טוען מלכודת אופטית של דיאלקטרי microparticles באוויר
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 דיווח על האצה הלכידה של microparticles ידי לחץ קרינה בשנת 1970. 1 הישג הרומן שלו לקדם את הפיתוח של טכניקות השמנה אופטיות ככלי עיקרי ללימודי פיסיקה בסיסיים וביופיסיקה. 2, 3, 4, 5 עד כה, היישום של השמנה אופטית, והוא מתמקד בעיקר סביבות נוזליות, ו נעשה שימוש כדי ללמוד מגוון רחב מאוד של מערכות, מהתנהגות קולואידים אל התכונות המכאניות של ביומולקולות יחידה. 6, 7, 8 יישום של השמנה אופטית כדי סביבות דמויות גז, לעומת זאת, דורש פתרון כמה בעיות טכניות חדשות.
לאחרונה, השמנה אופטית באוויר / ואקום בשנים אחרונות חלה עלייה ב מחקר בסיסי. מאז לוי אופטיtation פוטנציאל מספק בידוד כמעט-מלא של מערכה מהסביבה, החלקיק לרחף אופטי הופך מעבדה אידיאלית לחקר ארצות קרקע הקוואנטים חפצים קטן, 4 גלי כבידה בתדירות גבוהה מדידה, 9 וחיפוש תשלום חלקי. 10 יתר על כן, הצמיגות הנמוכה של אוויר / ואקום מאפשרת להשתמש אינרציה כדי למדוד את המהירות הרגעית של חלקיק בראוני 11 וכדי ליצור תנועה בליסטית על פני טווח רחב של תנועה מעבר למשטר ליניארי באביב דמוי. 12 לכן, מידע טכני מפורט ופרקטיקות מלכודות אופטיות סביבות דמויות גז הפכו יותר חשובים לקהילת המחקר הרחבה.
ניסיוני בטכניקות חדשות נדרשות לטעון ננו / microparticles לתוך מלכודות אופטיות סביבות דמויות גז. מתמר פיזואלקטריים (PZT), מכשיר הממיר אלקטרונic אנרגיה לאנרגיה mechano-אקוסטי, נעשה שימוש כדי לספק חלקיקים קטנים לתוך מלכודות אופטי באוויר / ואקום 5, 12 מאז ההפגנה הראשונה של ריחוף אופטי. 1 מאז, טכניקות טעינת מספר הוצעו על מנת לטעון חלקיקים קטנים באמצעות אירוסולים נדיפים שנוצרו על ידי nebulizer מסחרי 13 או מחולל גל אקוסטי. 14 לאווירוסולים צפו עם תכלילים מוצקים (חלקיקים) לעבור באופן אקראי ליד מיקוד לכודים במקרה. לאחר אירוסול לכוד, הממס מתאדה החוצה החלקיק נשאר במלכודת האופטית. עם זאת, שיטות אלה אינן מתאימים היטב לזהות חלקיקים הרצוי מתוך מדגם, לטעון חלקיק נבחר כדי לעקוב אחר השינויים שלה אם שוחררו מן המלכודת. פרוטוקול זה מיועד לספק פרטים למתרגלים חדשים על טעינת מלכודת אופטית סלקטיבי באוויר, כולל הניסויהתקנה אל, ייצור של בעל PZT מתחם מדגם, טעינת מלכודת, ורכישת נתונים הקשורים לניתוח תנועת חלקיקים בשני התחומים התדירים ההרכבה וזמן. פרוטוקולים על השמנה בתקשורת נוזלית גם פורסמו. 15, 16
ההתקנה ניסיון הכוללת מפותחת על מיקרוסקופ אופטי מסחרי הפוך. איור 1 מציג תרשים סכמטי של ההתקנה נהגה להציג את הצעדים של טעינת המלכודת אופטית סלקטיבי: לשחרר את microparticles נח, הרמת החלקיק נבחר עם הקרן הממוקדת, מדידת התנועה שלה, ומעמיד אותו על המצע שוב. ראשית, בשלבי translational (רוחבי ואנכי) משמשים להביא microparticle שנבחר על מצע מוקד ליזר השמנה (ננומטר אורך הגל 1064) התמקד על ידי עדשה אובייקטיבית (קרובת אינפרא אדום תקנה מטרה למרחקים ארוכה-עבודה: NA 0.4, הגדלה 20X, עובד דistance 20 מ"מ) דרך מצע שקוף. לאחר מכן, משגר חשמלי (PZT טעון מראש טבעת מהסוג מכאני) מייצר ויברציות קולי לשבור את ההידבקות בין microparticles ואת מצע. לפיכך, כל חלקיק משוחררים ניתן להרים ידי מלכודת לייזר שיפוע חד קרן ממוקדת על החלקיק שנבחרו. לאחר החלקיק הוא לכוד, זה מתורגם במרכז המתחם מדגם המכיל שני לוחות מוליכים מקבילים עבור עירור אלקטרוסטטי. לבסוף, רכישת נתונים (DAQ) מערכת זמנית מתעדת את תנועת החלקיקים, שנתפסה על ידי גלאי אור תאים ברבע (QPD), ואת השדה החשמלי מיושם. לאחר סיום המדידה, החלקיק מושם מבוקר על גבי המצע כך שהוא יכול להיות לכוד שוב באופן הפיך. תהליך הכולל זה ניתן לחזור מאות פעמים ללא איבוד חלקיקים כדי למדוד שינויים כגון חשמול קשר המתרחשים על פני מחזורי שמנה מספר. עיין f לאחרונה המאמר שלנואו פרטים. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
