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.

注意：実験の前に、すべての関連する安全プログラムを参照してください。このプロトコルに記載されている全ての実験手順は、NISTレーザー安全プログラムだけでなく、他の適用規則に従って実行されています。選択して、このような特定の波長および出力用に設計されたレーザー保護メガネとして適切な個人用保護具（PPE）を着用するようにしてください。乾燥ナノ/マイクロ粒子を処理する追加の呼吸保護を必要とするかもしれません。 1.設計とPZTホルダーの作製とサンプルエンクロージャ<ol><li> PZTホルダーとサンプルエンクロージャを設計します 注記：特定の設計値は、PZTの選択に応じて変化します。 <ol><li>コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアパッケージを開きます。与えられたPZTディメンションのホルダーの2次元（2D）スケッチを描きます。押し出し/押し出しカットの組み合わせを使用して、体積フィーチャに2Dスケッチを開発します。 </li><li>スケッチをクリックして、四角形を描画し、長方形のキューブを作ってそれを押し出します。 </li><li>カバーおよびリング型PZTを保持するための環状凹部機能を定義するために、キューブの上面にディスクをスケッチ。 </li><li>リアルタイムイメージング及び捕獲の両方のために光アクセスを持つように中心孔を規定します。 </li><li> 図2に示すように、中心部に向かって超音波パワーを集中するために平らな金属（銅）リングを挿入するために、中央の穴の縁に沿って円形ガイドを定義します。 </li><li> 図2cおよび2dに示すように、底板（中央に穴の開いた購入し、厚さ4mmの底のアルミニウム板）で組み立てられるように、PZTホルダーにM6ネジ用の2つのボアの穴を作成します。 </li><li>同様に、サンプルエンクロージャの長方形の枠を設計します。スケッチをクリックして、四角形を描画し、それ長方形のボックスにするために矩形を押し出します。 </li><li> rectangulaの上面に小さい四角形を描画Rボックスと押し出しカット矩形管としてそれを作るために長方形。 </li><li>サンプルエンクロージャボックスのフレームに変換するために、チューブと押し出しカットの側壁に小さい四角形を描画します。 </li><li>これらの3次元（3D）モデルは、3D印刷用ステレオリソグラフィ（STL）ファイルフォーマット（ 図2b）に変換します。 </li></ol></li><li> 設計されたオブジェクトの3Dプリント <ol><li> 3Dプリンタオペレーティングソフトウェアからデザインファイル（「-.STLを」）を開きます。 「プラットフォーム上」、「移動」を、そして「センター」：それを選択するオブジェクトをクリックするとアライメント機能を使って、（0、0、0）でオブジェクトのフラット0 / .AND中心にオブジェクトを置きます。上向きの繊細な機能に直面してPZTホルダーを向けます。凹面が上方に直面することになります。 </li><li>メニューの「設定」と「品質」タブに移動します。 、次のようにインフィルを印刷値を設定：100％、シェルの数：2、およびレイヤの高さ：0.2ミリメートル。 </li><li>総印刷時間を確認し、必要に応じて階層化のオブジェクトが印刷されることを確認するオブジェクトをプレビューします。 「.x3g」形式の3D印刷ファイルをエクスポートし、3Dプリンタで使用するためにそれを保存します。 </li><li> 3Dプリンターの電源をオンにし、押し出しノズルの温度が動作温度に達するまでのウォームアップ、230℃のメモリカードまたはネットワークドライブからデザインファイルをロードします。 </li><li>ウォームアップ時には、オブジェクトがしっかり付着を助けるために青画家のテープでビルドプラットフォームを配置します。印刷ジョブのための熱可塑性材料としては、両方のオブジェクトのためのポリ乳酸（PLA）繊維を使用。 </li><li>設計されたオブジェクトを印刷します。印刷ジョブが完了すると、それが冷却した後、プリンタの電源を切ります。 </li><li>ノミを使用してプラットフォームから印刷オブジェクトを切り離します。印刷されたオブジェクトをまっすぐにします。配向が適切に選択された場合に、PZTホルダを直接さらに後処理することなく使用することができます。 </li><li>フォーRサンプルエンクロージャは、フレームをカバーするために、インジウムスズ酸化物（ITO）コーティングしたカバースリップ三カバーガラスの一対を準備します。エンクロージャにカバースリップにフィットするようにダイヤモンドカッターを使用してください。 </li><li>線速乾性銀ペイントを用いて2つの平行な導電プレートは、二つのプレートの間に電圧を供給する。瞬間接着剤の接着剤を使用して、サンプルエンクロージャにこれらの5つの窓を接着。 注：ITOコーティングされたカバースリップの一組は、平行にサンプルエンクロージャにインストールされて均一な電場を提供し、電界に沿って自然に荷電粒子の弾道運動を生成するために（互いに対向します）。 3従来のカバーガラスは、空気の外部流れから捕捉された粒子を保護するために、サンプルエンクロージャ面（トップと他の2つの辺）の残りの部分をカバー</li></ol></li></ol>選択された微粒子の2光トラップの読み込み<ol><li> 試料調製 <ol><li>中の微粒子を保存実験の前に空気中の水分との接触を減らすためにデシケーターを避難。 </li><li>スライドガラス上に微粒子の小さな部分を注ぎ、すぐに戻ってデシケーター中で、製造業者のボトルを置きます。 </li><li>ガラス毛細管を有する微粒子のいくつかをピックアップ。カバーガラスの上に、キャピラリを保持しながら、そっとキャピラリーをタップして、基板上に粒子を散乱。 </li><li>暗視野顕微鏡を用いて基板上に堆積された粒子の量と分布を確認します。 注意：試料調製工程では、粒子がちょうどカバースリップ上に散乱され、PZTとPZTホルダとの間にそれらを挿入する前に、全体の構成を確認するために、光学顕微鏡（散乱微粒子とカバーガラス）で画像化。表面接着は、基板上の個々の微粒子を保持するのに十分強力であるので重要な外力が印加されない限り、付着粒子が強固に固定されています。 </li></oL&gt; </li><li> 圧電ランチャアセンブリ <ol><li>平らな底板、フィルム、PZT、カバーガラス、銅リング、PZTホルダー、2本のM6ネジ、およびサンプルエンクロージャを絶縁：圧電ランチャーのすべてのコンポーネントを取得します。 </li><li> PZTを絶縁するために、底板上に薄膜（またはテープ）を適用します。カバーガラスは、スタックの先頭を分離します。 </li><li>カバースリップに続く今テープで絶縁平板、銅リング、およびPZTホルダーの上にPZTを中心にして、スタックを組み立てます。 図2cおよび2dに示すように、ホルダーが導通している場合はホルダーにPZTの短絡を回避するために、PZTのセンタリングを維持一緒にスタックをねじ込みます。銅リングは、プラスチック製のPZTホルダー用スタック上に均一に分布機械的予圧を提供します。 </li><li>最後に、スタックにサンプルエンクロージャを接着し、顕微鏡でXYZ並進ステージ上にマウントアセンブリ。 </li></ol></li><li> PZTランチャーの設定 注：高電圧信号とPZTを駆動するには、潜在的な電気的な危険があります。実験の前に、安全担当者にご相談ください。すべての電気接続は、実験前に保護する必要があります。アンプの電源をオフにし、切り離しPZTは、可能な限りつながります。 <ol><li> PZTは、電圧アンプにリードを接続し、電圧増幅器の入力ポートにファンクション・ジェネレータを接続します。 </li><li>ファンクション・ジェネレータをオンにして、すべての接続が検証されて固定されるまで、電圧信号を生成しない1 Vの出力電圧を連続的に方形波を発生するように設定します。 </li><li>電圧アンプの電源をオンにし、出力を可能にすることにより、出力電圧1 Vの方形波を発生させます。 </li><li>オシロスコープにアンプの監視出力ポート（出力電圧200 V）を接続します。回して、200 V / Vのゲインを持つように、増幅器を構成しますフロントパネルのノブを得ることができます。オシロスコープで測定したモニタ出力電圧は1 Vの振幅を持っていることを確認します。 </li><li>関数発生器と増幅器を設定すると、リアルタイムのビデオ顕微鏡画像は、粒子を付着しながら駆動信号の変調周波数を走査することによりPZTランチャーの共振周波数を見つけます。微粒子動きが最大になるまでスキャンを繰り返します。粒子を解放するために、この周波数（ここでは64 kHzの）を使用します。 注：変調周波数を手動で共振周波数を見つけるために、150 kHzに、ゼロから（スキャン）が変化します。 </li><li>バーストモードで指定された数のサイクルの方形波を生成するために、ファンクション・ジェネレータを設定します。フロントパネルに「バースト」ボタンを押すと「Nサイクルバースト」を選択します。 </li><li> 「＃サイクル」のソフトキーを押して、バースト数を選択して、10または20にカウントを設定します。 </li><li>との電圧信号を生成する方形波を設定600 Vの振幅前のステップから見つかった64キロヘルツの共振周波数で（3回連続励起のために使用される電圧）。