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Article de méthode

Piège optique Chargement de Dielectric Microparticules Dans Air

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DOI :

10.3791/54862

⸱

5 février 2017

 , 
1Physical Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology

Dans cet article

Résumé

Un protocole pour le lancement et le piégeage stable de microparticules diélectriques sélectionnées dans l’air est présenté.

Résumé

Nous démontrons une méthode pour piéger une microparticule diélectrique sélectionnée dans l’air en utilisant la pression de rayonnement d’un piège optique à gradient à faisceau unique. Des microparticules diélectriques diffusées de manière aléatoire et collant à un substrat de verre sont momentanément détachées à l’aide de vibrations ultrasonores générées par un transducteur piézoélectrique (PZT). Ensuite, le faisceau optique focalisé sur une particule sélectionnée la soulève jusqu’au piège optique tandis que les microparticules excitées par les vibrations retombent sur le substrat. Une particule peut être piégée au foyer nominal du faisceau de piégeage ou à une position au-dessus du foyer (appelée ici position de lévitation) où la gravité fournit la force de rappel. Après la mesure, la particule piégée peut être placée à la position souhaitée sur le substrat de manière contrôlée.

Dans ce protocole, une procédure expérimentale de chargement sélectif de pièges optiques dans l’air est décrite. Tout d’abord, le dispositif expérimental est brièvement présenté. Deuxièmement, la conception et la fabrication d’un support PZT et d’un boîtier d’échantillon sont illustrées en détail. La charge du piège optique d’une microparticule sélectionnée est ensuite démontrée à l’aide d’instructions étape par étape, notamment la préparation de l’échantillon, le lancement dans le piège et l’utilisation de la force électrostatique pour exciter le mouvement des particules dans le piège et mesurer la charge. Enfin, nous présentons les trajectoires enregistrées des mouvements browniens et balistiques d’une microparticule piégée dans l’air. Ces trajectoires peuvent être utilisées pour mesurer la rigidité ou pour vérifier l’alignement optique grâce à l’analyse dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Le chargement sélectif par piège permet à la pince optique de suivre de manière réversible une particule et ses modifications au cours de charges de piège répétées, ce qui permet d’étudier l’interaction particule-surface.

Introduction

Ashkin a rapporté l'accélération et le piégeage des microparticules par la pression de radiation en 1970. 1 Son roman réalisation favorisé le développement des techniques de piégeage optique comme outil principal pour les études fondamentales de la physique et de la biophysique. 2, 3, 4, 5 A ce jour, l'application de piégeage optique a porté principalement sur les environnements liquides, et ont été utilisés pour étudier une très large gamme de systèmes, du comportement des colloïdes aux propriétés mécaniques de biomolécules simples. 6, 7, 8 Application de piégeage optique milieux gazeux, cependant, exige la résolution de plusieurs nouveaux problèmes techniques.

Récemment, le piégeage optique dans l'air / vide a été de plus en plus appliqué dans la recherche fondamentale. Depuis levi optiquestation fournit potentiellement l' isolement quasi-complet d'un système à partir de l'environnement, la particule optiquement sustentation devient un laboratoire idéal pour étudier les états du sol quantique dans les petits objets, 4 de mesure à haute fréquence des ondes gravitationnelles, 9 et la recherche de charge fractionnaire. 10 En outre, la faible viscosité de l' air / vide permet d'utiliser l' inertie pour mesurer la vitesse instantanée d'une particule brownienne 11 et pour créer un mouvement balistique sur une large gamme de mouvement au - delà du régime printanier linéaire. 12 Par conséquent, l' information et les pratiques de pièges optiques dans les milieux gazeux techniques sont devenus plus précieux pour la communauté de recherche plus large.

De nouvelles techniques expérimentales sont nécessaires pour charger nano / microparticules dans des pièges optiques dans les milieux gazeux. Un transducteur piézo-électrique (PZT), un dispositif qui convertit électric énergie en énergie mécano-acoustique, a été utilisé pour fournir de petites particules dans des pièges optiques dans l' air / vide 5, 12 depuis la première démonstration de lévitation optique. 1 Depuis lors, plusieurs techniques de chargement ont été proposées pour charger des particules plus petites en utilisant des aérosols volatils générés par un nébuliseur commercial 13 ou un générateur d'ondes acoustiques. 14 Les aérosols flottants avec des inclusions solides (particules) passent au hasard près du foyer et sont piégés par hasard. Une fois que l'aérosol est piégé, le solvant s'évapore et la particule reste dans le piège optique. Cependant, ces méthodes ne sont pas bien adaptés pour identifier les particules désirées à partir d'un échantillon, charger une particule sélectionnée et de suivre ses modifications si libéré du piège. Ce protocole est destiné à fournir des détails aux nouveaux praticiens sur sélectif piège chargement optique dans l'air, y compris l'expérienceconfiguration al, la fabrication d'un support de PZT et enceinte échantillon, piège chargement, et l'acquisition de données associée à l'analyse du mouvement des particules dans les deux domaines fréquentiel et temporel. Les protocoles de piégeage dans des milieux liquides ont également été publiés. 15, 16

