تصنيع واختبار منصات الاصطياد الضوئي الأوتوماتيكية المصغرة
Summary
يصف هذا العمل ويميز تصنيع منصات الاصطياد الضوئي الأوتوماتيكية المصغرة.
Abstract
تقدم هذه الورقة جهاز اختبار مصيدة ضوئي آلي ومتوافق بسرعة مع FAB لتمكين إضفاء الطابع الديمقراطي والتعهيد الجماعي لأبحاث العرض الحجمي. يمكن بناء الجهاز في غضون 2 ساعة باستخدام قاطع ليزر وطابعة ثلاثية الأبعاد (3D) وأدوات يدوية شائعة. في شكله الحالي ، يمكن استخدام الجهاز لاختبار المعلمات الحرجة التالية: نوع الجسيمات ، ونوع المصيدة ، والفتحة العددية ، وتدفق الهواء بمعدل 250 عينة تقريبا في الساعة. مع تعديل طفيف ، يمكن إجراء جهاز الحفر لاختبار مجموعة أكبر من المعلمات ، مثل طاقة الليزر والطول الموجي لليزر ، اعتمادا على احتياجات المستخدم. يمكن للجهاز استخدام رؤية الماكينة لالتقاط البيانات وتحليلها تلقائيا. يتم وصف تشغيل وبناء جهاز الاختبار بخطوات موجزة وسهلة المتابعة. يتم الإبلاغ عن نتائج من “مزرعة” منصة اختبار مكونة من أربع وحدات تغطي معلمات نوع الطاقة والجسيمات. وستعمل هذه المنصة على توسيع نطاق وتكوين معلمات عرض الفخ البصري والباحثين من خلال إمكانية الوصول وإرساء الديمقراطية.
Introduction
تتيح شاشة الفخ البصري (OTD) هندسة العرض التي شوهدت في الخيال العلمي. وهو يعمل عن طريق محاصرة جسيم من خلال الفريسة الضوئية وإضاءة الجسيم1،2،3،4. ثم، يشكل سحب هذا الجسيم عبر الفضاء صورة في الهواء يراها المشاهد مستمرة وفقا لاستمرار الرؤية5. تسمح تقنية 3D بدون شاشة هذه بعرض الأشكال الهندسية مثل الإسقاطات طويلة المدى والطاولات الرملية الطويلة والشاشات الملتفة 1. هذه الأشكال الهندسية مقنعة بشكل فريد لأنها لا تتطلب أي شاشة وتنشئ محتوى يمكن رؤيته من كل زاوية تقريبا.
وجد الباحثون في جامعة بريغهام يونغ نجاحا أوليا في الجيل الأول من نظام الاصطياد الضوئي باستخدام موسع شعاع وماسحات ضوئية للجلفانومتر ، إلى جانب العديد من المرايا وعدسة كروية واحدة أو أكثر لإنشاء فخ ضوئي من خلال انحراف كروي 1,4. كما احتوى جهاز الملائمة من الجيل الأول هذا على ليزر RGB (الأحمر والأخضر والأزرق) للسماح بإضاءة شاشة ملونة دقيقة. باستخدام نظام الملائمة هذا ، يتم إنشاء OTDs عن طريق تحريك جسيم واحد عبر مسار معقد. يحد هذا النهج من حجم الصور إلى أقل من سنتيمتر مكعب ويحد من تعقيد الصور في الوقت الفعلي إلى الإطارات السلكية وغيرها من المحتويات المتناثرة6,7. وعلاوة على ذلك، فإن توسيع نطاق هذه التكنولوجيا محدود بسبب عدم اتساق الاصطياد الضوئي8. إذا كان من الممكن تحسين نظام ملائمة/جسيمات واحد، فيمكن تحقيق توسيع نطاق الشاشة عن طريق تكرار ملائمة محسنة وملائمة ومسح جزيئات متعددة ضوئيا بشكل متزامن9. سيتم مضاعفة أي مشاكل مع فخ واحد في نظام متعدد الفخاخ ، لذلك يعد التحسين الدقيق لمعلمات الفخ والجسيمات أمرا بالغ الأهمية.