パルス信号は、粒子は、各パルスの後に移動を保証することにより、繰り返し可能な方法で標的粒子を放出することを確認します。 </li></ol></li><li> 選択光トラップのロード 注：PZTランチャアセンブリは手動線形変換XYステージ上に設置されています。粒子は、並進ステージを移動させることにより、固定ビーム焦点を基準に翻訳することができます。 <ol><li>顕微鏡のタレット（ 図3a）を回転させることにより、トラップビームの焦点を識別するために、レーザラインフィルタを削除。フォーカスを最適化するために、可視画像の最良の焦点の周りに垂直方向に前後に電動フォーカシングブロックを移動します。 </li><li>焦点位置が確認されると、トラップビームからの干渉なしに明確なリアルタイムビデオを与えるために戻ってフィルタをかけます。 </li><li> pまでのサンプルを翻訳トラップレーザーの焦点位置に選択された粒子をレース。画像への粒子の粒子上に浮上位置を残しながら、約半分の半径によって粒子中心部以下の公称トラッピング位置を配置する選択された粒子の中心に焦点を当てています。 </li><li>光トラッピング力を設定するための電気光学変調器（EOM）ドライバに接続された電源を調整します。最適な電力は、粒子サイズおよび材料に依存します。光パワービームから吐出させずに粒子を浮揚させるのに十分な電力を決定するために反復試験によって見出されました。ここでは、直径20μmのポリスチレン（PS）粒子を捕捉する対物レンズの後焦点面で140ミリワットの光パワーを使用しています。 </li><li>選択された粒子の中心が整列された後、いくつかのパルスで圧電ランチャーを作動させます。移動ぼやけた画像への静的な合焦画像から粒子像の変化がLEVに成功した負荷を示していますitation位置。 </li><li>基板上ミリメートル程度垂直浮遊粒子は、可能な表面相互作用を防止するように対物レンズを移動させることによって変換します。そして、より安定している公称トラッピング位置（ 図3c）に浮揚粒子（ 図3b）を移行するための光パワーを低減します。 注：トラッピングレーザの光パワーは、電気光学変調器（EOM）によって調節することができます。 EOMは、デジタル電源を介して供給されるバイアス電圧で出力電力を調整します。一つは、ゆっくりと光パワーを低減しながら、CCDを介して位置をトラップに浮上からの移行を観察することができます。 </li><li>位置測定のために、3Dに、図3Cに示すように、慎重に光軸にPZTホルダーの中心を移動し、サンプルエンクロージャの中央上記（9 mmの中に粒子を変換するための対物レンズまでの（垂直方向）に移動させますSUBSTRフリンジ電界が最小化される）を食べました。 </li><li>粒子が基板に接触するまで、以下に記載されるように測定を行った後、対物レンズを下に移動することによって、基板上に粒子を配置します。粒子の大部分が角部近傍に適用されるので、トラップされた粒子は、容易に認識することができ、再捕捉され、それが中央部に配置されたとき。これは、粒子と基板との接触相互作用のような単一のトラップイベントを越えて生じる変化を測定するための可逆的トラップの読み込みを可能にします。 </li></ol></li></ol> 3.データ集録<ol><li>トラップ内の粒子とQPD「SUM」信号を最大化するために、凝縮器フォーカスレンズの位置を合わせます。 </li><li> 図4cに示すように、QPDのXとYのチャネルを名目上ゼロに集束レンズの位置を合わせます。 </li><li>フーリエ変換された位置信号（又は電力スペクトル密度まで凝縮器の調整とフォーカスレンズを繰り返し<html> XとYのチャンネル（PSD）プロットは）バランスのとれた感度を示すように重ね合わせます。 図4bに示すように適切に整列QPD信号（XとY）は、ほぼ同一の挙動を示します。 </li><li> QPDアライメントが確認されると、2枚のITOプレートに電圧アンプを接続します。ステップ励磁信号と同期して誘導された粒子の軌跡を記録するためにDAQシステムにアンプの電圧監視出力信号を接続します。 </li><li>約500nm（ 図4e）により光軸に対して横方向に粒子を移動させる電界（ 図4d）を生成するために400 Vの連続的な矩形波を供給する。 QPDを使用して捕捉された粒子のステップ応答を測定します。 </li><li>ブラウン運動の影響を低減するために、必要に応じて平均複数の期間。誘導運動は、熱揺らぎよりも運動のより広い範囲にわたって光力を測定するために使用することができます。 12、EF &quot;&gt; 17 図4dおよび4eのショーは、印加電圧とステップ励磁の50回の反復を超える誘起される粒子軌道の信号を平均しました。 </li></ol>

