Безопасные эксперименты в оптических левитация заряженных капель, с использованием удаленной лаборатории
Summary
Оптическая левитация — это метод для парящий микрометра размера диэлектрической объектов с помощью лазерного света. Использование компьютеров и систем автоматизации, эксперимент на оптических подушке можно управлять дистанционно. Здесь, мы представляем систему телемеханики оптических левитация, которая используется как для учебных и исследовательских целей.
Abstract
В работе представлены эксперимент, который позволяет изучение многих фундаментальных физических процессов, например Фотон давления, дифракции света или движение заряженных частиц в электрических полях. В этом эксперименте сфокусированного лазерного пучка указывая вверх левитировать жидких капель. Капли поднимаемый Фотон давлением сфокусированного лазерного луча, который уравновешивает гравитационной силы. Дифракционный рисунок, созданный при освещении с лазерного света может помочь измерить размер ловушке капельки. Заряд ловушке капельки можно определить путем изучения его движения при применении вертикально направленные электрического поля. Существует несколько причин, мотивирующие этот эксперимент будет удаленно управляться. Инвестиции, необходимые для установки превышает сумму обычно доступны в Бакалавриат учебных лабораториях. Этот эксперимент требует лазер класса 4, который вреден для кожи и глаз и эксперимент использует напряжений, которые являются вредными.
Introduction
Тот факт, что свет несет импульс впервые было предложено Кеплер, когда он объяснил, почему хвост кометы всегда очков от солнца. Использование лазера для перемещения и поймать макроскопических объектов впервые сообщили A. Ашкин и J. м. Dziedzic в 1971 году, когда они продемонстрировали, что это возможно левитировать микрометра размера диэлектрической объектов1. Ловушке объект подвергается вверх направленного лазерного луча. Частью лазерный луч было отражено на объекте, который ввел давление излучения на него, что было достаточно, чтобы уравновесить силы тяжести. Большая часть света, однако, был преломленный через объект диэлектрика. Изменение направления света вызывает откат объекта. Чистый эффект отдачи для частицы в профиль Гаусса луч является, что капли будет двигаться в направлении региона высокие интенсивности света2. Таким образом позиция стабильной треппинга создается в центре лазерного луча на позицию чуть выше координационным центром, где давление излучения остатки гравитации.
Поскольку метод оптической левитация позволяет небольших объектов в ловушке и контролировать без контакта с любыми объектами, различные физические явления могут быть изучены с помощью дроплета Левитирующий. Однако эксперимент представляет два ограничения, чтобы быть воспроизведены и применяются в школах или университетах, поскольку не все учреждения могут позволить себе необходимое оборудование и есть определенные риски в практической работы лазера.
Удаленный лаборатории (RLs) предлагают онлайн удаленный доступ к реальной лабораторное оборудование для экспериментальной деятельности. RLs впервые появился в конце 90-х годов, с появлением Интернета, и их значение и использование росли с течением времени, как технология прогрессировала, и некоторые из их основных проблем были выполнено3. Однако, суть RLs остается неизменной с течением времени: использование электронного устройства с доступом в Интернет для доступа к лаборатории и контролировать и отслеживать эксперимент.
Из-за их удаленный характер может использоваться RLs предложить пользователям экспериментальной деятельности, не подвергая их на риски, которые могут быть связаны с реализацией таких экспериментов. Эти инструменты позволяют студентам тратить больше времени, работая с лабораторным оборудованием и следовательно развивать навыки лучше лаборатории. Другие преимущества RLs являются, что они 1) облегчить для людей с ограниченными возможностями для выполнения экспериментальных работ, 2) разверните каталог экспериментов, предлагаемых студентам обмена RLs между университетами и 3) увеличить гибкость в планировании работы лаборатории, так как она может быть выполнена из дома когда физическая лаборатория закрыта. Наконец RLs также предлагают обучение в операционных систем с компьютерным управлением, которые в настоящее время являются важной частью научных исследований, развития и промышленности. Таким образом RLs только не может предложить решение финансовых и безопасности вопросов, что традиционные лаборатории представить, но и обеспечить более интересных экспериментальных возможностей.
С экспериментальной установки, используемые в этой работе это можно измерить размер и заряд в ловушке капельки, исследовать движение заряженных частиц в электрических полей и анализировать, как радиоактивный источник может использоваться для изменения заряд капельки4 .