يتطلب تحسين نظام الفخ / الاصطياد الفردي إجراء اختبارات مكثفة لكل معلمة من معلمات نظام الاصطياد الضوئي7. وتشمل هذه المعلمات نوع الجسيمات (المادة والشكل والحجم) وقوة الليزر والطول الموجي لليزر والفتحة العددية (البعد البؤري والقطر والإمالة). سيؤدي الاختبار والتجريب من خلال التجربة والخطأ لكل معلمة إلى تحسين الفخاخ الفردية والفخاخ المتزامنة المتعددة. ومع ذلك ، فإنها تتطلب كميات كبيرة من البيانات التي سيتم جمعها.
في الماضي ، لم يتم إجراء عملية البحث والاختبار لتحسين الاصطياد الضوئي من خلال الانحراف الكروي إلا من قبل حفنة من الباحثين في جميع أنحاء العالم1،2،3،4،5،6،7،8،9،10 . حتى وقت قريب، اعتمد الباحثون في جامعة بريغهام يونغ على نظام اصطياد واحد كبير ومكلف لجمع البيانات اللازمة، مما تسبب في بطء عملية الاختبار وجمع البيانات1,7. ومع ذلك ، منذ تقديم شاشات الفخ البصري كحل للتصور ثلاثي الأبعاد في عام 20181 ، أعرب الأفراد من جميع الفئات العمرية ومن عدة قارات عن رغبتهم في المشاركة في البحث. بسبب الاهتمام المتولد ب OTDs ، أراد الباحثون إيجاد طريقة للسماح لجميع الأطراف المهتمة بالمشاركة في عملية البحث. كانت الأجيال السابقة من منصات الاصطياد الضوئي ، التي تحتوي على مقسمات الحزم والجلفانومترات ، مكلفة للغاية وتستغرق وقتا طويلا للإنتاج الضخم والتعهيد الجماعي 1,6 ، لذلك كانت هناك حاجة إلى حل مختلف.
تم تطوير جهاز حفر ضوئي مصغر جديد ، والذي يسمح لجميع الأطراف المهتمة بالمشاركة في البحث واختبار وجمع البيانات بسرعة لجميع المعلمات الهامة المذكورة أعلاه. يمكن تصنيعها بسرعة من قبل أي شخص لديه إمكانية الوصول إلى طابعة 3D وقاطع الليزر. يحاول هذا التصميم تقليل التكلفة والتعقيد ، وتخفيف المخاطر ، وزيادة الأتمتة والترابط والمرونة (الشكل 1). يستخدم الجهاز الجديد الإعداد البصري الأكثر وضوحا للاصطياد الضوئي الممكن: ليزر واحد وعدسة واحدة10. الحفارات الصغيرة سهلة الاستخدام بمجرد إعدادها ويمكن اختبارها بمعدل 250 محاولة تقريبا في الساعة.
البيانات التي تم جمعها من هذه الحفارات من اختبارات العلماء والباحثين المواطنين في المستقبل ستساعد بشكل كبير في تطوير الاصطياد الضوئي في استخدامه للتصور 3D من خلال السماح لتحسين معلمات الاصطياد والفخاخ الفردية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يحتوي هذا البروتوكول على العديد من الخطوات الأساسية التي تعتبر حاسمة للتشغيل التلقائي لجهاز المحاصرة. أولا ، يجب توصيل المغناطيس الكهربائي بشكل مناسب بلوحة المتحكم الدقيق من خلال الدائرة المحددة. بدون المغناطيس الكهربائي ، يتم فقدان الفائدة الإجمالية لجهاز الاختبار المصغر. يتحكم المغناطيس الكهرومغناطيسي في كل محاولة محاصرة عن طريق رفع خزان الجسيمات على منصة الكابولي إلى مسار الليزر. كل محاولة فخ هي دورة أخرى من رفع وخفض المنصة.
