Die Finanzierung wurde von der University of Utah zur Verfügung gestellt. Wir danken Herrn Dr. J. Xu (UC Merced) und Dr. Reddy BJN (UC Irvine) für hilfreiche Diskussionen danken.

Ein. Einbau von 980 nm Wellenlänge einzigen optischen Falle <ol><li> Optical Trapping bei 980 nm Wellenlänge ist oft optimal für Biophysik Experimente und kostengünstige Laserdioden leicht verfügbar mit einer Leistung bis zu 300 mW sind. Es ist bevorzugt, einen Diodenlaser mit polarisationserhaltenden Monomode-Faser mit einer bekannten Modenfelddurchmesser Anschlusslitze werden. Die Faser muss ausreichend lang sein, um als eine Art Filter wirken und in der Regel entweder mit einem FC / PC oder FC / APC Buchse. Davon ist der FC / APC bevorzugt zu minimieren zurück Reflexion von Licht und potenzielle Feedback Instabilitäten. </li><li> Sichern Sie die 980 nm Laserdiode in einer Halterung, die nach Macht und Temperaturregelung ermöglicht. Es ist am besten, um die Halterung auf einem optischen Tisch fixieren direkt an passive Wärmeableitung zu maximieren und minimieren dadurch die Gefahr der Diode Ausfall aufgrund einer Fehlfunktion des Temperatur-Controller. </li><li> Montieren Sie den PC / APC Faser-Stecker an den Strahlkollimationsvorrichtung Optik. Es istkritisch, um sicherzustellen, dass die gebündelten Strahl minimal Divergenz haben so einstellbar Glasfaser-Ports am nützlichsten sind. Stellen Sie sicher, dass die gewählte LWL-Port die Modenfelddurchmessers der Diode Pigtailfaservorrat übereinstimmt. Wenn der Strahl gerastert mit akusto-optischen Deflektoren (AOD) oder elektro-optischen Deflektoren werden (EOD), wird der kollimierte Laserstrahl Taille muß auch geringfügig kleiner als die Größe der Öffnung des Deflektors. </li><li> Sichern Sie die Kollimation Adapter zur optischen Tisch in ausreichender Entfernung vom Mikroskop für Strahl-Routing, Expansion, und die Platzierung der anderen gewünschten Komponenten zu ermöglichen. Stellen Sie die LWL-Port, um konsistente Strahltaille über Distanzen vergleichbar gesamten Strahlengang des Mikroskops zu gewährleisten. </li><li> Installieren Spiegel in 1 gezeigt. Entfernen Sie das Ziel aus dem Mikroskop und die Spiegel zu routen den Strahl durch die Öffnung in dem Ziel Montage der Bühne. Falls gewünscht, kann die Platzierung des dichroitischen Spiegeln DM1 und DM3 bis entfallenspäter. DM2 und DM3 sind beide Kurzpass und übertragen sichtbares Licht reflektiert, während in der Nähe von IR und höher. </li><li> Es ist hilfreich, zeitweise einhängen einen Laserpointer anstelle des Ziels, der auf der optischen Achse des Mikroskops ausgerichtet. Eine benutzerdefinierte mechanischen Adapter ist notwendig um die Zentrierung der Laser-Pointer zu gewährleisten. Sichtbar Strahl von dem Laser-Pointer kann dann zurück in die Mitte der Apertur der Faser-Port geleitet werden und kann dann verwendet werden, um die Linsen (siehe unten) zu installieren. </li><li> Installieren Sie den 980 nm Strahl-Expander (L8 und L9) bei einer geeigneten Abstand von der LWL-Port für zukünftige Einsetzen Lenkkomponenten (AOD oder EOD) nach Bedarf 1 zu ermöglichen. Der Strahl muss erweitert leicht überfüllen zurück Blendenöffnung des Objektivs. (Hier sind Objektive mit Brennweiten von 125 mm und 60 mm in einer Kepler-Anordnung, um etwa das Doppelte der Strahltaille). Verwenden sichtbaren Laserpointer (siehe Abschnitt 1.6), um die ordnungsgemäße Platzierung Linse und grobe Ausrichtung zu gewährleisten. </li><li> Install die 980 nm Lenkung Linsen (L2 und L3) in einem Teleskop Anordnung wie angegeben (hier haben beide 