В экспериментальной установки представлены мощный лазер направляется вверх и сосредоточены в центр стекла ячейки4. Лазер является 2 W 532 нм диодной накачкой твердотельным лазером (CW), где обычно используется около 1 Вт (W). Фокусное расстояние объектива треппинг — 3,0 см. капельки создаются с диспенсером капелька piezo и спускаться через лазерный луч, до тех пор, пока они оказались в ловушке чуть выше фокус лазера. Треппинг возникает, когда силы от вверх направлены что давление излучения равен вниз режиссер гравитационной силы. Существует не верхний предел времени для треппинга. Долгое время ловушке капельки 9 часов, после этого, ловушки был выключен. Взаимодействие между капли и поле лазер производит дифракционной картины, которая используется для определения размера капли.
Капельки, излучаемый распылитель состоят из 10% глицерина и 90% воды. Часть воды быстро испаряется, оставляя капельку размера глицерина 20-30 мкм в ловушку. Максимальный размер капли, которые могут быть в ловушке — около 40 мкм. Существует нет испарения, наблюдается после около 10 s. На данный момент все воды, как ожидается, испаряется. Длинный захват время без каких-либо заметных испарения указывает, что существует минимальный поглощения и что капли по существу при комнатной температуре. Поверхностное натяжение капель делает их сферической. Заряд капельки, порожденных капелька дозатор зависит от условий окружающей среды в лаборатории, где они чаще всего становятся отрицательно предъявлено обвинение. В верхней и нижней части клетки треппинга состоит из двух электродов размещены 25 мм друг от друга. Они могут использоваться для применять вертикальные электрические постоянного тока (DC) или переменный ток (AC) поле над капли. Электрическое поле не является достаточно сильным, чтобы создать любой дуги, даже если 1000 вольт (V) применяется через электроды. Если используется поле постоянного тока капелька перемещается вверх или вниз в лазерный луч в новую позицию стабильного равновесия. Если поле переменного тока применяется вместо, капелька колеблется вокруг его положения равновесия. Масштабы колебаний зависит от размера и заряд капельки, интенсивность электрического поля и жесткость лазерные ловушки. Изображение капли проецируется на позицию чувствительных детектор (PSD), которое позволяет пользователям отслеживать вертикальное положение капли.
Эта работа представляет успешную инициативу по модернизации преподавания и исследований с использованием информационных и коммуникационных технологий через инновационные RL на оптических левитация заряженных капель, который иллюстрирует современные концепции в физике. На рисунке 1 показана архитектура ЛР. Таблица 1 показывает возможных травм, которые могут вызвать лазеров согласно их класса; В этой установки используется лазер класса IV, который является наиболее опасным. Он может работать с до 2.0 W видимых лазерного излучения, поэтому безопасность предоставляемых удаленная операция явно подходит для этого эксперимента. Оптических левитация заряженных капель RL был представлен в работе D. Galan et al. в 20185. В этой работе он продемонстрировал, как она может быть использована онлайн учителями, которые хотят познакомить своих студентов современных концепций физики без необходимости быть обеспокоены расходы, логистики или вопросы безопасности. Студенты доступ через веб-портал под названием сеть интерактивных лабораторий Университета RL (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) в которых они могут найти всю документацию в отношении теории, связанные с эксперимента и использование экспериментальных Настройка с помощью веб-приложения. С помощью концепции лаборатории дистанционного, экспериментальная работа в современной физике, которая требует дорогостоящих и опасных оборудование может предоставляться новым группам студентов. Кроме того он усиливает формальное обучение путем предоставления традиционных студентов с больше времени в лаборатории и эксперименты, которые обычно недоступны за пределами исследовательских лабораторий.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эта работа представляет программу установки для проведения современной физики эксперимент, в котором капли оптически левитировать. Эксперимент может выполняться удаленно или традиционным практическим способом. С создание удаленной системы студентов и исследователей по всему миру м…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Шведский научно-исследовательский совет, Карл Trygger´s фонд для научных исследований и испанским министерством экономики и конкурентоспособности в рамках проекта CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Благодаря Sannarpsgymnasiet для препятствовать нам попробовать RL со студентами.
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 |
References
- 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).