يتم استخدام الكاميرا فقط في الخطوة 4.2 كما هو موضح في البروتوكول ، ولكنها ضرورية لهذا الخيار. تتطلب الخطوة 4.2 كاميرا للكشف عما إذا كان الجسيم قد تم محاصرته ، مما يسمح بجمع البيانات من منصات متعددة. إذا لم يتم توصيل الكاميرا بشكل صحيح ، فلن يتمكن الجهاز من محاولة أي ملائمة.
الخطوة الثالثة والأكثر أهمية، الخطوة 5.2.1، هي محاذاة الليزر وتركيزه. يجب وضع العدسة بحيث تحدث النقطة البؤرية فوق المغناطيس الكهربائي. ستمر المنصة الكابولية عبر النقطة البؤرية فوق المغناطيس الكهربائي ، مما يسمح للجسيمات بالاصطياد. لنفترض أن النقطة البؤرية لا تتمركز فوق منتصف المغناطيس الكهربائي. في هذه الحالة ، يصبح من الصعب التأكد من أن منصة الكابولي التي تحمل الجسيمات ستمر عبر النقطة البؤرية لإنشاء الفخاخ. هذا يمكن أن يؤدي إلى عدم وجود الفخاخ. من الضروري أيضا أن يتم رفع المنصة فوق المغناطيس الكهربائي حتى لا يتصل مسار الليزر بالمنصة باستمرار. يمكن أن يتسبب ذلك في قيام الكاميرا بالإبلاغ عن الإيجابيات الكاذبة. ولضبط موقع النقطة البؤرية بسهولة أكبر، يقترح استخدام سكة بصرية في إعداد جهاز الحفر؛ سيسمح ذلك للمستخدمين بتحريك حامل العدسة بسهولة إلى الخلف أو إلى الأمام لوضع النقطة البؤرية بشكل صحيح. يتم بالفعل محاذاة الليزر وأنبوب الاختبار / الجزء الكابولي إذا تم بناء الجهاز بشكل مناسب ؛ سيؤدي استخدام السكك الحديدية البصرية إلى إبقاء العدسة محاذاة مع الأجزاء الأخرى.
يتم تفصيل خيارين منفصلين في البروتوكول، الخطوة 4.1 والخطوة 4.2. الخيار الأول ، الخطوة 4.1 ، هو الطريقة البسيطة الأصلية لتشغيل جهاز التنصت المصغر. يعتمد هذا الخيار على العين البشرية للكشف عن الجسيمات بدلا من نظام الكاميرا. هذا الخيار هو الأفضل لجمع مجموعات أصغر من البيانات بسرعة أو في المواقف التي يكون فيها العرض التوضيحي المباشر مطلوبا. تم استخدام الخيار الأول خلال التجربتين الأوليين قبل إنشاء الخيار الثاني. يستخدم الخيار الثاني ، الخطوة 4.2 ، كاميرا للكشف التلقائي والملائمة ، مما يسمح بتشغيل الآلاف من الاختبارات وإدخالها في قاعدة بيانات دون أي إشراف بشري. تعتمد دقة الكاميرا على حالة الاختبار الدقيقة ؛ ويبدو أن بعض المواد الأكثر انعكاسا، عند اختبارها، لديها معدل اصطياد أقل دقة بالمقارنة مع الاختبارات المماثلة التي أجريت مع الكشف البشري. ومع ذلك ، يمكن تغيير العديد من المعلمات في البرنامج النصي للكاميرا لزيادة دقة الكاميرا. الدقة الدقيقة للكاميرا هي شيء يمكن تحسينه ، ولكنه أيضا ليس مصدر قلق كبير لأن الحفارات المصغرة مخصصة للاختبار الأولي. يمكن أيضا تعديل الخيار الثاني بسهولة لتشغيل جهازي اختبار من لوحة تحكم دقيقة واحدة. وترد تفاصيل هذا التعديل في الملف التكميلي 7.
يعمل العمل الحالي على تطوير شكل أكثر دقة واتساقا للكشف التلقائي عن الفخ من خلال التعلم الآلي. سيستخدم نظام الكشف عن التعلم الآلي الجديد هذا ، عند الانتهاء منه ، الشبكات العصبية الالتفافية للكشف بشكل أفضل عن الجسيمات المحاصرة بمعدل دقة أعلى بكثير (أعلى من 95٪) ، مما يعزز استخدام وتأثير منصات الاختبار المصغرة هذه على مستقبل أبحاث عرض الفخ الضوئي.