משגר פיזואלקטריים נועד כדי למטב את הביצועים הדינמיים של PZT שנבחר. בחירה נכונה של חומרי PZT וניהול של תנודות קוליות הן השלבים העיקריים להניב בניסוי מוצלח. יש PZTs מאפיינים שונים בהתאם לסוג של מתמר (בתפזורת או מוערם) וחומרי רכיב (קשים או רכים). PZT סוג בתפזורת עשוי מחומר פיזוא…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
All work performed under the support of the National Institute of Standards and Technology. Certain commercial equipment, instruments, or materials are identified to foster understanding of this protocol. Such identification does not imply recommendation or endorsement by the National Institute of Standards and Technology, nor does it imply that the materials or equipment identified are necessarily the best available for the purpose.
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 |
References
- Ashkin, A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).
- Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator. Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).
- Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L. Subkelvin Parametric Feedback Cooling of a Laser-Trapped Nanoparticle. Phys. Rev. Lett. 109 (10), 103603 (2012).
- Chang, D. E., et al. Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (3), 1005-1010 (2010).
- Arita, Y., Mazilu, M., Dholakia, K. Laser-induced rotation and cooling of a trapped microgyroscope in vacuum. Nat. Commun. 4, 2374 (2013).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
- Mehta, A. D. Single-Molecule Biomechanics with Optical Methods. Science. 283 (5408), 1689-1695 (1999).
- Arvanitaki, A., Geraci, A. A. Detecting High-Frequency Gravitational Waves with Optically Levitated Sensors. Phys. Rev. Lett. 110 (7), 071105 (2013).
- Moore, D. C., Rider, A. D., Gratta, G. Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres. Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801 (2014).
- Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle. Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).
- Park, H., LeBrun, T. W. Parametric Force Analysis for Measurement of Arbitrary Optical Forces on Particles Trapped in Air or Vacuum. ACS Photonics. 2 (10), 1451-1459 (2015).
- Summers, M. D., Burnham, D. R., McGloin, D. Trapping solid aerosols with optical tweezers: A comparison between gas and liquid phase optical traps. Opt. Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).
- Anand, S., et al. Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization. Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).
- Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope. Nat. Protoc. 2 (12), 3226-3238 (2007).
- Pesce, G., et al. Step-by-step guide to the realization of advanced optical tweezers. J. Opt. Soc. Am. B. 32 (5), B84 (2015).
- Thornton, S. T., Marion, J. B. . Classical Dynamics of Particles and Systems. , (2003).
- Ashkin, A. Stability of optical levitation by radiation pressure. Appl. Phys. Lett. 24 (12), 586-588 (1974).
- Chandrasekhar, S. Stochastic Problems in Physics and Astronomy. Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).
- Li, T. . Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres. , 9-21 (2013).
- Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. Reducing Adhesion Force by Means of Atomic Layer Deposition of ZnO Films with Nanoscale Surface Roughness. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).
- Park, H., LeBrun, T. W. Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air. SPIE OPTO. 9764, (2016).
