Sicuro sperimentazione in ottica levitazione di goccioline caricate utilizzando Remote Labs

Summary

Levitazione ottica è un metodo per levitare oggetti di dielettrico micrometro-dimensioni usando la luce laser. Che utilizzano computer e sistemi di automazione, un esperimento sulla levitazione ottico può essere controllato da remoto. Qui, vi presentiamo un sistema di levitazione ottica comandati a distanza che è utilizzato sia per la didattica e scopi di ricerca.

Abstract

Il lavoro presenta un esperimento che permette lo studio di molti processi fisici fondamentali, quali la pressione del fotone, diffrazione della luce o il movimento di particelle cariche in campi elettrici. In questo esperimento, un fascio laser focalizzato che punta verso l’alto levitare delle gocce liquide. Le goccioline sono levitated dalla pressione del fotone del raggio laser focalizzato che bilancia la forza gravitazionale. Il modello di diffrazione creato quando illuminato con la luce laser può aiutare a misurare la dimensione di una gocciolina intrappolata. La carica della goccia intrappolata può essere determinata studiando il movimento quando viene applicato un campo elettrico diretto verticalmente. Ci sono diverse ragioni che motivano questo esperimento per essere controllata in remoto. Gli investimenti necessari per l’installazione supera la quantità normalmente disponibile nei laboratori di insegnamento universitario. L’esperimento richiede che un laser di classe 4, che è nocivo per la pelle e gli occhi e l’esperimento utilizza tensioni dannose.

Introduction

Il fatto che la luce porta slancio fu suggerito da Kepler quando ha spiegato perché la coda di una cometa sempre punti lontano dal sole. L’uso di un laser per spostare e intrappolare oggetti macroscopici in primo luogo è stato segnalato da r. Ashkin e J. M. Dziedzic nel 1971 quando hanno dimostrato che è possibile per far levitare micrometro dimensioni dielettrico oggetti¹. L’oggetto intrappolato è stato esposto a un ascendente diretto il raggio laser. Parte del fascio laser è stata riflessa sull’oggetto che ha imposto una pressione di radiazione esercitata su di esso che era sufficiente a controbilanciare la gravità. La maggior parte della luce, tuttavia, era rifratta attraverso l’oggetto dielettrico. Il cambiamento della direzione della luce provoca un rinculo dell’oggetto.  L’effetto netto del rinculo per una particella collocato in un profilo di fascio gaussiano è che la goccia si muoverà verso la regione di più alta intensità della luce². Quindi, una posizione di cattura stabile è creata al centro del fascio laser in una posizione leggermente sopra il punto focale dove la pressione di radiazione equilibra gravità.

Poiché il metodo di levitazione ottico consente piccoli oggetti intercettati e controllati senza essere in contatto con eventuali oggetti, fenomeni fisici differenti possono essere studiati utilizzando una gocciolina sospesi. Tuttavia, l’esperimento presenta due limitazioni per essere riprodotto e applicato alle scuole o università, poiché non tutte le istituzioni possono permettersi l’attrezzatura necessaria e ci sono alcuni rischi nell’operazione di hands-on del laser.

Laboratori remoti (RLs) offrono accesso remoto online per l’apparecchiatura di vero e proprio laboratorio per attività sperimentali. RLs per la prima volta alla fine degli anni 90, con l’avvento di Internet, e la loro importanza e l’uso sono cresciuti nel corso degli anni, come la tecnologia è progredita e alcune delle loro principali preoccupazioni sono state solved³. Tuttavia, il nucleo di RLs è rimasta la stessa nel tempo: l’uso di un dispositivo elettronico con connessione a Internet per accedere a un laboratorio e controllare e monitorare un esperimento.

A causa della loro natura remota, RLs può essere utilizzato per offrire attività sperimentali per utenti senza esporli a rischi che possono essere associati con la realizzazione di tali esperimenti. Questi strumenti consentono agli studenti di trascorrere più tempo al lavoro con attrezzature di laboratorio e quindi sviluppano migliori capacità di laboratorio. Altri vantaggi di RLs sono che 1) facilitano per portatori di handicap eseguire lavoro sperimentale, 2) espandere il catalogo degli esperimenti offerti agli studenti condividendo RLs tra università e 3) aumentare la flessibilità nella pianificazione del lavoro di laboratorio, dal momento che può essere eseguito da casa quando è chiuso un laboratorio di fisica. Infine, RLs offrono anche formazione in sistemi controllati da computer, che al giorno d’oggi sono una parte importante della ricerca, lo sviluppo e l’industria di funzionamento. Di conseguenza, RLs solo non può offrire una soluzione per entrambi i problemi finanziari e di sicurezza che tradizionali laboratori presentano, ma anche forniscono opportunità sperimentali più interessanti.

Con la messa a punto sperimentale utilizzato in questo lavoro, è possibile misurare la dimensione e carica di una gocciolina intrappolata, studiare il moto delle particelle cariche in campi elettrici e analizzare come una sorgente radioattiva può essere utilizzata per modificare la carica su una goccia⁴ .

