Sikker eksperimentering i optisk Levitation av ladede dråper med ekstern Labs

Summary

Optisk levitation er en metode for levitating mikrometer store dielektrisk objekter ved hjelp av laserlys. Datamaskiner og automasjonssystemer, et eksperiment på optisk levitation kan fjernstyres. Her, vi presenterer en fjernstyrt optisk levitasjon system som brukes både utdanning og forskning.

Abstract

Arbeidet presenterer et eksperiment der studie av mange grunnleggende fysiske prosesser, for eksempel Foton press, Diffraksjon av lys eller bevegelse ladede partikler i elektriske felter. I dette eksperimentet, en fokusert laser strålen peker oppover levitate væskedråper. Dråpene er levitated av Foton presset av fokusert laserstrålen som balanserer kraft. Diffraksjon mønsteret opprettet når opplyst med laserlys kan bidra til å måle størrelsen på en fanget dråpe. Ansvaret for fanget slippverktøyet kan bestemmes ved å studere sin bevegelse når en loddrett regissert elektriske feltet brukes. Det er flere grunner motiverende dette eksperimentet til fjernstyres. Investeringer som kreves for installasjonen overgår beløpet normalt tilgjengelig i undervisning undervisning laboratorier. Eksperimentet krever en laser av klasse 4, som er skadelig for både hud og øyne og eksperimentet bruker spenninger som er skadelig.

Introduction

Det faktum at lys bærer momentum ble først foreslått av Kepler da han forklarte hvorfor halen til en komet alltid peker fra solen. Bruk av en laser til å flytte og over makroskopisk objekter ble først rapportert av A. Ashkin og J. M. Dziedzic i 1971 da de vist at det er mulig å sveve mikrometer store dielektrisk objekter¹. Fanget objektet ble utsatt for en oppadgående regissert laserstrålen. Del av laserstrålen ble reflektert på objektet som pålagt strålingen presset på det som var tilstrekkelig til å motvekt tyngdekraften. De fleste av lyset, men var brytes gjennom dielektrisk objektet. Endring av retning lyset forårsaker en rekyl av objektet.  Virkningen rekyl etter en partikkel i en Gaussian strålen profil er at slippverktøyet vil bevege mot regionen høyeste lysintensiteten². Derfor opprettes en stabil overlapping posisjon i midten av laserstrålen på en posisjon over fokuspunkt hvor stråling press balanserer tyngdekraften.

Siden den optiske levitation tillater små gjenstander å være fanget og kontrollert uten kontakt med objekter, kan forskjellige fysiske fenomener studeres ved hjelp av et levitated slippverktøy. Men presenterer eksperimentet to begrensninger for å reproduseres og brukt på skoler og universiteter siden ikke alle institusjoner har råd til de nødvendige utstyret og siden det er visse risikoer i praktisk drift av laser.

Ekstern laboratorier (RLs) tilbyr online fjerntilgang til den virkelige laboratorieutstyr eksperimentelle aktiviteter. RLs først dukket opp på slutten av 90-tallet, med bruk av Internett, og deres betydning og bruk har vært økende gjennom årene som teknologien har kommet og noen av deres store bekymringer har vært løst³. Men kjernen av RLs har forblitt den samme over tid: bruk av en elektronisk enhet med Internett-tilkobling for å få tilgang til et laboratorium, og kontrollere og overvåke et eksperiment.

Deres eksterne naturen kan RLs brukes å tilby eksperimentelle aktiviteter til brukere uten å utsette dem til risikoene som kan knyttes til realisering av slike eksperimenter. Disse verktøyene gir elevene å tilbringe mer tid med laboratorieutstyr, og dermed utvikle bedre laboratorium ferdigheter. Andre fordeler ved RLs er at de 1) rette for handikappede mennesker å utføre eksperimentelt arbeid, 2) utvider katalogen av eksperimenter tilbys studenter ved å dele RLs mellom universiteter og 3) øke fleksibiliteten i planleggingen laboratoriearbeid, siden det kan utføres fra hjemme når er et fysisk laboratorium stengt. Til slutt, RLs tilbyr også opplæring i operativsystemer datastyrt, som i dag er en viktig del av forskning, utvikling og industri. Derfor tilby RLs ikke bare en løsning til både økonomiske og sikkerhet problemene at tradisjonelle labs presenterer, men også gi mer interessant eksperimentelle muligheter.

Med eksperimentelle oppsett brukes i dette arbeidet, er det mulig å måle størrelsen og betalt av en fanget dråpe, undersøke bevegelse ladede partikler i elektrisk felt og analysere hvordan en radioaktiv kilde kan brukes å endre gebyret på en dråpe⁴ .

Eksperimentelle oppsett presentert, er en kraftig laser rettet oppover og fokusert på midten av glass celle⁴. Laser er en 2 W 532 nm diode-pumpet solid-state laser (CW), der vanligvis ca 1 Watt (W) brukes. Brennvidden på objektivet overlapping er 3,0 cm. dråper genereres med en piezo slippverktøy dispenser og ned gjennom laserstrålen før de er fanget like over fokus for laser. Overlapping oppstår når kraften fra oppover regissert strålingstrykket er lik for nedadgående regissert kraft. Det er ingen øvre tidsbegrensning observert overlapping. Den lengste tiden en dråpe har blitt fanget er 9 timer, deretter, fellen ble slått av. Samspillet mellom slippverktøyet og laser produserer en Diffraksjon mønster som brukes til å bestemme størrelsen på dråpene.