60 mm Brennweite) 1. L3 ist in einer konjugierten Ebene zum Back-Brennebene des Objektivs angebracht ist. Berg L3 auf einer Präzisionswaage XYZ Positionierung der Bühne für Strahlsteuerungseinrichtung ermöglichen. Es ist hilfreich für die XYZ-Bühne zu digitalen Indikatoren für seine Mikrometern aufweisen, so dass für wiederholbare Positionierung und Neupositionierung der Falle. Die 0,5 &quot;-Bereich des Reisens ist in der Regel ausreichend, kann aber mehr Reise für L3 Positionierung entlang der optischen Achse hilfreich sein. Verwenden sichtbaren Laserpointer (siehe Abschnitt 1.6), um die ordnungsgemäße Platzierung Linse und grobe Ausrichtung zu gewährleisten. </li></ol> 2. Installation der Laser-Detektor <ol><li> Installieren des dichroitischen Spiegel DM3 über dem Kondensator, wie in 1 gezeigt. Eine benutzerdefinierte Halterung ist in der Regel erforderlich. Sichern der Quad Photodiode (QPD) oder eine positionsempfindlichen Detektor (PSD) 8 an der Seite des Kondensator-Vorrichtung und ensure, dass die 980 nm Laserstrahl reflektiert DM3 trifft es etwa auf Mitte. Bei Verwendung QPD, sicherzustellen, dass es in einem kleinen XY-Tisch angebracht ist, um für die genaue Zentrierung des Sensors auf den Laserstrahl zu ermöglichen. </li><li> Installieren Sie L1 (in der Regel ein 30-mm-Objektiv) zwischen DM3 und dem Sensor. Position L1, um den Strahl auf einen einzigen Punkt auf dem Sensor zu konzentrieren. </li><li> Installieren Sie den Notch-Filter, kurz bevor L1 um die 1.064 nm Strahl sowie jede streunende sichtbares Licht Reflexionen aus dem Mikroskopleuchte und Ambientebeleuchtung blockieren. </li></ol> 3. Die Installation von 1.064 nm Wellenlänge Holographic Falle <ol><li> Die holographische Teil des Setups ist um einen kommerziell erhältlichen Hardware / Software-Paket Die holographischen Spiegel in diesem Paket verwendet werden, um eine maximale Leistung von 5 Vorfall oder 10 W / cm 2 bewertet werden gebaut. Single-Modus TEM00 Strahlen in diesem Leistungsbereich kann leicht von einem DPSS-Laser bei 1064 nm Wellenlänge bezogen werden. </li><li> Montieren Sie die 1.064 nm Laser auf einem erhöhtenPlattform, um sich in etwa die Höhe der Strahlengang für die Linie 980 (siehe Abschnitt 1). </li><li> Wenn nicht direkt steuerbar ist, kann Laserleistung manuell durch den Einbau einer Halbwellenplatte (HWP) und einen Polarisator (PBS) unmittelbar nach Laserausgang Öffnung eingestellt werden. Es ist hilfreich, um den Polarisator in einem Drehtisch montieren zu können holographischen Spiegels Anforderung Strahlpolarisation entsprechen. </li><li> Installieren Sie die 1.064 nm Beam Expander (L6 und L7). Der Laserstrahl muss Taille erweitert, um die Diagonale des holografischen Spiegel angepasst werden. Bei großen Expansionsverhältnis (über 10fach) kann es ein Anliegen, um die Größe des Expanders klein ist. So kann es wünschenswert sein, Linsen mit ungewöhnlich kleinen Brennweite verwenden (hier: 16 mm und 175 mm). </li><li> Installieren Sie die anderen Spiegel wie angegeben, um die 1.064 nm Strahl durch das Ziel zu lenken. <ol><li> Sichere DM1 dichroitischen (45 ° Einfallswinkel) in einer kinematischen Halterung, und legen Sie die Assembly im 980 nm Strahlengang, so dass es für undiminishe erlaubtd Übermittlung dieser Strahl. </li><li> Aktivieren Sie den Laserpointer. Der Spiegel DM1 widerspiegeln sollte ausreichende Menge sichtbaren Lichts, um richtig zu positionieren, der räumliche Lichtmodulator (SLM) in dem Weg dieses Strahls. Das SLM muss auch so abgewinkelt, dass die ein-und ausgehenden Laserstrahlen