远程实验室对带电液滴光学悬浮的安全实验
Summary
光悬浮是利用激光悬浮微米大小的介电物体的一种方法。利用计算机和自动化系统, 可以远程控制光学悬浮实验。在这里, 我们提出了一个远程控制的光学悬浮系统, 用于教育和研究目的。
Abstract
这项工作提出了一个实验, 允许研究许多基本的物理过程, 如光子压力, 光的衍射或带电粒子在电场中的运动。在这个实验中, 一个聚焦的激光束指向向上悬浮液滴。液滴是由聚焦激光束的光子压力悬浮的, 该激光束平衡了引力。用激光照射时产生的衍射图案可以帮助测量被困液滴的大小。当施加垂直定向电场时, 通过研究被困液滴的运动, 可以确定其电荷。推动这一实验被远程控制的原因有几个。设置所需的投资超过了本科教学实验室通常提供的金额。实验需要4级激光, 这对皮肤和眼睛都有害, 实验使用的是有害的电压。
Introduction
当开普勒解释为什么彗星的尾部总是指向远离太阳的时候, 他首先提出了光携带动量的事实。1971年, a. ashkin 和 j. m. dziedzic 首次报告了使用激光移动和捕获宏观物体的情况, 当时他们证明有可能悬浮微米大小的介电物1。被困物体暴露在向上定向的激光束下。部分激光束被反射到对其施加辐射压力的物体上, 足以抵消重力。然而, 大部分光线都是通过介电物体折射的。光线方向的变化会导致物体的反冲。 对于放置在高斯光束剖面中的粒子, 反冲的净效果是液滴将向最高光强2区域移动.因此, 在激光束的中心, 在辐射压力平衡重力的焦点上方的位置上, 会产生一个稳定的捕获位置。
由于光学悬浮法允许小物体在不与任何物体接触的情况下被捕获和控制, 因此可以使用悬浮液滴研究不同的物理现象。然而, 该实验有两个限制, 可在学校或大学复制和应用, 因为并非所有机构都能负担得起所需的设备, 而且激光的实际操作存在一定的风险。
远程实验室 (rl) 为实验活动提供了对真实实验室设备的在线远程访问。rl 最早出现在 90年代末, 随着互联网的出现, 随着技术的进步和他们的一些主要关注问题得到解决, 它们的重要性和用途多年来一直在增长.然而, 随着时间的推移, rl 的核心一直保持不变: 使用连接互联网的电子设备访问实验室, 控制和监测实验。
由于 rl 具有远程性, 因此可用于向用户提供实验活动, 而不会使用户面临可能与实现此类实验相关的风险。这些工具使学生能够花更多的时间使用实验室设备, 从而培养更好的实验室技能。rl 的其他优点是: 它 1) 便利残疾人从事实验工作, 2) 通过在大学之间共享 rl 来扩展为学生提供的实验目录, 3) 增加了安排实验室工作的灵活性,因为当物理实验室关闭时, 可以在家进行。最后, rl 还提供计算机控制系统操作方面的培训, 这些系统现在是研究、开发和工业的重要组成部分。因此, rl 不仅能解决传统实验室带来的财务和安全问题, 还能提供更有趣的实验机会。
通过本工作中使用的实验装置, 可以测量被困液滴的大小和电荷, 研究带电粒子在电场中的运动, 并分析如何利用放射源改变液滴4上的电荷.