Le dispositif expérimental global est développé sur un microscope optique inversé commercial. La figure 1 montre un schéma de la configuration utilisée pour démontrer les étapes du piège optique sélective chargement: libérer les microparticules de repos, en soulevant la particule choisie avec le faisceau focalisé, mesurant son mouvement, et en le plaçant sur le substrat à nouveau. objectif d'abord, les étapes de translation (transversales et verticales) sont utilisés pour apporter une microparticule choisie sur le substrat pour la mise au point d'un laser de piégeage (longueur d'onde de 1064 nm) focalisé par un objectif (proche infrarouge corrigées à long distance de travail: NA 0,4, grossissement 20X, d travailIstance 20 mm) à travers le substrat transparent. Puis, un lanceur piézo-électrique (une mécanique pré-chargée de type annulaire PZT) génère des vibrations ultrasoniques pour briser l'adhérence entre les microparticules et un substrat. Ainsi, toute particule libérée peut être levée par le faisceau unique piège laser gradient centré sur la particule sélectionnée. Une fois que la particule est piégée, elle se traduit par rapport au centre de l'enceinte d'échantillon contenant deux plaques conductrices parallèles pour l'excitation électrostatique. Enfin, un système d'acquisition de données (DAQ) enregistre simultanément le mouvement des particules, captée par un photodétecteur à cellules quadrant (DOU), et le champ électrique appliqué. Après avoir terminé la mesure, la particule est placée de manière contrôlable sur le substrat afin qu'il puisse être pris au piège à nouveau d'une manière réversible. Ce processus global peut être répété des centaines de fois sans perte de particules pour mesurer les changements tels que le contact électrification se produisant sur plusieurs cycles de piégeage. S'il vous plaît se référer à notre article récent fou des détails. 12

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Protocole

Attention: S'il vous plaît consulter tous les programmes de sécurité applicables avant l'expérience. Toutes les procédures expérimentales décrites dans ce protocole sont effectuées en conformité avec le programme de sécurité LASER NIST ainsi que d'autres règlements applicables. S'il vous plaît assurez-vous de choisir et porter un équipement de protection individuelle (EPI) tels que des lunettes de protection laser conçus pour la longueur d'onde et de puissance spécifique. Manipulation nano sec / microparticules peut nécessiter une protection respiratoire supplémentaire.

