Optisk Trap Lasting av Dielektrisk Mikropartikler i luften

Summary

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

Abstract

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner.

In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

Introduction

Ashkin rapportert akselerasjon og fangst av mikropartikler av strålingstrykk i 1970. ¹ Hans roman prestasjon fremmet utviklingen av optiske fangstteknikker som et hovedverktøy for grunnleggende studier av fysikk og biofysikk. ^{2, 3, 4, 5} Hittil har anvendelsen av optiske fangst hovedsakelig fokuserer på flytende miljøer og er blitt brukt til å studere et svært bredt spekter av systemer, fra oppførselen av kolloider til de mekaniske egenskaper for enkelt biomolekyler. ^{6, 7, 8} Bruk av optisk fangst til gassform miljø, krever imidlertid løse flere nye tekniske problemer.

Nylig, optisk fangst i luft / vakuum er blitt stadig mer brukt i grunnleggende forskning. Siden optiske levitering gir potensielt nesten-fullstendig isolasjon av et system fra omgivelsene, det optisk levi partikkel blir en ideell laboratorium for å studere quantum grunntilstander i små gjenstander, ⁴ måle høyfrekvente gravitasjonsbølger, ⁹ og søker etter brøk kostnad. ¹⁰ Videre er den lave viskositet av luft / vakuum gjør det mulig å benytte treghet til å måle den øyeblikkelige hastigheten av en Brownsk partikkel ¹¹ og for å skape ballistisk bevegelse over et vidt spekter av bevegelse utover den lineære fjærlignende regime. ¹² Derfor, detaljert teknisk informasjon og praksis for optiske feller i gass media har blitt mer verdifull for den bredere forskningsmiljø.

Nye eksperimentelle teknikker er nødvendig å laste nano / mikropartikler i optiske feller i gasser. En piezoelektrisk transduser (PZT), en enhet som konverterer strømic energi til mekanisk-akustiske energi, har vært brukt til å levere små partikler til optiske feller i luft / ^{vakuum-5, 12} ettersom den første demonstrasjonen av optisk levitasjon. ^1. Siden den gang har flere lastende teknikker blitt foreslått å legge i mindre partikler ved hjelp av flyktige aerosol som genereres av en kommersiell forstøver ^13, eller en akustisk bølgegenerator. ¹⁴ Den flytende aerosoler med solide slutninger (partikler) tilfeldig passerer nær fokus og er fanget ved en tilfeldighet. Når aerosol er fanget, fordamper løsningsmidlet ut og partikkel forblir i den optiske fellen. Men disse metodene ikke er godt egnet til å identifisere ønskede partikler fra innen en prøve, legger en valgt partikkel og for å spore sine endringer hvis løslatt fra fellen. Denne protokollen er ment å gi informasjon til nye utøvere på selektiv optisk felle lasting i luft, inkludert eksperimentetal oppsett, fabrikasjon av en PZT holder og prøve kabinett, felle lasting og datainnsamling i forbindelse med analyse av partikkelbevegelse i både frekvens og tid domener. Protokoller for fangst i flytende medier har også blitt publisert. ^{15, 16}

Den generelle eksperimentelle oppsettet er utviklet på en kommersiell invertert optisk mikroskop. Figur 1 viser et skjematisk diagram av oppsettet som brukes til å demonstrere trinn i den selektive optiske felle lasting: frigjør hvilende mikropartikler, løfte den valgte partikkel med den fokuserte strålen, måler dens bevegelse, og plassere det på underlaget igjen. Først blir translasjonelle trinn (tverrgående og vertikale) som brukes for å bringe en valgt mikropartikkel på substratet til fokus for en felle laser (bølgelengde 1064 nm) fokuseres ved hjelp av en objektivlinse (nær infrarødt korrigert lang arbeidsavstand objektiv: NA 0,4, forstørrelse 20X, arbeider distance 20 mm) gjennom det gjennomsiktige substrat. Deretter ble en piezoelektrisk Utskytningsrampe (en mekanisk forhåndslastede ringtypen PZT) genererer ultrasoniske vibrasjoner for å bryte adhesjon mellom mikropartikler og et substrat. Således kan en hvilken som helst frigjort partikkel løftes opp av enkeltstråle gradient laser felle fokusert på den valgte partikkel. Når partikkelen er fanget, blir den oversatt til midten av prøven kabinettet som inneholder to parallelle, ledende plater for elektrostatisk eksitasjon. Til slutt, en datainnsamlings (DAQ) Systemet lagrer samtidig partikkelbevegelsen, fanges opp av en kvadrant-celle fotodetektor (QPD), og det påtrykte elektriske felt. Etter endt målingen blir partikkelstyrbart plasseres på substratet, slik at den kan fanges igjen på en reversibel måte. Denne generelle prosess kan gjentas flere hundre ganger uten tap partikkel for å måle endringer slik som kontaktdermatitt elektrifisering som forekommer i løpet av flere sykluser overlapping. Vennligst referer til vår siste artikkel feller detaljer. ¹²