werden so nah wie möglich an senkrechtem Einfall. Jedoch der Einfallswinkel muss ausreichend groß sein, um sicherzustellen, daß der Laserstrahl nicht durch Linsenfassungen und andere optische Komponenten befestigt. Eine Winkel von 5 ° sollten leicht erreichbar und ausreichend klein ist. Schließlich ist der Abstand von dem SLM DM1 muss genau gemessen werden, so dass das Einsetzen von Linsen L4 und L5 (siehe 3.6) können die SLM Spiegelebene und die Back-Brennebene des Objektivs konjugierten. </li><li> Installieren Sie einen Spiegel, um das Licht von 1.064 nm Beam Expander an den SLM zu lenken. Stellen Sie sicher, dass die Laser-Pointer Licht die Beam Expander Öffnung in der Mitte trifft. </li></ol></li><li> Installieren Linsen L4 und L5 (hier: Linsen mit 125 mm bzw. 200 mm). Dieses Teleskop Paar Konjugate SLM Spiegelebene an der hinteren Brennebene des Objektivs und reduziert auch die Strahltaille nur leicht überfüllen hinteren Apertur des Objektivs. Wir entschieden uns für Objektive mit langen Brennweiten, um Platz zu der SLM vom DM1. Dadurch wird nicht nur löscht Raum für den zweiten Laser-Linie, sondern auch dazu führt, daß die Ausrichtung zu erleichtern. </li><li> Entfernen Sie den Laserpointer. Lassen Sie die Montage-Adapter als grobe Ausrichtungsöffnung dienen. </li></ol> 4. System-Installation und Ausrichtung Hinweise <ol><li> Linse L3 und SLM muss so angeordnet sein, dass sie optisch konjugiert an der hinteren Brennebene des Objektivs. Der gemeinsame Schwerpunkt der L4 und L5 optisch konjugiert zu der Probenebene, wenn die optischen Strahlen in Trapping Unendlichraum des Mikroskops injiziert. </li><li> singen IR-Karte Betrachter ausrichten 980 nm Strahl entlang der Mittelachse der Öffnung in der Laserpointer Adapter gehen. </li><li> Mit IR-Karte to dass der 1.064 nm Strahl der gleichen Stelle wie der Strahl 980 nm auf DM1, L2 und L3 und die 1.064 nm Strahl geht entlang der Mittelachse der Öffnung in der Laserpointer Adapter trifft. </li><li> Tauschen Sie die Laser-Pointer mit Montage-Adapter ein Ziel. Hohe numerische Apertur Öl oder Wasser Ziel ist typisch. </li><li> Richten Sie die 980 nm Falle wie in 9 von &quot;Walking&quot; den Laserstrahl bis ein radialsymmetrischen Interferenzmuster auf der Kamera gesehen wird beschrieben. </li><li> Mit dem holografischen Spiegel aus (dh als passiver Spiegel) verwenden SLM und DM1 zu &quot;gehen&quot; die ungebeugten 1.064 nm Strahl auf die 1.064 nm Falle auszurichten. </li><li> Der SLM erzeugt eine erhebliche gebeugte Strahl, der in einem starken unbeweglichen Laserfalle in dem Sichtfeld ergibt. Dies ist nützlich für die Ausrichtung kann jedoch unerwünscht sein Experimenten. Um diese Falle blockieren kann man eine kleine undurchsichtiges Objekt in dem Weg des gebeugten Lichts an der Stelle einzufügen Konjugat zur Probenebene (zB the gemeinsamen Brennpunkt von L4 und L5). Die Größe dieser zentralen Stelle Blocker muss etwas größer als der Durchmesser des Airy-Scheibe für den fokussierten Lichts (a-Blocker mit 100-300 Mikrometer Durchmesser des Systems beschrieben). </li><li> djust 1.064 nm Strahlpolarisation mit dem Polarisator SLM Orientierung entsprechen. Drehen der Halbwellenplatte, um die Ausgangsleistung des Strahls wie gewünscht einzustellen. </li><li> Falls gewünscht, legen AOD oder EOD Strahlsteuerungseinrichtung Elemente in die 980 nm Laserlinie. Ordnungsgemäße Konjugation dieser Elemente an den Back-Brennebene des Objektivs und neu ausrichten die Falle. Es ist hilfreich, um die Lenk-Elemente auf einer Bühne goniometrischen montieren. </li></ol>

