Veilig experimenten in optische levitatie van geladen druppels met behulp van externe 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

Optische levitatie is een methode voor zwevende micrometer en middelgrote diëlektrische objecten met behulp van laserlicht. Met behulp van computers en automatiseringssystemen, een experiment met optische levitatie kan op afstand worden aangestuurd. Hier presenteren wij onze een op afstand bestuurbaar optische levitatie systeem dat gebruikt zowel voor onderwijs en onderzoek doeleinden.

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

Het werk presenteert een experiment waarmee de studie van vele fundamentele fysisch bepaalde processen, zoals het foton druk, diffractie van licht of de beweging van geladen deeltjes in elektrische velden. In dit experiment, een gerichte laser beam wijzen naar boven zweven vloeibare druppeltjes. De druppels zijn levitated door de foton druk van de gerichte laserstraal die tegoeden van de zwaartekracht. Het patroon van de diffractie gemaakt wanneer verlicht met laserlicht kan helpen de grootte van een gevangen droplet meten. De lading van de gevangen druppel kan worden bepaald door het bestuderen van de beweging als een verticaal gestuurde elektrisch veld wordt toegepast. Er zijn verschillende redenen dit experiment te motiveren om op afstand worden gecontroleerd. De investeringen welke vereist zijn voor de setup groter is dan het bedrag dat normaal gesproken beschikbaar in undergraduate onderwijs laboratoria. Het experiment vereist een laser van klasse 4, die schadelijk is voor de ogen en de huid en het experiment gebruikt spanningen die schadelijk zijn.

Introduction

Het feit dat licht impuls draagt was eerst voorgesteld door Kepler toen hij verklaarde waarom de staart van een komeet wijst altijd weg van de zon. Het gebruik van een laser om te bewegen en macroscopische objecten overlappen werd eerst gemeld door A. Ashkin en J. M. Dziedzic in 1971 toen zij aangetoond dat het mogelijk is te zweven micrometer formaat diëlektrische objecten1. Het ingesloten object werd blootgesteld aan een opwaartse geregisseerd laserstraal. Deel van de laserstraal kwam tot uiting op het object die opgelegd een stralingsdruk daarop dat voldoende was als tegenwicht tegen de zwaartekracht. De meeste van het licht, werd echter gebroken door de diëlektrische object. De verandering van de richting van het licht zorgt ervoor dat een terugslag van het object.  Het netto-effect van de terugslag voor een deeltje in een Gaussiaanse bundel profiel geplaatst is dat de druppel naar de regio van hoogste lichtintensiteit2 bewegen zal. Vandaar, de positie van een stabiele overlapping ontstaat in het midden van de laserstraal op een positie iets boven het focal point waar stralingsdruk saldi zwaartekracht.

Aangezien de optische levitatie methode kan kleine objecten worden gevangen en gecontroleerd zonder in contact met alle objecten, kunnen verschillende fysische verschijnselen worden bestudeerd met behulp van een levitated druppel. Het experiment kampt echter twee beperkingen worden gereproduceerd en toegepast op scholen of universiteiten, aangezien niet alle instellingen zich niet de benodigde apparatuur veroorloven kunnen en er bepaalde risico's in de praktische werking van de laser zijn.

Externe laboratoria (RLs) bieden online externe toegang tot de echte laboratoriumapparatuur voor experimentele activiteiten. RLs verscheen voor het eerst aan het eind van de jaren ' 90, met de komst van het Internet, en hun belang en het gebruik zijn gegroeid door de jaren heen, aangezien de technologie is verbeterd en sommige van hun belangrijkste zorgen opgelost3 zijn. Echter, de kern van RLs is hetzelfde gebleven na verloop van tijd: het gebruik van een elektronisch apparaat met internetverbinding toegang tot een lab, en te beheersen en te controleren van een experiment.

Als gevolg van hun afgelegen karakter, kunnen de RLs worden gebruikt voor experimentele activiteiten aan gebruikers aanbieden zonder dat zij worden blootgesteld aan de risico's die gekoppeld aan de realisatie van dergelijke experimenten worden kunnen. Deze hulpmiddelen laten studenten te besteden meer tijd werken met laboratoriumapparatuur, en dus betere laboratorium vaardigheden te ontwikkelen. Andere voordelen van RLs zijn dat zij 1) voor gehandicapten uitvoeren van experimenteel werk vergemakkelijken, 2) Vouw de catalogus van experimenten aangeboden aan studenten door het delen van RLs tussen universiteiten en 3) verhogen de flexibiliteit bij het plannen van laboratoriumwerk, Aangezien het kan worden uitgevoerd vanuit huis als is een fysieke laboratorium gesloten. Ten slotte, RLs bieden ook trainingen in besturingssystemen computergestuurde, die tegenwoordig een belangrijk onderdeel van onderzoek, ontwikkeling en industrie. Daarom, RLs kunnen niet alleen een oplossing bieden voor zowel de financiële en veiligheid kwesties dat traditionele labs presenteren, maar ook interessanter experimentele mogelijkheden bieden.