Dråper slippes ut fra dispenser består av 10% glyserol og 90% vann. Delen vann fordamper raskt, etterlot en 20-30 µm størrelse glyserol dråpe i fellen. Maksimumsstørrelsen på et slippverktøy som kan overlappes er 40 µm. Det er ingen fordampning observert etter ca 10 s. På dette punktet forventes alle vann å ha fordampet. Lang overlapping tiden uten noen observerbare fordampning angir at det er minimal absorpsjon og at slippverktøyet i hovedsak ved romtemperatur. Overflatespenning av dråpene gjør dem sfærisk. Anklagen av dråper generert av slippverktøy dispenseren er avhengig av ytre forhold i laboratoriet, hvor de oftest blir negativt ladet. Toppen og bunnen av overtrykk cellen består av to elektroder plassert 25 mm fra hverandre. De kan brukes til å bruke en loddrett elektrisk likespenning (DC) eller vekselstrøm (AC) feltet over slippverktøyet. Det elektriske feltet er ikke sterk nok til å lage noen buer selv om 1000 Volt (V) brukes over elektrodene. Hvis en DC-feltet brukes, flyttes slippverktøyet opp eller ned i laserstrålen til en ny stabil likevekt stillingen. Hvis en AC-feltet brukes i stedet, svinger slippverktøyet rundt plasseringen likevekt. Omfanget av svingninger, avhenger av størrelsen og ansvaret for slippverktøyet, intensiteten av det elektriske feltet og stivhet av laser fellen. Et bilde av slippverktøyet er projisert på en posisjon-sensitive detektor (PSD), hvilke innrømmer brukernes å spore den vertikale plasseringen av slippverktøyet.

Dette arbeidet presenterer en vellykket initiativ av modernisering undervisning og forskning ved hjelp av informasjons- og kommunikasjonsteknologi gjennom en innovativ RL på optisk levitation av ladede dråper som illustrerer moderne begreper i fysikk. Figur 1 viser arkitekturen i RL. Tabell 1 viser mulige skader lasere kan forårsake etter klasse; I dette oppsettet, er en klasse IV laser brukt, og som er den farligste. Den kan operere med opptil 2.0 W av synlig laserstråling, så sikkerheten av eksterne operasjonen er tydelig egnet til dette eksperimentet. Den optiske levitation av ladede dråper RL ble presentert i arbeidet med D. Galan et al. i 2018⁵. I dette arbeidet er det demonstrert hvordan kan det brukes online av lærere som ønsker å introdusere elevene til moderne konsepter for fysikk uten å være bekymret for kostnadene, logistikk eller sikkerhet problemer. Studenter tilgang RL gjennom en web-portal kalt universitet nettverk av interaktive laboratorier (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) i som de kan finne alle dokumentasjonen om teorien eksperimentet og bruken av den eksperimentelle konfigurasjon ved hjelp av en web-applikasjon. Ved å bruke konseptet med en ekstern laboratorium, kan eksperimentelt arbeid i moderne fysikk som krever kostbar og farlig utstyr gjøres tilgjengelig for nye grupper av studenter. Videre, det forbedrer formell læring ved å gi tradisjonelle studenter med mer laboratorium tid og eksperimenter som ikke vanligvis er tilgjengelige utenfor forskningslaboratorier.

Protocol

Merk: Laseren som brukes i dette eksperimentet er en klasse IV laser levere opptil 1 W av synlig laserstråling. Alt personell i laser laboratoriet må ha gjennomført tilstrekkelig laser sikkerhetsopplæring. 1. hands-On eksperimentelle protokollen Sikkerhet Kontroller at alle i laboratoriet er klar over at en laser slås på. Slå på den laser advarselslampen i laboratoriet. Kontroller at ingen ser eller metall ringer er slitt og sette på laser brill…

Representative Results

Når laserstrålen er godt organisert, og den nederste platen er ren, er dråper nesten umiddelbart fanget. Når et slippverktøy er fanget kan det bo i fellen i flere timer, gi god tid for undersøkelser. Radius r av dråpene er i størrelsesorden 25 ≤ r ≤ 35 µm og tillegget har blitt målt mellom 1.1×10-17 ±1.1 x10-18 C og 5.5×10-16 ±5.5 x10-17 C. Størrelsen på dråpene forblir, ifølge våre målinger, konstant over tid, men…

Discussion

Dette arbeidet presenterer et oppsett for en moderne fysikk eksperiment der dråper er optisk levitated. Eksperimentet kan utføres i en tradisjonell praktisk måte eller eksternt. Med det eksterne system etablissementet, kan studenter og forskere over hele verden få tilgang til den eksperimentelle set-up. Dette garanterer også brukernes sikkerhet, siden de ikke trenger å være i nærvær av høy makt laser og elektrisk felt som kreves for eksperimentet. I tillegg kan brukerne samhandle med instrumentering i en veldig…

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