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	<li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+applications+of+optical+forces.">Biological applications of optical forces.</a> Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23, 247-285 (1994).</li><li>Ashkin, A., Schutze, K., Dziedzic, J. M., Euteneuer, U., Schliwa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force+generation+of+organelle+transport+measured+in+vivo+by+an+infrared+laser+trap.">Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap.</a> Nature. 348, 346-348 (1990).</li><li>Shubeita, G. T., Tran, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Consequences+of+motor+copy+number+on+the+intracellular+transport+of+kinesin-1-driven+lipid+droplets.">Consequences of motor copy number on the intracellular transport of kinesin-1-driven lipid droplets.</a> Cell. 135, 1098-1107 (2008).</li><li>Polin, M., Ladavac, K., Lee, S. H., Roichman, Y., Grier, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimized+holographic+optical+traps.">Optimized holographic optical traps.</a> Opt Express. 13, 5831-5845 (2005).</li><li>Sun, B., Roichman, Y., Grier, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theory+of+holographic+optical+trapping.">Theory of holographic optical trapping.</a> Opt. Express. 16, 15765-15776 (2008).</li><li>Moffitt, J. R., Chemla, Y. R., Smith, S. B., Bustamante, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+optical+tweezers.">Recent advances in optical tweezers.</a> Annu. Rev. Biochem. 77, 205-228 (2008).</li><li>Grier, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+revolution+in+optical+manipulation.">A revolution in optical manipulation.</a> Nature. 424, 810-816 (2003).</li><li>Neuman, K. C., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping.">Optical trapping.</a> Rev. Sci. Instrum. 75, 2787-2809 (2004).</li><li>Sheetz, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+tweezers+in+cell+biology.">Laser tweezers in cell biology.</a> Introduction. Methods Cell Biol. 55, xi-xii (1998).</li><li>Spudich, J. A., Rice, S. E., Rock, R. S., Purcell, T. J., Warrick, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+traps+to+study+properties+of+molecular+motors.">Optical traps to study properties of molecular motors.</a> Cold Spring Harb. Protoc. 2011, 1305-1318 (2011).</li><li>Visscher, K., Gross, S. P., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+of+multiple-beam+optical+traps+with+nanometer-resolution+position+sensing.+Selected+Topics+in+Quantum+Electronics.">Construction of multiple-beam optical traps with nanometer-resolution position sensing. Selected Topics in Quantum Electronics.</a> IEEE Journal of. 2, 1066-1076 (1996).</li><li>Valentine, M. T., Guydosh, N. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precision+steering+of+an+optical+trap+by+electro-optic+deflection.">Precision steering of an optical trap by electro-optic deflection.</a> Opt Lett. 33, 599-601 (2008).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Wir haben ein Instrument, das zwei optischen Fallen verschiedener Typen (Abbildung 1) kombiniert, um Trapping separaten Einrichtungen für Objekt Manipulation und Messung bieten konstruiert. Die &quot;klassischen&quot; optischen Falle wird um einen 980 nm Diodenlaser gebaut. Dieser Strahl wird erweitert, gelenkt und dann in unsere inversen Mikroskop injiziert (&quot;light red&quot; Balken in Abbildung 1). Das holographische optische Falle wird um eine 1.064 nm DPSS Laser gebaut. Der Str...