Met de experimentele opstelling in dit werk gebruikt, is het mogelijk de grootte meten en rekenen van een gevangen droplet, onderzoeken van de beweging van geladen deeltjes in elektrische velden en analyseren hoe een radioactieve bron kan worden gebruikt voor het wijzigen van de lading op een druppel4 .

In de experimentele opzet gepresenteerd, is een krachtige laser naar boven gericht en geconcentreerd in het midden van een cel glas4. De laser is een 2 W 532 nm diode gepompte vaste-stof laser (CW), waar meestal ongeveer 1 Watt (W) wordt gebruikt. De brandpuntsafstand van de lens van de overlapping is 3,0 cm. druppels worden gegenereerd met een piëzo druppel dispenser en afdalen via de laserstraal totdat zij net boven de focus van de laser zitten. Overlapping optreedt wanneer de kracht van de opwaartse gericht stralingsdruk is gelijk aan de neerwaartse gestuurde zwaartekracht. Er is geen bovengrens met een korte tijd die wordt waargenomen voor overvulling. De langste tijd die een droplet heeft gevangen is 9 uur, daarna, de val was uitgeschakeld. De interactie tussen de druppel en de laser veld produceert een diffractie patroon dat wordt gebruikt om te bepalen van de grootte van de druppels.

De druppels uitgestoten uit het zeepbakje bestaan uit 10% glycerol en 90% water. Het deel water verdampt snel, een 20 tot 30 µm formaat glycerol droplet verlaten in de val. De maximale grootte van een druppel die kan worden onderschept is ongeveer 40 µm. Er is geen verdamping waargenomen na ongeveer 10 s. Op dit punt verwacht alle water verdampt. De overlapping van de lange tijd zonder waarneembare verdamping geeft aan dat er minimale absorptie is en dat de druppel in wezen bij kamertemperatuur. De oppervlaktespanning van de druppels maakt ze sferische. De last van de druppels gegenereerd door de druppel dispenser is afhankelijk van de milieuomstandigheden in het laboratorium, waar ze meestal worden negatief geladen. De bovenkant en de onderkant van de cel van de overlapping bestaat uit twee elektroden Geplaatst 25 mm uit elkaar. Ze kunnen worden gebruikt om het toepassen van een verticale elektrische gelijkstroom (DC) of wisselstroom (AC) veld over de druppel. Het elektrisch veld is niet sterk genoeg om elke bogen maken zelfs als 1000 volt (V) wordt toegepast op de elektroden. Als een DC-veld wordt gebruikt, beweegt de druppel omhoog of omlaag in de laserstraal naar een nieuwe positie stabiel evenwicht. Als een veld AC in plaats daarvan wordt toegepast, schommelt de druppel rond de positie van haar evenwicht. De omvang van de trillingen zijn, is afhankelijk van de grootte en de last van de druppel, op de intensiteit van het elektrisch veld en op de stijfheid van de val van de laser. Een afbeelding van de droplet wordt geprojecteerd op een positie-gevoelig-detector (PSD), die gebruikers toestaat om spoor van de verticale positie van de druppel.