Nel setup sperimentale presentato, un potente laser è diretto verso l’alto e messo a fuoco nel centro di una cella di vetro⁴. Il laser è un 2 W 532 nm pompato a diodi laser a stato solido (CW), dove di solito circa 1 Watt (W) è usato. La lunghezza focale della lente dell’intrappolamento è 3,0 cm. goccioline vengono generate con un dispenser per gocce piezo e scendono attraverso il raggio laser fino a quando sono intrappolati appena sopra il fuoco del laser. Intrappolamento si verifica quando la forza da verso l’alto diretto pressione di radiazione è uguale alla forza gravitazionale diretta verso il basso. Non c’è alcun limite di tempo osservato per il trapping. Il più lungo tempo che è stato intrappolato un droplet è 9 ore, da allora in poi, la trappola è stata disattivata. L’interazione tra la goccia e campo laser produce un pattern di diffrazione che viene utilizzato per determinare le dimensioni delle goccioline.

Le goccioline emesse dal dispenser è costituito da 10% glicerolo e 90% di acqua. La parte di acqua evapora rapidamente, lasciando una goccia di glicerolo dimensioni 20-30 µm nella trappola. La dimensione massima di una goccia che può essere intercettata è circa 40 µm. Non c’è nessuna evaporazione osservato dopo circa 10 s. A questo punto, tutta l’acqua dovrebbe avere evaporato. Il tempo di cattura lungo senza qualsiasi evaporazione osservabile indica che c’è un assorbimento minimo e che la goccia è essenzialmente a temperatura ambiente. La tensione superficiale delle gocce li rende sferica. La carica delle goccioline generate dal dispenser per gocce dipende dalle condizioni ambientali in laboratorio, dove hanno più comunemente diventare caricati negativamente. La parte superiore e parte inferiore della cella intrappolamento è costituito da due elettrodi posti 25 mm apart. Essi può essere utilizzati per applicare un verticale elettrico corrente (continua CC) o corrente alternata (AC) campo sopra la goccia. Il campo elettrico non è abbastanza forte per creare qualsiasi archi anche se 1000 Volt (V) è applicato sopra gli elettrodi. Se viene utilizzato un campo DC, la goccia si muove verso l’alto o verso il basso nel raggio laser in una nuova posizione di equilibrio stabile. Se invece è applicato un campo di AC, la gocciolina oscilla intorno alla sua posizione di equilibrio. L’ampiezza delle oscillazioni dipende dalla dimensione e carica della goccia, l’intensità del campo elettrico e sulla rigidità della trappola laser. Un’immagine della goccia è proiettata su un rivelatore sensibile alla posizione (PSD), che consente agli utenti di tenere traccia della posizione verticale della goccia.

Questo lavoro presenta un’iniziativa di successo di modernizzare l’insegnamento e la ricerca utilizzando tecnologie dell’informazione e comunicazione attraverso un innovativo RL sulla levitazione ottica di goccioline cariche che illustra concetti moderni in fisica. Figura 1 illustra l’architettura del RL. La tabella 1 Mostra le possibili lesioni che possono causare i laser in base alla loro classe; In questa configurazione, è stato utilizzato un laser di classe IV, che è quella più pericolosa. Può funzionare con fino a 2.0 W della radiazione laser visibile, così la sicurezza fornita dall’operazione remota è chiaramente adatta per questo esperimento. La levitazione ottica di goccioline cariche di RL è stato presentato nell’opera di D. Galan et nel 2018⁵. In questo lavoro, è dimostrato come può essere utilizzato online da insegnanti che vogliono introdurre gli studenti ai moderni concetti di fisica senza dover essere preoccupati per i costi, la logistica o i problemi di sicurezza. Il RL di accesso gli studenti attraverso un portale web chiamato rete di laboratori interattivi di Università (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) in cui si possono trovare tutti i documenti riguardanti la teoria relazionato all’esperimento e l’uso di sperimentale installazione per mezzo di un’applicazione web. Utilizzando il concetto di un laboratorio remoto, lavoro sperimentale nella fisica moderna che richiede attrezzature costose e pericolose possono essere resi disponibile a nuovi gruppi di studenti. Inoltre, migliora l’apprendimento formale fornendo agli studenti tradizionali con più tempo di laboratorio e con esperimenti che normalmente non sono accessibili all’esterno di laboratori di ricerca.

Protocol

Nota: Il laser utilizzato in questo esperimento è un laser di classe IV consegna fino a 1 W di radiazione laser visibile. Tutto il personale presente in laboratorio laser devono hanno condotto la formazione sulla sicurezza laser adeguata. 1. protocollo sperimentale hands-on Sicurezza Assicurarsi che tutti nel laboratorio è consapevoli che un laser si accende. Accendere la lampada spia laser in laboratorio. Verificare che nessun orologio o metallo anell…

Representative Results

Quando il raggio laser è ben allineato e la piastra inferiore è pulita, le gocce sono intrappolate quasi immediatamente. Quando una gocciolina è intrappolata può rimanere nella trappola per diverse ore, dando un sacco di tempo per le indagini. Il raggio r delle goccioline è nella gamma di 25 ≤ r ≤ 35 µm e la carica è stata misurata tra 1.1×10-17 ±1.1 x10-18 C e 5.5×10-16 ±5.5 x10-17 C. Le dimensioni delle goccioline rimango…

Discussion

Questo lavoro presenta un programma di installazione per lo svolgimento di un esperimento di fisica moderna in cui goccioline sono otticamente levitava. L’esperimento può essere eseguito sia in modo tradizionale e hands-on che in remoto. Con l’istituzione del sistema remoto, studenti e ricercatori in tutto il mondo possono ottenere accesso alla messa a punto sperimentale. Questo garantisce anche la sicurezza degli utenti, poiché non è necessario essere in presenza del laser ad alta potenza e campi elettrici necessari …

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