Optical Trapping ist eine der wichtigsten Techniken in der Biophysik 6. Ein entscheidender Fortschritt in der optischen Pinzetten wurde die Entwicklung von holographischen Fallen, die für die Erstellung von dreidimensionalen Trapping Muster eher als herkömmliche Punkt Fallen 7 zu ermöglichen. Solche holographische Fallen besitzen den Vorteil, Vielseitigkeit in der Positionierung der refraktiven Objekten. Allerdings herkömmlichen Fallen kann leicht angepasst werden, um mehr symmetrische als handelsübliche holographische Kits. Sie erlauben auch für schnelle präzise Abtastung der eingefangenen Objekte. Hier beschreiben wir ein System (1), die die beiden Trapping-Ansätze kombiniert in einem Gerät und ermöglicht dem Benutzer die Vorteile des gegebenenfalls zu nutzen. Die allgemeinen Erwägungen der Aufbau von optischen Fallen (bezogen auf einzelne oder mehrere Laserstrahlen) werden an anderer Stelle ausführlich diskutiert 8-10. Hier skizzieren wir die Überlegungen speziell für unsere sETUP und bieten Detail unserer Alignment-Prozedur. So sind Systeme mit zwei optischen Strahlen Trapping bereits beschrieben (zB ref. 11), typischerweise unter Verwendung eines Laserstrahls zum Erfassen eines refraktiven Objekt und mit der anderen (absichtlich Strahl mit niedriger Leistung) zum Auslesen der entkoppelten Position des eingeklemmten Gegenstandes . Hier müssen jedoch beide Laserstrahlen zu hoher Leistung (300 mW oder mehr), da sowohl zum Einfangen verwendet werden. Für Messungen von biologischen Systemen sollten die Laser zum Einfangen optimal genutzt innerhalb einer bestimmten Wellenlänge NIR Fenster fallen lichtinduzierten Proteinabbau 1 zu minimieren. Hier haben wir gewählt, um 980 nm Diode und 1.064 nm DPSS-Laser wegen ihrer geringen Kosten, hohe Verfügbarkeit und einfache Bedienung zu verwenden. Wir haben auch entschieden, eine Licht-Raum-Modulator (SLM) zum Erstellen und Bearbeiten von mehreren Fallen gleichzeitig in Echtzeit 4,5. Diese Vorrichtungen sind im Handel erhältlichjedoch deren Integration in ein komplettes Setup präsentiert einzigartige Herausforderungen. Hier beschreiben wir einen praktischen Ansatz, diese potenziellen Schwierigkeiten befasst und bietet ein sehr vielseitiges Instrument. Wir stellen eine explizite Beispiel für die spezifische Konfiguration beschrieben, die als Führung für modifizierte Designs verwendet werden können.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical table</td>
			<td>Newport corporation</td>
			<td>ST-UT2-56-8</td>
			<td>Irvine, CA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope, Inverted, Eclipse Ti</td>
			<td>Nikon USA</td>
			<td>MEA53220</td>
			<td>Melville, NY</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plan apo 100X oil objective (1.4 NA)</td>
			<td>Nikon USA</td>
			<td>MRD01901</td>
			<td>Melville, NY</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil condenser Lens 1.4 NA</td>
			<td>Nikon USA</td>
			<td>MEL41410</td>
			<td>Melville, NY</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EMCCD camera</td>
			<td>Andor technology USA</td>
			<td>Ixon DU897</td>
			<td>South Windsor, CT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/3" CCD IEEE1394 camera</td>
			<td>NET USA Inc</td>
			<td>Foculus FO124SC</td>
			<td>Highland IN</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser, TEM00, SLM, 1,064 nm wavelength</td>
			<td>Klastech Laser Technologies</td>
			<td>Senza-1064-1000</td>
			<td>Dortmund; Germany</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>laser diode, TEM00, SLM, 980 nm</td>
			<td>Axcel Photonics</td>
			<td>BF-979-0300-P5A</td>
			<td>Marlborough, MA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>laser diode mount</td>
			<td>ILX Lightwave</td>
			<td>LDX-3545, LDT-5525, and LDM-4984</td>
			<td>Bozeman, MT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>adjustable fiber ports</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PAF-X-11-B</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>holographic system</td>
			<td>Arryx</td>
			<td>HOTKIT-ADV-1064</td>
			<td>Chicago, IL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>holographic mirror</td>
			<td>Boulder Non-linear Systems</td>
			<td>this is a part of HOTKIT-ADV-1064</td>
			<td>Lafayette, CO</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calcite polarizer</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>GL10-B</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>half-wave plate</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>WPH05M-1064</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polarizer rotation mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PRM1</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>half-wave plate rotation mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>RSP1</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shutter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SH05</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dichroic mirrors (DM2 &amp; DM3); 45&deg; AOI</td>
			<td>Chroma Technology</td>
			<td>t750spxrxt</td>
			<td>Bellows Falls, VT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dichroic mirror (DM1); 45&deg; AOI</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DMSP1000R</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>custom mechanical adapter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SM1A11 and AD12F with enlarged inner bore</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>notch filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-850/310-25</td>
			<td>Rochester, NY</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acousto-Optic deflector (2-axis)</td>
			<td>intraAction</td>
			<td>DTD-584CA28</td>
			<td>Bellwood, IL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>goniometric stage</td>
			<td>New Focus</td>
			<td>9081</td>
			<td>Santa Clara, CA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>60 mm steering lenses</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LA1134-B</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>16 mm aspherical expander lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>AC080-016-C</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>175 mm expander lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LA1229-C</td>
			<td>Newton, NJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spot blocker (cabron-steel sphere)</td>
			<td>Bal-Tec</td>
			<td>0.0100" diameter</td>
			<td>Los Angeles, CA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microspheres (Carboxyl-polystyrene)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>CP-45-10</td>
			<td>Lake Forest, IL</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction of a high resolution microscope with conventional and holographic optical trapping capabilities