Dit werk presenteert een geslaagd initiatief van modernisering van onderwijs en onderzoek met behulp van informatie- en communicatietechnologieën via een innovatieve RL op optische levitatie van geladen druppels die illustreert van moderne concepten in de natuurkunde. Figuur 1 toont de architectuur van de RL. Tabel 1 toont de mogelijke verwondingen die lasers volgens hun klasse veroorzaken kunnen; Bij deze instelling is een laser klasse IV gebruikt, die de meest gevaarlijke is. Het kan werken met maximaal 2.0 W van zichtbare laserstraling, zodat de veiligheid geboden door de bediening op afstand duidelijk geschikt is voor dit experiment. De optische levitatie van geladen druppels RL werd gepresenteerd in het werk van D. Galan et al. in 20185. In dit werk wordt aangetoond hoe het online kan worden gebruikt door docenten die hun leerlingen kennismaken met moderne begrippen van de natuurkunde willen zonder te zijn bezorgd over de kosten, de logistiek of de veiligheidskwesties. Studenten toegang krijgen tot de RL via een webportal genaamd universitaire netwerk van interactieve laboratoria (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) in die ze alle documentatie met betrekking tot de theorie gerelateerd aan het experiment en het gebruik van de experimentele vinden kunnen installatie door middel van een web-applicatie. Met behulp van het concept van een extern laboratorium, kan experimenteel werk in de moderne natuurkunde die vereist dat gevaarlijke en dure apparatuur beschikbaar worden gesteld aan nieuwe groepen van studenten. Bovendien verbetert het het formele leren door middel van traditionele studenten met meer laboratorium tijd en experimenten die normaal niet toegankelijk zijn buiten onderzoekslaboratoria zijn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: De laser gebruikt in dit experiment is een klasse IV laser leveren maximaal 1 W van zichtbare laserstraling. Al het personeel aanwezig in het laboratorium van de laser moeten voldoende laser veiligheidstraining hebben uitgevoerd.