Protocol

Forsiktig: Sjå alle relevante sikkerhetsprogrammer før eksperimentet. Alle de eksperimentelle prosedyrene som er beskrevet i denne protokollen er utført i henhold til NIST LASER sikkerhet programmet samt andre gjeldende bestemmelser. Vennligst sørg for å velge og bruke riktig personlig verneutstyr (PVU) som laser vernebriller konstruert for den spesifikke bølgelengde og makt. Håndtering tørre nano / mikropartikler kan kreve ekstra åndedrettsvern. 1. Design og fabrikasjon av en PZT Hol…

Representative Results

Den PZT launcher er utformet ved hjelp av et CAD-programvarepakken. Her bruker vi en enkel sandwich-struktur for forspenningen (en PZT fastspent med to plater), som vist på figur 2. PZT holderen og prøven kabinettet kan fremstilles fra en rekke forskjellige materialer og metoder. For en rask demonstrasjon, vi velger 3D-utskrift med termo figur 2d. Basert på fabrikkerte komponentene, optisk felle lasting er vist på figur 3. For selekt…

Discussion

Den piezoelektriske launcher er designet for å optimalisere den dynamiske ytelsen til en valgt PZT. Riktig valg av PZT materialer og forvaltning av ultrasoniske vibrasjoner er de viktigste trinnene for å gi et vellykket eksperiment. PZTs har ulike egenskaper avhengig av type svinger (bulk eller stablet) og komponent materialer (harde eller myke). En massetypen PZT laget av et hardt piezoelektrisk materiale er valgt av følgende grunner. Først harde piezoelektriske materialer har lavere dielektriske tap og høyere mek…

Materials

ScotchBlue Painter's Tape Original	3M	3M2090
Scotch 810 Magic Tape	3M	3M810
Function/Arbitrary Waveform generator	Agilent	HP33250A
Power supply/Digital voltage supplier	Agilent	E3634A
Ring-type piezoelectric transducer	American Piezo Company	item91
Electro-optic modulator	Con-Optics	350−80-LA
Amplifier for Electro-optic modulator	Con-Optics	302RM
Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective	Edmund optics	46-404	Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics
LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE	Loctite	230992
3D printer	MakerBot	Replicator 2
Polylactic acid (PLA) filament	MakerBot	True Red PLA Small Spool
Data Acquisition system	National Instruments	780114-01
Quadrant-cell photodetector	Newport	2031
Translational stage	Newport	562-XYZ
Inverted optical microscope	Nikon Instruments	EclipsTE2000
Fluorescence filter (green)	Nikon Instruments	G-2B
Flea3/CCD camera	Point Grey	FL3-U3-13S2M-CS	Trapping laser
Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4)	Spectra Physics	J20I-8S-12K/ BL-106C
Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips	SPI supplies	06463B-AB	Polystyrene microparticles
Fast Drying Silver Paint	Tedpella	16040-30
Dri-Cal size standards	Thermo Scientific	DC-20
Optical Fiber	Thorlabs	P1−1064PM-FC-5	bottom plate
Aluminium plate	Thorlabs	CP4S
High voltage power amplifier	TREK	PZD700A M/S