<ol>
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C., Rider, A. D., Gratta, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Search+for+Millicharged+Particles+Using+Optically+Levitated+Microspheres.">Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres.</a> Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801 (2014).</li><li>Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+instantaneous+velocity+of+a+Brownian+particle.">Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle.</a> Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).</li><li>Park, H., LeBrun, T. 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Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).</li><li>Anand, S., 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=Aerosol+droplet+optical+trap+loading+using+surface+acoustic+wave+nebulization.">Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization.</a> Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).</li><li>Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+and+calibration+of+an+optical+trap+on+a+fluorescence+optical+microscope.">Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope.</a> Nat. 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Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).</li><li>Park, H., LeBrun, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+and+accumulation+of+electric+charge+on+a+single+dielectric+particle+trapped+in+air.">Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air.</a> SPIE OPTO. 9764, (2016).</li></ol>

The authors declare no competing financial interest.

圧電ランチャは、選択されたPZTの動的性能を最適化するように設計されています。超音波振動のPZT材料と管理の適切な選択が成功した実験を生成する重要なステップです。 PZTは、異なる特性の変換器のタイプに応じて（バルク又は積層）し、構成材料（ハードまたはソフト）を有します。硬質圧電材料からなるバルク型PZTは、次の理由のために選択されます。まず、ハード圧電材料は柔らか...

Ashkinは、物理学や生物物理学の基礎的な研究のための主要なツールとして、光トラッピング技術の開発を進め、1970年1彼の小説成果の加速度と放射圧による微粒子の捕捉を報告しました。これまでに2、3、4、5は 、光トラッピングの適用は、液体環境で主に集中しており、単一の生体分子の機械的特性へのコロイドの挙動から、システムの非常に広い範囲を研究するために使用されて。 6、7、ガス状のメディアへの光トラッピングの8アプリケーションは、しかし、いくつかの新しい技術的な問題を解決する必要があります。 最近では、空気/真空中の光トラッピングはますます基礎研究に応用されています。光学レヴィので、テーションは、潜在的に光学的に浮揚粒子は、小さな物体で4高周波測定重力波、9を量子基底状態を研究し、分数電荷を探索するための理想的な実験室となり、周囲の環境からシステムのほぼ完全な絶縁を提供します。 図10はまた、空気/真空の低い粘度は1つがブラウン粒子11の瞬間速度を測定するための慣性を利用して、線形ばね様体制を超えて動き、広範囲の弾道運動を作成することを可能にします。 12したがって 、気体媒体における光学トラップの詳細な技術情報や慣行は、より広い研究コミュニティにより貴重になってきています。 新しい実験技術は、気体媒体中の光トラップにナノ/マイクロ粒子をロードする必要があります。圧電変換器（PZT）、電動式を変換する装置メカノ音響エネルギーへのICエネルギーは、光浮上の最初の実証以来、空気/真空5、12で光トラップに小さな粒子を送達するために用いられています。 1以来、いくつかのローディング技術は、商業的噴霧器13又は音響波発生器によって生成された揮発性のエアロゾルを用いてより小さな粒子をロードするために提案されています。 14固体含有物（粒子）との浮遊エアロゾルはランダムに焦点近傍を通過し、偶然にトラップされます。エアロゾルがトラップされると、溶媒が出て蒸発し、粒子が光トラップに残ります。しかし、これらの方法は、サンプルの中から所望の粒子を識別する選択された粒子をロードし、トラップから放出された場合、その変更を追跡するのにはあまり適していません。このプロトコルは、実験など、空気中の選択光トラップの読み込み、上の新しい実務に詳細を提供することを目的としますアルセットアップ、PZTホルダーとサンプルエンクロージャの製造、トラップロード、両方の周波数領域および時間領域における粒子運動の解析に関連したデータ収集。液体培地中に捕捉するためのプロトコルも公開されています。 15、16 全体的な実験は、市販の倒立光学顕微鏡上で開発されています。 図1は、選択光トラップの負荷のステップを示すために使用されたセットアップの概略図を示しています、休憩微粒子を解放集束ビームで選ばれた粒子を持ち上げ、その動きを測定し、再び基板上にそれを置きます。まず、並進ステージ（横と縦）は、対物レンズにより集光されたトラッピングレーザー（波長1064 nm）での焦点に、基板上に選択された微小粒子をもたらすために使用されている（近赤外補正後の長い作動距離の目的：NA 0.4、倍率20X、作業D透明基板を通して20ミリメートル）をistance。そして、圧電ランチャー（機械的にプリロードされたリング型PZT）は、微粒子と基板との間の接着を破壊するために超音波振動を発生させます。したがって、任意の解放された粒子は、選択された粒子に着目し、単一のビーム傾斜レーザートラップにより持ち上げることができます。粒子がトラップされると、静電励起するための2つの平行な導電板を含むサンプル容器の中心に変換されます。最後に、データ収集（DAQ）システムは、同時に象限セルの光検出器（QPD）、及び印加電界によって捕捉粒子運動を記録します。測定終了後、粒子を制御可能それが可逆的に再捕捉することができるように、基板上に配置されます。この全体のプロセスは、いくつかの捕捉サイクルにわたって発生する接触帯電などの変化を測定するために、粒子損失なしに数百回も繰り返すことができます。我々の最近の記事Fを参照してくださいまたは詳細。 12