1. hands-On experimenteel Protocol

  1. Veiligheid
    1. Zorg ervoor dat iedereen in het lab is zich ervan bewust dat een laser wordt ingeschakeld.
    2. Zet de laser waarschuwing lamp in het lab.
    3. Zorg ervoor dat geen horloge of metalen ringen gedragen en de laser-bril zetten.
    4. Controleer of de vier licht absorberen van planken, dichtst bij het experiment, aanwezig zijn.
    5. Controleer de ruimte tussen de laser en de absorberende board voor obstakels. Controleer of de ruimte tussen de overlapping cel en de lichtbundel blokkeren is ook vrij van objecten.
  2. De software en het experiment voorbereiden.
    1. Zet de computer lab. Wacht totdat het klaar om te werken.
    2. Open de map Externe opstarten vanaf het bureaublad en klik op het pictogram Main1806.vi. Voer het programma door te drukken op de pijl in de linker bovenhoek.
      Opmerking: Hiermee opent u het besturingsprogramma (b.v., Labview) weergegeven in Figuur 2 en Figuur 3 en schakelt automatisch op zowel het aanbod van de macht voor de laser en het elektrisch veld. Alle knoppen van nu af aan verwezen in deze sectie verwijzen naar degenen die in deze cijfers worden weergegeven.
    3. Onder "EJS variabelen", Vink het selectievakje met de naam "Laser externe Enable2" macht en stel "laser current2" tot en met 25, zodat de laser macht dia rechts op 25 eindigt %. Let op de uitlijning laser veiligheidsbril gebruiken om ervoor te zorgen dat de lichtbundel in de dump beam eindigt laserstraal. Als dat niet het geval is, pas de positie van de lichtbundel dump.
    4. Controleren Drops2 en verplaats het puntje van de druppel dispenser totdat de druppels in de laserstraal vallen. Dit doen door het aanpassen van de fase van de vertaling gemarkeerd met de letter A in Figuur 4. Voor dat doel, draai zachtjes de drijvende schroeven aan de voet van de vertaling-fase tot de gewenste positie is bereikt.
      1. Als geen druppels komen te staan, wat druk in de spuit van toepassing totdat een droplet wordt weergegeven in de tip van de dispenser. Veeg het af zorgvuldig (fragiele tip) met behulp van een papier met aceton. Komt nu beginnen met de druppels. Wanneer dit gebeurt, herbeginnen vanaf punt 1.2.4.
    5. De kracht van de laser tot ongeveer 66% van de met behulp van de Laser huidige 2 invoerveld en trap een droplet verhogen. Schakel Drops2 zodra een droplet is gevangen.
      Opmerking: Figuur 5 toont een droplet gevangen in de experimentele omgeving. De lagere groene stip correspondeert met de echte druppel, terwijl de bovenste plaat is de reflectie op het glas van de cel waarin de druppel zich bevindt. Vanaf dit moment zullen dat de gevangen druppel is nu beeld naar de PSD.
  3. Bepaal de grootte van een druppel.
    1. Pas de kracht van de laser, totdat de PSD-positie zo dicht mogelijk bij nul is.
      Opmerking: zoals druppels kunnen worden gevangen onder of boven eerdere standpunten van de overlapping, afhankelijk van de kracht van de laser of de grootte/gewicht. Deze stap wordt uitgevoerd de druppel als afbeelding wilt verplaatsen naar het midden van de PSD.
    2. Observeer de diffractie patroon gemaakt op het scherm (Zie Figuur 1). Maak een foto met de webcamera die is gepositioneerd om te zien hoe het scherm van onder.
      Opmerking: Het patroon wordt veroorzaakt door laserlicht eiwitkristallen door de gevangen druppel.
    3. De afbeelding gebruiken om te bepalen afstand van de lijn gemarkeerd 1 tot en met twee willekeurige minima in de afbeelding. De afstand is positief als het verder van de druppel dan de lijn 1, anders negatieve gekenmerkt. Dan, voeg 40 cm aan beide afstanden. Bel de kortste een1, en de langste een2. Vergelijking 1 gebruiken voor het berekenen van de grootte van de druppel:
      Equation 1(1)
      waar x is de verticale afstand van de druppel op het scherm (x = 23,5 cm), λ de golflengte van het laserlicht is (λ = 532 nm) en Δn is het aantal franjes (integer) tussen de twee minima gebruikt in de berekening.
      Opmerking: Wanneer de druppel is beeld in het midden van de PSD, de afstand (x), van de druppel op het scherm wordt 23,5 ± 0,1 cm. Een meer gedetailleerde uitleg van het proces kan worden gevonden in het werk van J. Swithenbank et al. 6.
  4. Bepaalt de polariteit van de lading van de druppel.
    1. Kies het tabblad uitvoeren naar rechts van EJS variabelen en het E-veld DC besturingselement2 ingesteld op + 2 V (Zie Figuur 3). Wees voorzichtig, want de spanning op de elektrode nu 200 V is.
      Opmerking: De polariteit van de druppel lading wordt bepaald door het observeren van hoe de druppel reageren op een toegepaste verticale elektrisch veld. Een schets van hoe het elektrisch veld wordt toegepast is te zien in Figuur 6
  5. Bepalen van de lading van de druppel
    Opmerking: Als u wilt berekenen van de lading van de druppel, is het nodig eerst voor het meten van de grootte van de druppel. Het gewicht van de druppel kan vervolgens worden bepaald omdat de dichtheid van de vloeistof is bekend. Figuur 7 beschrijft de procedure schematisch.
    1. Het E-veld DC besturingselement2 op nul gezet.
    2. Schatten en nota van een gemiddelde waarde voor de positie van de druppel door het spoor van de PSD Normalize positie in de Grafiek golfvorm.
    3. Opmerking de waarde van de kracht van de laser. Deze waarde zal worden FRad1 in vergelijking 2.
    4. Instellen van het E-veld DC besturingselement2 tussen + 1 en + 5 Volts of -1 en -5 volt zodat de daling wordt naar boven verplaatst. De druppel is nu op een nieuwe positie. Langzaam verminderen de kracht van de laser, totdat de druppel terug in de oorspronkelijke positie als aangegeven in stap 1.5.2 is. Noteer de nieuwe laser-kracht (FRad2).
      Als de druppel verloren gaat, Drops2 controleren en opnieuw beginnen vanaf stap 1.2.4.
    5. Gebruik de volgende procedure voor het berekenen van de kosten. Eerst, het berekenen van de kracht van het elektrisch veld:
      Equation 2(2)
    6. Bepalen van de absolute lading met de expressie
      Equation 3(3)
      Hier d is de afstand tussen de elektroden en U de toegepaste spanning.