في شكله الأساسي الحالي ، فإن جهاز الحفر المصغر محدود بعدة طرق. هذه الحفارات المصغرة غير قادرة على إنشاء OTDs فعلية عن طريق مسح الجسيم بعد حدوث فخ. يحد التصميم أيضا من إمكانية إضافة الماسحات الضوئية للاستخدام المستقبلي في إنشاء OTDs. هناك قيد آخر للتصميم وهو الحاجة إلى مكونات إضافية لإجراء اختبار معين. على سبيل المثال ، تم استخدام مخفف بصري متغير لجمع مجموعات البيانات عند مستويات طاقة خرج بصري مختلفة أثناء اختبار طاقة الليزر. وبالمثل ، إذا رغب الباحث في اختبار الطول الموجي لليزر في اختبار مستقبلي ، فسيتطلب الأمر عدة أشعة ليزر أخرى ذات قوة بصرية قابلة للمقارنة بأطوال موجية مختلفة بالإضافة إلى الليزر المستخدم في هذا العمل. من المرجح أن يتطلب جهاز الحفر تعديلات إضافية لحمل كل ليزر ، وهذه العملية ستحد من السرعة التي يمكن بها إجراء مثل هذا الاختبار ، لكنها ستظل ممكنة. يتم تحديد هذا التصميم أيضا من خلال الحاجة إلى طباعة 3D حامل عدسة جديد لكل عدسة. يقتصر التصميم والتطبيق أيضا على العدسات ثنائية المحدبة الكروية ، والتي تنتج انحرافا كرويا لتشكيل مناطق يمكن أن يحدث فيها الاصطياد.
من الآن فصاعدا ، تشمل التطبيقات المستقبلية الاختبار المستمر وتحسين معلمات الاصطياد الضوئي. كما ذكر بإيجاز أعلاه ، يمكن بسهولة تعديل جهاز الاصطياد المصغر إلى نظام OTD أساسي غير مكلف عن طريق إضافة ماسحات ضوئية للتحكم في المحور y والمحور x. ويمكن أيضا تنفيذ إيصال الجسيمات التي يتم التحكم فيها بالمغناطيس الكهرومغناطيسي المستخدم في جهاز الحفر المصغر في أنظمة OTD المتقدمة في المستقبل.
يعد جهاز الاصطياد المصغر فريدا ومتميزا في نهاية المطاف في هذا المجال من الأبحاث لأنه يمكن تصنيعه بسعر رخيص وبسرعة ، مما يسمح بإجراء اختبار جماعي سريع. ومن المفترض أن تكون هذه الحفارات أنظمة هزيلة مصممة للاختبار الأولي وتحسين معلمات الاصطياد الضوئي. يمكن للجهاز الفردي الاختبار بمعدل ~ 250 محاولة في الساعة. تم تطوير العديد من الأنواع الأخرى من أنظمة أو منصات الاصطياد الضوئي للحصول على أنظمة أوتوماتيكية أفضل أو إنجاز المزيد عن طريق مسح الجسيم لإنشاء صورة بعد فخ ناجح 1,8. وليس المقصود من نظم الاصطياد المصغرة هذه أن تحل محل استخدام هذه الأنظمة. وهي تهدف إلى اختبار معلمات وظروف الاصطياد الضوئي بسرعة لإعطاء الباحثين فهما أفضل لما يجعل الاصطياد الضوئي جيدا. ستعمل منصة الاصطياد المصغرة على إضفاء الطابع الديمقراطي على أبحاث الفخ الضوئي والسماح بموجة جديدة من التجارب والتقدم الإديسوني في هذا المجال من البحوث.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف المؤلفون بامتنان بالدعم المالي المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم. جائزة NSF ID-1846477.
