameran lab och skalan tillåter användare att bestämma storleken på fångade droplet-programmet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 10
Figur 10: Remote lab gränssnitt: tillämpning av ett elektriskt fält. I remote experimenterande används denna webbgränssnitt för ansökan gälla fångade droplet-programmet ett elektriskt fält. I det här exemplet används en 200 V AC elektriska fält. Lab PSD signalen visas i diagrammet till höger och det visar den oscillerande rörelsen av droplet-programmet efter ett elektriskt fält ändra som tillämpades på runt t = 10 s. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Laser klass Eventuell skada
Klass 1 Oförmögna att orsaka någon skada under en normal
Klass 1M Orsaka inte någon typ av skada om ingen optisk samlare används.
Klass 2 Synligt lasrar som inte orsakar skador i 0,25 s
Klass 2M Om ingen optisk samlare används, de är oförmögna att orsaka skada i 0,25 s.
Klass 3R Något osäker för intrabeam visning; upp till 5 gånger klassen begränsa 2 för synligt lasrar eller 5 gånger klass 1 gränsen för osynlig laser
Klass 3B Fara för ögon direkt vision, vanligtvis inte en fara för ögon att sprida vision
Klass 4 Ögon- och fara för både direkt och spridda exponering

Tabell 1: Laser klassificering Sammanfattning. De olika lasrarna på marknaden kan klassificeras enligt deras farlighet och riskerna som deras användning. Tabellen visar olika typer av lasrar tillgängliga (i den vänstra kolumnen) och deras potentiella fara (i den högra kolumnen).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Detta arbete presenterar en setup för att utföra en modern fysik experiment där droppar är optiskt leviterat. Experimentet kan utföras antingen i ett traditionellt hands-on sätt eller på distans. Med fjärrsystem etableringen, kan studenter och forskare över hela världen få tillgång till den experimentella set-up. Detta garanterar också användarnas säkerhet, eftersom de inte behöver vara i närvaro av high-power laser och elektriska fält krävs för experimentet. Dessutom, kan användarna interagera med instrumenteringen i ett mycket enkelt sätt, genom att skicka på hög nivå kommandon via datorn på grund av automatisering av set-up. Jämfört med det praktiska förfarandet, erbjuder remote experimenterandet en mycket liknande upplevelse. En av de nyckel-punkterna i experimentet som presenteras är att få storleken på dropparna, eftersom den har ett stort inflytande på beräkningarna av absoluta laddningen. Tre olika metoder har använts för att bestämma storleken, och alla håller mycket väl: (1) den metod som beskrivs ovan (med diffraktionsmönster) (2) för att svänga droplet-programmet med en vertikal elektriska fältet och använda fas skillnaden mellan elektriskt fältet och ståndpunkten och (3) för att visualisera skuggan av droplet-programmet på en skärm, och med en kamera bestämma storleken. Installationen förbereds även för forska fångade droppar i vakuum. Först droplet-programmet är fångade i luften, sedan cellen är innesluten, och luften avlägsnas. På detta sätt blir det möjligt att undersöka egenskaperna för en instängd droppe i vakuum.

Med den presenterade remote lab, kan kostnaden och storleken på mikrometerstort dielektriska partiklar bestämmas. En vidareutveckling av installationen har lämnat ett sätt att studera mikrometerstort droplet kollisioner med hög hastighet kameror11. Med experimentella set-up som bas, har det undersökts som ett känsligt sätt att spåra placeringen av partiklar med hjälp av en Sagnac Interferometer12. Vår metod används för att få laddning och storlek av droppar en. Mätningarna tar ganska lång tid att utföra, så det är främst ett verktyg att arbeta med enstaka droppar. Om målet är en bra statistik fånga stort antal droppar, andra metoder är bättre, såsom metoden presenteras av Polat13.

När mätningarna görs, droplet-programmet är släppt och stiger ned på botten av cellen, tyvärr gör glasets botten smutsiga. Detta är en långsiktig begränsning eftersom laserljuset kan skingra, vilket gör det svårare att fånga nästa droplet-programmet. Det är dock lätt löst med en periodisk rengöring av cellen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgements

Detta arbete har stötts av Vetenskapsrådet, Carl Trygger´s stiftelse för vetenskaplig forskning och det spanska ministeriet för ekonomi och konkurrenskraft inom ramen för projektet CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Tack vare Sannarpsgymnasiet för att låta prova 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