2. externe experimenten Protocol

  1. Toegang tot de externe laboratorium.
    1. UNILabs webpagina in een webbrowser openen: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Selecteer de gewenste taal indien nodig. De optie zich bevindt op het eerste item in het menu onder de kop.
    3. Meld u aan met de volgende gegevens:
      Gebruikersnaam: testen
      Wachtwoord: test
      Opmerking: Het login-frame is onder de info van het nieuws en de invoering van de webpagina.
    4. Op het gebied van de cursus, naast het login-bereik, klik links op het logo van de Universiteit van Göteborg (GU).
    5. Klik op Optische levitatie voor toegang tot het materiaal van dit experiment.
    6. Toegang tot de externe laboratorium door te klikken op Externe laboratorium van optische levitatie. Daarna, ervoor zorgen dat het hoofdframe van de show van de webpagina de gebruikersinterface van het externe laboratorium, zoals afgebeeld in Figuur 8.
  2. Verbinding maken met het optische levitatie laboratorium.
    Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 8.
    1. Klik op de knop verbinden . Als de verbinding lukt, verandert de knoptekst in verbonden.
      Opmerking: Wanneer een gebruiker verbinding met het externe laboratorium maakt, straalt het een akoestisch signaal dat waarschuwt van andere mensen in de omgeving dat iemand zal inschakelen en manipuleren van de laser op afstand.
    2. Klik op de druppels bijhouden en controleren dat de PSD-gegevens wordt ontvangen.
      Opmerking: Aangezien er geen druppels gevangen op dit punt, de gemeten waarde is niet relevant.
    3. Klik op overzicht om alle elementen van de setup te identificeren: de laser, de druppel dispenser, de overlapping cel en de PSD.
  3. Val een druppel.
    Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 8.
    1. Zodra het extern laboratorium is verbonden, klik op de knop overvullen druppels te visualiseren de pipet en de druppel dispenser mondstuk.
    2. Klik op de knop inschakelen van laser om de verbinding met de laser.
      Opmerking: De laser wordt gestart handmatig en onafhankelijk van de rest van de instrumenten omdat het aan het milieu schade kan als het niet correct is uitgelijnd.
    3. Stel de macht van de laser rond het eerste kwartaal van de strook van de controle, die onder de knop inschakelen van laser ligt . Wacht tot het groene licht zichtbaar is.
    4. Controleer de uitlijning van de laser.
      Opmerking: Als de laser is correct uitgelijnd, zal er een lichtstraal dunne groen licht worden gezien. Anders zal een verspreide groene vlek worden opgevat. In geval van onjuiste uitlijning, afsluiten van het systeem, en neem contact op met de onderhoudsservices lab. Neem contact op met de onderhoudsdiensten, klik op het pictogram dat een tekstballon vertegenwoordigt, gelegen in de linker bovenhoek van de webpagina UNILabs. Klik dan op de Admin gebruiker bericht, schrijf het bericht bij de bodem met een beschrijving van het probleem en druk op verzenden. Dit meestal niet gebeurt, aangezien alle de optica worden opgelost.
    5. Verhoog het vermogen van de laser voor 3/4 van de bar.
      Opmerking: Een kracht van 60% (550 mW) is genoeg om te vangen en houden een droplet levitated.
    6. Druk op de knop Start daalt de druppel dispenser inschakelen.
    7. Bekijk de webcam afbeelding en wacht totdat een flits wordt geproduceerd. Op dat moment is een droplet veroverd. Controleer het webcambeeld weer en dat een droplet is zwevende in het midden van de overlapping-cel. Druk op de knop stoppen van druppels uit de dispenser druppel te schakelen.
      Opmerking: Optioneel, het is mogelijk om te krijgen een grotere droplet door verscheidene van hen vangen en wachten voor hen om samen te voegen met de reeds gevangen. Het is noodzakelijk in gedachten te houden dat als verschillende zijn gevangen, de massale verhogingen van de druppel zodat de kracht van de laser kan niet volstaan om het levitated te houden.
  4. Bepaal de grootte van een druppel.
    Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar de Figuur 9.
    1. Druk op de knop formaat van de druppels te observeren de diffractie patroon gevormd door de gevangen druppel.
    2. Volg de procedure zoals in het protocol van de hands-on experimenten (stap 1.3) om te bepalen van de grootte van de druppel door middel van het patroon van diffractie.
  5. Het bepalen van de druppel lading polariteit.
    Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 10.
    1. Klik op de knop voor het bijhouden van druppels om te bekijken de grafiek van de PSD en de weergave van de webcam van de pipet.
    2. Klik op het tabblad van de veldsterkte in de linkerbenedenhoek van de gebruikersinterface.
    3. De DC spanning ingesteld op 100 V. Om dit te doen, klik op het numerieke veld rechts van het DC (V) label en voer de waarde 100.
    4. Controleer de PSD-grafiek toont de positie van de druppel en observeren de druppel verplaatst naar boven of naar beneden wanneer het elektrische veld wordt toegepast.
      Opmerking: De polariteit van de platen is gerangschikt zodat als een positieve spanning wordt toegepast, een negatief geladen droplet naar beneden verplaatsen zal en een positief geladen droplet zal naar boven verplaatsen.
    5. Verander nu de waarde van het elektrisch veld en controleer of de druppel in de tegenovergestelde richting beweegt; voor dit doel, voert u-100 in het numerieke veld van DC (V) .
  6. Bepalen de lading van de druppel.
    Opmerking: Alle instructies hier verwijzen naar Figuur 10.
    1. Een droplet gevangen hebben, klik op de weergave bijhouden van druppels .
    2. Selecteer het menu van het elektrisch veld .
    3. Het DC elektrische veld instelt op nul met het numerieke veld van DC (V) .
    4. Schatten en Let erop van een gemiddelde waarde van de positie van de druppel gegeven door de grafiek en noteer de kracht van de laser.
    5. De DC elektrische veld instellen op een waarde tussen + 500 V en V-500 te maken van de druppel de positie ervan wijzigen.
    6. Verminderen of verhoog de kracht van de laser met de schuifregelaar totdat de druppel terug in de oorspronkelijke positie is en noteer de nieuwwaarde van de kracht van de laser.
    7. Volg de procedure die is beschreven in stap 1.5.5 voor het berekenen van de druppel lading.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Wanneer de laserstraal wordt goed uitgelijnd en de bodemplaat schoon is, zitten de druppels bijna onmiddellijk. Wanneer een droplet is gevangen kan het blijven in de val voor enkele uren, geven genoeg tijd voor onderzoek. De straal r van de druppels is in het bereik van 25 ≤ r ≤ 35 µm en de lading is gemeten tussen 1.1x10-17 ±1.1 x10-18 C en 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. De grootte van de druppels blijft, volgens onze metingen, constante na verloop van tijd, maar de heffing zal langzaam weg, diffuus geven steeds kleiner wordende reacties vanuit de positie van de druppel bij de toepassing van een elektrisch veld. Dit geeft de gebruiker een kans voor het meten van verschillende heffingen op de dezelfde druppel, als hij of zij geduldig genoeg is.