在所提出的实验装置中, 一个强大的激光向上定向, 并聚焦到玻璃细胞4的中心。该激光器是一种 2 w 532 nm 二极管泵浦固体激光器 (cw), 通常使用约1瓦 (w)。陷阱透镜的焦距为3.0 厘米. 液滴是用压电液滴分配器产生的, 通过激光束下降, 直到它们被困在激光焦距上方。当向上定向辐射压力的力等于向下定向的重力时, 就会发生诱捕。没有遵守陷阱的上限。液滴被困的最长时间是 9小时, 此后, 陷阱被关闭。液滴与激光场之间的相互作用产生了一种衍射图, 用于确定液滴的大小。
从分配器发出的液滴由10% 的甘油和90% 的水组成。水部分迅速蒸发, 在疏水阀中留下一个20到30μm 大小的甘油液滴。可捕获的液滴的最大尺寸约为40μm。大约10秒后没有观察到蒸发。此时, 预计所有的水都将蒸发。长时间的捕获时间没有任何可观察到的蒸发表明, 有最小的吸收, 液滴基本上是在室温下。液滴的表面张力使它们呈球形。液滴分配器产生的液滴的电荷取决于实验室的环境条件, 在实验室中, 液滴液滴最常见的是带负电荷。捕获单元的顶部和底部由两个相距25毫米的电极组成。它们可用于在液滴上施加垂直直流电 (dc) 或交流电 (ac) 场。即使在电极上施加1000伏 (v), 电场也不够强, 无法产生任何弧线。如果使用直流场, 液滴在激光束中向上或向下移动到新的稳定平衡位置。如果相反地施加交流场, 液滴将围绕其平衡位置振荡。振荡的大小取决于液滴的大小和电荷、电场的强度以及激光陷阱的刚度。液滴的图像投影到位置敏感探测器 (psd) 上, 使用户能够跟踪液滴的垂直位置。
这项工作提出了一个成功的倡议, 使教学和研究现代化使用信息和通信技术通过创新的 rl 光悬浮带电液滴, 说明了现代概念的物理。图 1显示了 rl 的体系结构。表 1显示了激光根据其类别可能造成的伤害;在此设置中, 使用了 iv 类激光, 这是最危险的激光。它可以在高达 2.0 w 的可见光激光辐射下运行, 因此远程操作提供的安全性显然适用于该实验。在 d. galan等人的作品中介绍了带电液滴 rl 的光学悬浮情况.在这项工作中, 它被证明如何可以使用在线教师谁想要向他们的学生介绍现代物理概念, 而不必担心成本, 物流或安全问题。学生通过一个名为 “大学互动实验室网络” (https://unilabs.dia.uned.es) 的门户网站访问 rl, 在该门户网站中, 他们可以找到与实验和实验使用相关的理论的所有文档通过 web 应用程序进行设置。通过使用远程实验室的概念, 需要昂贵和危险设备的现代物理学实验工作可以提供给新的学生群体。此外, 它还通过为传统学生提供更多的实验室时间和通常在研究实验室外无法进入的实验, 加强了正规学习。
Protocol
Representative Results
Discussion
这项工作提出了一个设置, 进行现代物理实验, 其中液滴是光学悬浮。该实验可以用传统的动手方式进行, 也可以远程进行。通过远程系统的建立, 世界各地的学生和研究人员都可以获得实验设置。这也保证了用户的安全, 因为他们不需要存在实验所需的大功率激光和电场。此外, 由于设置的自动化, 用户可以通过计算机发送高级命令, 以非常简单的方式与仪器进行交互。与动手过程相比, 远程实验提?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了瑞典研究理事会卡尔·特里格的支持, 该基金会的科学研究基金会和西班牙经济和竞争力部在 cicyt dpi2014-55932-c2-2-r 项目下得到了支持。感谢桑纳普斯研德让我们和学生一起尝试 rl。
Materials
| 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 |
Referências
- Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical levitation by radiation pressure. Applied Physics Letters. 19, 283-285 (1971).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Christian, W., Esquembre, F. Modeling physics with easy java simulations. The Physics Teacher. 45, 475-480 (2007).
- 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).
- Chaos, D., Chacon, J., Lopez-Orozco, J. A., Dormido, S. Virtual and remote robotic laboratory using ejs, matlab and labview. Sensors. 13, 2595-2612 (2013).
- 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).
- 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).
- Galinskiy, I., et al. Measurement of particle motion in optical tweezers embedded in a Sagnac interferometer. Optics express. 23, 27071-27084 (2015).
- Polat, M., Polat, H., Chander, S. Electrostatic charge on spray droplets of aqueous surfactant solutions. Journal of Aerosol Science. 31, 551-562 (2000).