Hochauflösende Mikroskop Systeme mit optischen Fallen zur exakten Manipulation der verschiedenen Brechungsindex Objekte, wie dielektrische beads 1 oder Zellorganellen 2,3, sowie hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung Auslesen von ihrer Lage relativ zu dem Zentrum der Falle. Das hier beschriebene System ist ein solches &quot;traditionelle&quot; Falle bei 980 nm arbeitet. Es ist weiterhin ein zweites optisches System, das Einfangen eines handelsüblichen holographischen Paket gleichzeitig Erstellen und Bearbeiten komplexer Trapping Muster in dem Sichtfeld des Mikroskops 4,5 bei einer Wellenlänge von 1.064 nm verwendet. Die Kombination der beiden Systeme erlaubt die Manipulation von mehreren brechenden Objekte zur gleichen Zeit, während gleichzeitig leiten hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung Messungen von Bewegung und Kraft Produktion in Nanometer-und Pikonewton Skala.

Die zusammengebaute Konfiguration kann der Bediener mehrere brechende Objekte in Echtzeit zu stoppen und positionieren sie in allen drei Dimensionen innerhalb des Sichtfeldes. Wir zeigen die holographische Möglichkeiten des Instruments durch Abfangen 11 Mikrokugeln (Abbildung 2). Die Falle Begrenzung jedes Objekt wird manuell auf Trapping, so dass die endgültige Anordnung das Logo der University of Utah, wo dieses Experiment durchgeführt wurde zeigt neu positioniert. Eine kombinierte Funktion des hol...

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Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

Das hier beschriebene System verwendet einen herkömmlichen optischen Falle sowie eine unabhängige holographische optische Trapping Linie, in der Lage ist das Erstellen und Bearbeiten mehrere Fallen. Dies ermöglicht die Erzeugung von komplexen geometrischen Anordnungen der refraktiven Partikel während auch eine gleichzeitige High-Speed, hochauflösende Messungen der Aktivität des biologischen Enzyme.

Bau einer Hohe Auflösung Mikroskop mit Konventionelle und Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

construction-high-resolution-microscope-with-conventional-holographic

Research

JoVE Journal

Engineering

12.1K Aufrufe.  University of Utah. Das hier beschriebene System verwendet einen herkömmlichen optischen Falle sowie eine unabhängige holographische optische Trapping Linie, in der Lage ist das Erstellen und Bearbeiten mehrere Fallen. Dies ermöglicht die Erzeugung von komplexen geometrischen Anordnungen der refraktiven Partikel während auch eine gleichzeitige High-Speed, hochauflösende Messungen der Aktivität des biologischen Enzyme.