Het extern laboratorium is ontwikkeld met behulp van eenvoudige Java/JavaScript simulaties7 en is toegankelijk via de website UNILabs8. Wat betreft de plaatselijke controle-software van het laboratorium, is het ontwikkeld met behulp van het besturingsprogramma voor de software. De verbinding van de externe en de lokale software is ontwikkeld naar aanleiding van de grote schaal getest, werk van D. Chaos et al. 9. het idee van het creëren van een extern laboratorium voor optische druppel levitatie is gebaseerd op twee pijlers: 1) dat onderzoekers uit andere delen van de wereld die niet over deze opstelling beschikken te werken en 2) beschikbaar te stellen dit type experiment aan natuurkunde studenten.

Het milieu heeft uitvoerig getest op zowel lokaal als op afstand ter ondersteuning van het werk van onderzoekers. Het is aangetoond dat druppel vastleggen tussen 2 seconden en 1 minuut kan duren. Deze variatie is te wijten aan Pipetteer reinigings- en laser uitlijning. Om deze reden wordt een kleine hoeveelheid onderhoud uitgevoerd door elke dag om het laboratorium om correct te functioneren. Zodra de droplet is vastgelegd, het kan weerstaan zwevende voor langere tijd, het bereiken van meer dan een half uur, een periode die voldoende is voor het uitvoeren van alle taken die het systeem biedt. Het feit dat enkele druppels samenvouwen kunnen en worden opgesloten, kunnen gebruikers snel controleren de correctie van de protocollen betreffende de berekening van de massa en elektrische lading, als het verschil in de resultaten tussen twee druppels ingestort, en een enkele druppel is meer significant dan als ze alleen vergelijken met twee unieke druppels gevangen op verschillende momenten. Bovendien, dient gezien de stabiliteit en de herconfigureerbaar van het milieu, het als basis voor het toevoegen van nieuwe instrumentatie en waardoor nieuwe functionaliteit. Een voorbeeld hiervan is een analyse, tegenwoordig wordt uitgevoerd aan de Universiteit van Göteborg, te bestuderen van de invloed van radioactieve monsters op het fenomeen van de optische levitatie.

De enige effectieve manier om veel studenten toegang tot dit soort ervaringen is door middel van een extern laboratorium, voornamelijk om veiligheidsredenen. Ook toont onderzoek zoals die van Lundgren et al. aan dat studenten ervaring van het werken met een extern laboratorium even nuttig als die van een traditioneel laboratorium10 is. Het milieu kan jongere leerlingen ontdekken van het concept van optische levitatie door het observeren van hoe de laserstraal kwestie effectief kan zweven. De leraar kan ook kennismaken met elektrische lading de studenten door het bestuderen van de polariteit van de druppels. Voor meer geavanceerde studenten, de berekening van de druppel massa en lading kunnen worden opgenomen in het protocol van het werk.