Materials
| 1/4In Plywood | NA | Sized to fit in Laser-cutter (normally 1 x 1 ft) | |
| 3D FDM Printer | Raise 3D | Pro 2 | Any equivalent equipment would suffice |
| 3D Laser-cutter Printer | Glow Forge | Basic | Any equivalent equipment would suffice |
| 5V Power Supply | AC/DC Adaptor | ||
| Alumiunum Powder | bioWORLD | 10576 | APS 17-30 micron |
| Black Aluminum Foil Tape | LLTP BF255 (on Amazon) | other types of foil (black foil) can be used instead if desired | |
| Black Liquor | a recycled byproduct formed during the pulping of wood | ||
| Button Magnet | Mealos | 8 x 2 mm | |
| Class 3B Laser 405 nm (Tube Laser) | M-16A405-300-G | Any Optical Output Power and wavelength could be used for testing. For reproducing this work 405 nm and ~120 mW should be used | |
| Diamond Nanoparticles 55-75% | SkySpring Nanomaterials | 0512HZ | 55-75% purity, APS 4-15 nm |
| Diamond Nanoparticles 95% | SkySpring Nanomaterials | 0510HZ | 95% purity, APS 3-4 nm |
| Electromagnet | Wuxue Wn Fang Electric | WP-P25/20 | |
| Glass cutter | Dyna-cut | model 500-1 | any standard glass cutter or wet-cutter could be used |
| Graphite powder | AeroMarine Products | 325 Mesh, APS 44 microns | |
| Jumper Wires | Elegoo | Male to Female wires and Male to Male wires are needed | |
| Lens | Surplus Shed | L8435 | 32 mm Daimeter, 80 mm Focal Length. Any 32 mm lens will fit into current lens holder design |
| Nigrosin (Formalin-Nigrosin) | Innovating Science | IS5818 | 30 mL , actually found on Amazon |
| Open MV Camera | Open MV | M7 | Any equivalent Open MV camera should work |
| Open MV IDE | Open MV | optional free to download integrated development enviroment from OpenMV | |
| Optical Attenuator (Variable Neutral Density Filters) | THORLABS | NDC-100C-2 | |
| Optical Rail | THORLABS | RLA1200 | 12'' optical rail |
| Printer Toner (CISinks Universal Toner) | CISinks | TN420,TN450, TN540, TN660, TN720 Toner powder. Found on Amazon | |
| Raspberry Pi | Raspberry PI | Pi-4 Model B | Any Pi 3 or 4, model B or B+ should suffice (referenced in text as a microcontroller board) |
| Tungsten Powder 12 Micron | Alfa Aesar | 10401-22 | APS 12 micron |
| Tungsten Powder 1-5 Micron | Alfa Aesar | 10400-22 | APS 1-5 micron |
| USB to Micro USB cord | Any company/ model will suffice | ||
| Voltage Regulator | STMicroelectronics | LM317t |
References
- Smalley, D., et al. A photophoretic-trap volumetric display. Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).
- Rohatschek, H. Direction, magnitude and causes of photophoretic forces. Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).
- Desyatnikov, A. S., Shvedov, V. G., Rode, A. V., Krolikowski, W., Kivshar, Y. S. Photophoretic manipulation of absorbing aerosol particles with vortex beams: theory versus experiment. Optics Express. 17 (10), 8201-8211 (2009).
- Ke, P. C., Gu, M. Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration. Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).
- Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11 (2017).
- Smalley, D., Nygaard, E., Rogers, W., Gneiting, S. A., Qaderi, K. Progress on photophoretic trap displays. Frontiers in Optics / Laser Science. , (2018).
- Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
- Peatross, J., Smalley, D., Rogers, W., Nygaard, E., Laughlin, E., Qaderi, K., Howe, L. Volumetric display by movement of particles trapped in a laser via photophoresis. SPIE Proceedings. 10723, 02 (2018).
- Smalley, D., Poon, T., Gao, H., Kvavle, J., Qaderi, K. Volumetric Displays: Turning 3-D inside-out. Optics and Photonics News. 29 (6), 26-33 (2018).
- Shvedov, V. G., Hnatovsky, C., Rode, A. V., Krolikowski, W. Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam. Optics Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).