Serie: Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

Polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen mit Plasmonische-enhanced Light-Trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Forschung

Ingenieurwesen

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Bau und Erprobung von Knopfzellen von Lithium Ionen Batterien

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

Optical Trapping von Nanopartikeln

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

High-Auflösung, High-Speed-, Three-dimensional Imaging mit Digital-Video-Streifenprojektionstechnik

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building blocks in a bottom-up approach is still open. The scanning probe microscope (SPM) could be a tool of choice; however, SPM-based manipulation was until recently limited to two dimensions (2D). Binding the SPM tip to a molecule at a well-defined position opens an opportunity of controlled manipulation in 3D space. Unfortunately, 3D manipulation is largely incompatible with the typical 2D-paradigm of viewing and generating SPM data on a computer. For intuitive and efficient manipulation we therefore couple a low-temperature non-contact atomic force/scanning tunneling microscope (LT NC-AFM/STM) to a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles. This setup permits &#34;hand controlled manipulation&#34; (HCM), in which the SPM tip is moved according to the motion of the experimenter&#39;s hand, while the tip trajectories as well as the response of the SPM junction are visualized in 3D. HCM paves the way to the development of complex manipulation protocols, potentially leading to a better fundamental understanding of nanoscale interactions acting between molecules on surfaces. Here we describe the setup and the steps needed to achieve successful hand-controlled molecular manipulation within the virtual reality environment.

We demonstrate the precise manipulation of individual organic molecules on a metal surface with the tip of a scanning probe microscope driven in 3D by the experimenter's hand using a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles.

Hand kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle über ein Rastersondenmikroskop mit einer 3D-Virtual-Reality-Schnittstelle

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

Plasmonische Trapping und Freisetzung von Nanopartikeln in einer Monitoring-Umgebung

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

Demonstration of a Hyperlens-integrated Microscope and Super-resolution Imaging

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and nanotechnology. Although near-field scanning microscopy and superlenses have improved the resolution in the near-field region, far-field imaging in real-time remains a significant challenge. Recently, the hyperlens, which magnifies and converts evanescent waves into propagating waves, has emerged as a novel approach to far-field imaging. Here, we report the fabrication of a spherical hyperlens composed of alternating silver (Ag) and titanium oxide (TiO2) thin layers. Unlike a conventional cylindrical hyperlens, the spherical hyperlens allows for two-dimensional magnification. Thus, incorporation into conventional microscopy is straightforward. A new optical system integrated with the hyperlens is proposed, allowing for a sub-wavelength image to be obtained in the far-field region in real time. In this study, the fabrication and imaging setup methods are explained in detail. This work also describes the accessibility and possibility of the hyperlens, as well as practical applications of real-time imaging in living cells, which can lead to a revolution in biology and nanotechnology.

The use of a hyperlens has been regarded as a novel super-resolution imaging technique due to its advantages in real-time imaging and its simple implementation with conventional optics. Here, we present a protocol describing the fabrication and imaging applications of a spherical hyperlens.

Demonstration eines Hyperlens integriert Mikroskop und super-Resolution Imaging

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and ...

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional camera film methods and then digital camera technology, from which several important characteristics have been derived. However, such work has always been limited due to the inherently random and non-repeatable nature of natural lightning events in the field. Recent developments in lightning test facilities now allow the reproducible generation of lightning arcs within controlled laboratory environments, providing a test bed for the development of new sensors and diagnostic techniques to understand lightning mechanisms better. One such technique is a spectroscopic system using digital camera technology capable of identifying the chemical elements with which the lightning arc interacts, with these data then being used to derive further characteristics. In this paper, the spectroscopic system is used to obtain the emission spectrum from a 100 kA peak, 100 &#181;s duration lightning arc generated across a pair of hemispherical tungsten electrodes separated by a small air gap. To maintain a spectral resolution of less than 1 nm, several individual spectra were recorded across discrete wavelength ranges, averaged, stitched, and corrected to produce a final composite spectrum in the 450 nm (blue light) to 890 nm (near infrared light) range. Characteristic peaks within the data were then compared to an established publicly available database to identify the chemical element interactions. This method is readily applicable to a variety of other light emitting events, such as fast electrical discharges, partial discharges, and sparking in electrical equipment, apparatus, and systems.

Emission spectroscopy techniques have traditionally been used to analyze inherently random lightning arcs occurring in nature. In this paper, a method developed to obtain the emission spectroscopy from reproducible lightning arcs generated within a laboratory environment is described.

Verfahren zur Aufzeichnung von Breitband-Emissionsspektren von Laborblitzen

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...