Dit laboratorium is gebruikt in een klasse van de fysica in Halmstad, Zweden, met studenten van het International Baccalaureate (IB) Diploma programma (www.ibo.org). De leraar gevolgd het externe protocol beschreven in stap 2. Na de ervaring, werden de studenten geïnterviewd door hen vragen over het milieu, de metingen, verricht, de onderliggende fysieke concepten die ze geleerd hadden, en de voordelen en de nadelen die zij waargenomen van het gebruik van het extern laboratorium. Over het geheel genomen begrepen de studenten het proces gevolgd en berekend de grootte van de druppels, verkrijgen resultaten dicht bij de werkelijke grootte van de gevangen drop. Zij begrepen de risico's verbonden aan het gebruik van high-powered lasers, en sommige gesuggereerd verbeteringen aan de visualisatie van het experiment, zoals betere camera's kopen of met inbegrip van vergrote werkelijkheid-elementen toe te voegen.

Figure 1
Figuur 1: het platform voor de externe laboratorium experimenten. Internet-gebruikers verbinding maken met de webpagina van de UNILabs met hun computer of mobiele apparaten. De web-omgeving serveert het externe lab JavaScript-applicatie waarmee op afstand bedienen van het experiment. Deze applicatie maakt verbinding met een computer die zich bevindt in het laboratorium door de JIL server middleware, waarmee de communicatie tussen JavaScript-toepassingen en LabVIEW programma's. Tot slot communiceert de computer lab met de experimentele opzet met behulp van de nodige DAQ kaarten en een LabVIEW programma. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: LabView programma: configuratievenster. Het tabblad Configuratie in het LabView-programma wordt gebruikt in hands-on modus experimenten voor het starten van het experiment door de laser op inschakelen en de druppels te starten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: LabView programma: deelvenster uitvoeren. Het tabblad Configuratie in het LabView-programma wordt gebruikt in hands-on modus experimenten voor het bepalen van de lading van de gevangen druppels. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: Detail van de experimentele opstelling. De druppel dispenser wordt weergegeven aan de bovenkant van de afbeelding, de cel in het midden en aan de onderkant, de webcamera. Letter A: de vertaling fase gebruikt om de positie van de dispenser in de cel. Letter B: de lens door de PSD gebruikt om de gevangen druppel waarnemen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: een gevangen druppel zwevende. In de afbeelding is het mogelijk om te zien een van de druppels zwevende binnen de cel van de setup. De groene kleur is te wijten aan de laser en het feit van twee stippen in plaats van één te zien is dat de droplet wordt weerspiegeld op het glas van de cel. In dit geval het bovenste punt is de reflectie en het onderste punt is de druppel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6: elektrode configuratie voor de toepassing van elektrische velden. Experimentele opstelling voor de toepassing van het elektrisch veld op de druppel. Wanneer een positieve spanning wordt toegepast, negatief geladen druppels naar beneden zal bewegen en druppels met positieve lading omhoog zal bewegen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7: bepaling druppels kosteloos. Een schematische tekening van de procedure voor het bepalen van de absolute last van een optisch levitated druppel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8: externe lab interface: overvulling een droplet. In externe experimenten, wordt deze webinterface voor de toepassing gebruikt voor het overlappen van een druppel. Een gevangen droplet kan worden gezien in de afbeelding geboden door de lab-webcam als gevolg van het verstrooide licht. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 9
Figuur 9: externe lab interface: dimensionering van een droplet. In externe experimenten, wordt deze web applicatie interface gebruikt om te bepalen van de grootte van een gevangen droplet. De diffractie patroon weergegeven door de lab-webcam en de schaal waarmee gebruikers kunnen bepalen van de grootte van de gevangen druppel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 10
Figuur 10: externe lab interface: toepassing van een elektrisch veld. In externe experimenten, wordt deze web applicatie-interface gebruikt toe te passen van een elektrisch veld op de gevangen druppel. In dit voorbeeld wordt een 200 V AC elektrisch veld toegepast. Het lab PSD signaal wordt weergegeven in de grafiek aan de rechterkant en het toont de oscillerende beweging van de druppel na een elektrisch veld wijzigen die is toegepast op rond t = 10 s. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Laser klasse Mogelijke verwonding
Klasse 1 Onbekwaam veroorzaken schade tijdens een normale werking
Klasse 1M Elk type van verwonding niet opnieuw als er geen optische verzamelaars worden gebruikt.
Klasse 2 Zichtbare lasers die geen verwondingen in 0,25 veroorzaken s
Klasse 2M Als geen optische verzamelaars worden gebruikt, zijn ze niet in staat schade toebrengende in 0,25 s.
Laserklasse 3R Iets onveilig voor intrabeam bekijken; tot 5 keer de klasse beperken 2 voor zichtbare lasers of 5 keer de limiet van klasse 1 voor onzichtbare lasers
Klasse 3B Oog gevaar voor direct zicht, meestal niet een oog gevaar voor diffuus visie
Klasse 4 Ogen en huid gevaar voor zowel de directe als de verspreide blootstelling