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1124">
	<tbody>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">ScotchBlue Painter&#39;s Tape Original</td>
			<td style="width:177px;">3M</td>
			<td style="width:216px;">3M2090</td>
			<td style="width:413px;"></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Scotch 810 Magic Tape</td>
			<td style="width:177px;">3M</td>
			<td style="width:216px;">3M810</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Function/Arbitrary Waveform generator</td>
			<td style="width:177px;">Agilent</td>
			<td style="width:216px;">HP33250A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Power supply/Digital voltage supplier</td>
			<td style="width:177px;">Agilent</td>
			<td style="width:216px;">E3634A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Ring-type piezoelectric transducer</td>
			<td style="width:177px;">American Piezo Company</td>
			<td style="width:216px;">item91</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Electro-optic modulator</td>
			<td style="width:177px;">Con-Optics</td>
			<td style="width:216px;">350&#8722;80-LA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Amplifier for Electro-optic modulator</td>
			<td style="width:177px;">Con-Optics</td>
			<td style="width:216px;">302RM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective</td>
			<td style="width:177px;">Edmund optics</td>
			<td style="width:216px;">46-404</td>
			<td>Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:319px;">LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE</td>
			<td style="width:177px;">Loctite</td>
			<td style="width:216px;">230992</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;">3D printer</td>
			<td style="width:177px;">MakerBot</td>
			<td style="width:216px;">Replicator 2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Polylactic acid (PLA) filament</td>
			<td style="width:177px;">MakerBot</td>
			<td style="width:216px;">True Red PLA Small Spool</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Data Acquisition system</td>
			<td style="width:177px;">National Instruments</td>
			<td style="width:216px;">780114-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Quadrant-cell photodetector</td>
			<td style="width:177px;">Newport</td>
			<td style="width:216px;">2031</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Translational stage</td>
			<td style="width:177px;">Newport</td>
			<td style="width:216px;">562-XYZ</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Inverted optical microscope</td>
			<td style="width:177px;">Nikon Instruments</td>
			<td style="width:216px;">EclipsTE2000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Fluorescence filter (green)</td>
			<td style="width:177px;">Nikon Instruments</td>
			<td style="width:216px;">G-2B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Flea3/CCD camera</td>
			<td style="width:177px;">Point Grey</td>
			<td style="width:216px;">FL3-U3-13S2M-CS</td>
			<td>Trapping laser</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:46px;width:319px;">Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4)</td>
			<td style="width:177px;">Spectra Physics</td>
			<td style="width:216px;">J20I-8S-12K/ BL-106C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips</td>
			<td style="width:177px;">SPI supplies</td>
			<td style="width:216px;">06463B-AB</td>
			<td>Polystyrene microparticles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Fast Drying Silver Paint</td>
			<td style="width:177px;">Tedpella</td>
			<td style="width:216px;">16040-30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Dri-Cal size standards</td>
			<td style="width:177px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:216px;">DC-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Optical Fiber</td>
			<td style="width:177px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:216px;">P1&#8722;1064PM-FC-5</td>
			<td>bottom plate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Aluminium plate&#160;</td>
			<td style="width:177px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:216px;">CP4S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">High voltage power amplifier</td>
			<td style="width:177px;">TREK</td>
			<td style="width:216px;">PZD700A M/S</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optical trap loading of dielectric microparticles in air

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.