Tabel 1: indeling samenvatting Laser. De verschillende lasers op de markt kunnen worden ingedeeld volgens hun karakter en de risico's die in hun gebruik. De tabel ziet u de verschillende soorten lasers beschikbaar (in de linker kolom) en hun potentieel gevaar (in de rechter kolom).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit werk presenteert een setup voor het uitvoeren van een experiment van de moderne natuurkunde waarin druppels zijn optisch levitated. Het experiment kan worden uitgevoerd in een traditionele hands-on manier of op afstand. Met de oprichting van het externe systeem, kunnen studenten en onderzoekers over de hele wereld toegang krijgen tot de experimentele opstelling. Dit garandeert ook de veiligheid van de gebruikers, omdat zij niet hoeven te worden in aanwezigheid van de high-power laser en elektrische velden nodig zijn voor het experiment. Bovendien, de gebruikers kunnen interactief werken met de instrumentatie in een zeer eenvoudige manier, door te sturen op hoog niveau opdrachten via de computer als gevolg van de automatisering van de set-up. In vergelijking met de hands-on procedure, biedt de externe experimenten een zeer vergelijkbare ervaring. Een van de zeer belangrijke-punten van het experiment gepresenteerd is het verkrijgen van de grootte van de druppels, omdat het heeft een grote invloed op de berekeningen van de absolute lading. Drie verschillende methoden zijn gebruikt om de grootte te bepalen, en ze allemaal eens heel goed: (1) de methode hierboven (met behulp van het patroon diffractie) (2) om de druppel met een verticale elektrisch veld oscilleren en gebruik de fase verschil tussen de elektrische Bepaal de grootte veld en de positie en (3) om te visualiseren van de schaduw van de druppel op een scherm, en met een camera. De setup is ook voorbereid op onderzoek gevangen druppels in vacuüm. Eerst de druppel is opgesloten in lucht, dan de cel is ingesloten, en de lucht wordt verwijderd. Op deze manier is het mogelijk om te onderzoeken van de eigenschappen van een gevangen droplet in vacuüm.

Met de voorgestelde externe lab, kunnen de lading en de grootte van de diëlektrische deeltjes micrometer-en kleinbedrijf worden bepaald. Een verdere ontwikkeling van de installatie heeft een manier om te studeren micrometer en middelgrote druppel botsingen met hoge snelheid camera's11voorzien. Met de experimentele set-up als basis, heeft het als een gevoelige manier voor het bijhouden van de positie van deeltjes met behulp van een Sagnac Interferometer12onderzocht. Onze methode wordt gebruikt voor het verkrijgen van de lading en de grootte van de druppels één voor één. De metingen nemen al geruime tijd uit te voeren, dus het is vooral een hulpmiddel om te werken met enkele druppels. Als het doel een goede statistiek is vastleggen van grote aantallen druppels, andere methoden zijn beter, zoals de methode Polat13heeft voorgelegd.

Wanneer de metingen zijn verricht, de druppel is vrijgegeven en afdaalt naar de onderkant van de cel, helaas maken het onderste glas vuil. Dit is een lange termijn beperking omdat het laserlicht verstrooien kunt, waardoor moeilijker te vangen de volgende druppel. Het is echter eenvoudig opgelost met een periodieke reiniging van de cel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door de Zweedse Onderzoeksraad, Carl Trygger´s Stichting voor wetenschappelijkonderzoek en het Spaanse ministerie van economie en concurrentievermogen kader van het project CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Dankzij Sannarpsgymnasiet laten proberen ons de RL met studenten.

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