PZTランチャは、CADソフトウェアパッケージを用いて設計されています。 PZTホルダが図2に示されており、サンプルエンクロージャは、材料および方法の様々な製造することができるようにここで、我々は、（PZTは、2つのプレートでクランプ）プリロードのためのシンプルなサンドイッチ構造を使用します。 図2dに示すように、簡単なデモの?...

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Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

optical-trap-loading-of-dielectric-microparticles-in-air

Research

JoVE Journal

Engineering

9.0K ビュー.  National Institute of Standards and Technology. A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

ビデオ: Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

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.

リチウムイオン電池のコイン細胞の構築とテスト

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

工学

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

ファイバー描画法を用いたメタマテリアルの作製

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

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.

ナノ粒子の光トラッピング

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 ...

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

VBの作製<sub&gt; 2</sub電気テスト用&gt; /空気電池

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

マルチコアファイバーブラッググレーティングを書きます

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an elastomeric dielectric membrane sandwiched between two compliant electrodes. The large actuation strains of these transducers when used as actuators (over 300% area strain) and their soft and compliant nature has been exploited for a wide range of applications, including electrically tunable optics, haptic feedback devices, wave-energy harvesting, deformable cell-culture devices, compliant grippers, and propulsion of a bio-inspired fish-like airship. In most cases, DETs are made with a commercial proprietary acrylic elastomer and with hand-applied electrodes of carbon powder or carbon grease. This combination leads to non-reproducible and slow actuators exhibiting viscoelastic creep and a short lifetime. We present here a complete process flow for the reproducible fabrication of DETs based on thin elastomeric silicone films, including casting of thin silicone membranes, membrane release and prestretching, patterning of robust compliant electrodes, assembly and testing. The membranes are cast on flexible polyethylene terephthalate (PET) substrates coated with a water-soluble sacrificial layer for ease of release. The electrodes consist of carbon black particles dispersed into a silicone matrix and patterned using a stamping technique, which leads to precisely-defined compliant electrodes that present a high adhesion to the dielectric membrane on which they are applied.

This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.

シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit manipulation, and integrated single-photon detectors. Here, we present the key aspects of preparing and testing a silicon photonic quantum chip with an integrated photon source and two-photon interferometer. The most important aspect of an integrated quantum circuit is minimizing loss so that all of the generated photons are detected with the highest possible fidelity. Here, we describe how to perform low-loss edge coupling by using an ultra-high numerical aperture fiber to closely match the mode of the silicon waveguides. By using an optimized fusion splicing recipe, the UHNA fiber is seamlessly interfaced with a standard single-mode fiber. This low-loss coupling allows the measurement of high-fidelity photon production in an integrated silicon ring resonator and the subsequent two-photon interference of the produced photons in a closely integrated Mach-Zehnder interferometer. This paper describes the essential procedures for the preparation and characterization of high-performance and scalable silicon quantum photonic circuits.

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum systems. Presented here is a method for preparing and testing a silicon photonic chip for quantum measurements.

シリコンリング共振器光子源における量子干渉の測定

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

光共振器およびレーザ応用のためのポリマーマイクロスフェアの作製

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be cost-prohibitive, often priced in the $100,000 - $200,000 price range. At the other extreme are stand-alone manual devices that often lack repeatability and accuracy (e.g., a manual crank device). However, if a single use is indicated, it is over-engineering to design and machine something overly elaborate. Nonetheless, there are occasions where machines are designed and built in-house to accomplish a motion not attainable with the existing machines in the laboratory. Described in detail here is one such device. It is a loading platform that enables pure uniaxial loading. Standard loading machines typically are biaxial in that linear loading occurs along the axis and rotary loading occurs about the axis. During testing with these machines, a load is applied to one end of the specimen while the other end remains fixed. These systems are not capable of conducting pure axial testing in which tension/compression is applied equally to the specimen ends. The platform developed in this paper enables the equal and opposite loading of specimens. While it can be used for compression, here the focus is on its use in pure tensile loading. The device incorporates commercial load cells and actuators (movers) and, as is the case with machines built in-house, a frame is machined to hold the commercial parts and fixtures for testing.

Here we present a protocol to develop a pure uniaxial loading machine. Critical design aspects are employed to ensure accurate and reproducible testing results.

一軸荷重マシン開発のデザイン面のアプリケーション

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be ...