1. Conception et fabrication d'un porteur de PZT et un boîtier échantillon

  1. Concevoir un porte-PZT et une enceinte de l' échantillon
    REMARQUE: Les valeurs de conception particulières varient en fonction de la sélection d'un PZT.
    1. Ouvrez le logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). Dessinez un à deux dimensions (2D) esquisse d'un support pour une dimension de PZT donné. Développer l'esquisse 2D à des caractéristiques volumétriques en utilisant des combinaisons de Extrusion / Extrusion-cut.
    2. Cliquez sur Sketch,dessiner un rectangle et l'extruder pour faire un cube rectangulaire.
    3. Dessinez un disque sur la surface supérieure du cube pour définir une fonction encastrée circulairement pour couvrir et tenir le PZT de type annulaire.
    4. Définir un trou central pour avoir un accès optique à la fois pour l'imagerie en temps réel et le piégeage.
    5. Définir un guide circulaire le long du bord du trou central pour insérer une bague métallique plate (cuivre) pour concentrer l'énergie ultrasonore vers la zone centrale , comme indiqué sur la figure 2a.
    6. Créer deux perçages pour vis M6 sur le support de PZT à assembler avec une plaque de fond (acheté, 4 mm d' épaisseur plaque d'aluminium fond avec un trou au centre), comme le montre la figure 2c et 2d.
    7. D'une manière similaire, la conception d'un cadre rectangulaire de l'enceinte de l'échantillon. Cliquez sur Sketch, et dessiner un rectangle, extruder le rectangle pour en faire une boîte rectangulaire.
    8. Dessinez un rectangle plus petit sur la surface supérieure de la rectangulaboîte de r et extruder-coupent le rectangle pour faire comme un tube rectangulaire.
    9. Dessinez un rectangle plus petit sur la paroi latérale du tube et Extrusion-cut pour le transformer dans le cadre de la boîte de l'enceinte de l'échantillon.
    10. Convertissez ces (3D) des modèles en trois dimensions dans un format stéréolithographie (STL) de fichier pour un procédé d'impression 3D (Figure 2b).
  2. Impression 3D des objets conçus
    1. Ouvrez le fichier de conception ( "de -.STL") à partir du logiciel d'exploitation de l'imprimante 3D. Couchez l'objet plat centre 0 / .et l'objet sur (0, 0, 0) en cliquant sur l'objet pour le sélectionner et utiliser les fonctions d'alignement: "Move", "Sur la plate-forme", et "Centre". Orientez le porte-PZT pour faire face aux traits délicats vers le haut. La surface évidée sera face vers le haut.
    2. Dans le menu aller dans les "Paramètres" et l'onglet "Qualité". Définissez les valeurs d'impression de la manière suivante, Infill: 100%, Nombre de coquilles: 2, et la hauteur de la couche: 0,2mm.
    3. Aperçu des objets pour vérifier le temps d'impression totale et assurez-vous que les objets en couches seront imprimées comme souhaité. Exporter le fichier d'impression 3D dans un format ".x3g" et enregistrez-le à utiliser dans l'imprimante 3D.
    4. Allumez l'imprimante 3D et chauffer jusqu'à ce que la température de la buse d'extrusion atteint une température de fonctionnement, 230 ° C Charger le fichier de conception à partir d' une carte mémoire ou un lecteur réseau.
    5. Pendant l'échauffement, placer la plate-forme de construction avec le ruban bleu pour peintres pour aider les objets adhèrent en toute sécurité. En tant que matériau thermoplastique pour le travail d'impression, utiliser un acide polylactique (PLA) filament pour les deux objets.
    6. Imprimer les objets conçus. Une fois le travail d'impression est terminée, éteignez l'imprimante après qu'il a refroidi.
    7. Détacher l'objet imprimé à partir de la plate-forme à l'aide d'un ciseau. Redressez les objets imprimés. Si l'orientation est choisie de manière appropriée, le support de PZT peut être directement utilisé sans autre post-traitement.
    8. for l'enceinte de l'échantillon, préparer une paire d'oxyde d'indium-étain (ITO) et des lamelles revêtues trois lamelles de verre pour couvrir le cadre. Utilisez un coupe de diamant pour adapter la lamelle à l'enceinte.
    9. Relier les deux plaques conductrices parallèles, au moyen d'un séchage rapide de la peinture d'argent pour fournir une tension à travers deux plaques. Collez ces cinq fenêtres sur l'enceinte de l'échantillon à l'aide d'un adhésif colle instantanée.
      NOTE: L'une paire de lamelles recouvertes d'ITO sont installés sur l'enceinte échantillon en parallèle (en regard de l'autre) pour obtenir un champ électrique uniforme et pour engendrer le mouvement de la particule balistique naturellement chargée le long du champ électrique. Les trois lamelle conventionnelle couvre le reste des surfaces de l'échantillon de l'enceinte (en haut et deux autres côtés) pour protéger la particule piégée dans le flux d'air extérieur

2. Piège optique Chargement d'un microparticule sélectionné

  1. La préparation des échantillons
    1. Stocker les microparticules dans undessiccateur évacués afin de réduire le contact avec l'humidité dans l'air avant l'expérience.
    2. Versez une petite partie des microparticules sur une lame de verre et de mettre immédiatement la bouteille de la fabrication de retour dans le dessiccateur.
    3. Ramasser une partie des microparticules ayant un tube capillaire en verre. Disperser les particules sur le substrat en tapotant doucement sur le capillaire tout en maintenant le capillaire sur la lamelle.
    4. Vérifiez la quantité et la distribution des particules déposées sur le substrat en utilisant un microscope à fond noir.
      Remarque: dans l'étape de préparation de l'échantillon, la particule est simplement dispersé sur une lamelle couvre-objet et imagé avec un microscope optique pour vérifier l'agencement d'ensemble avant de les insérer (une lamelle couvre-objet avec des microparticules dispersées) entre le support de PZT et PZT. Depuis l'adhésion de surface est suffisamment solide pour supporter des microparticules individuelles sur le substrat, les particules collées sont solidement fixés, sauf si une force externe importante est appliquée.
  2. Assemblage du lanceur piézoélectriques
    1. Obtenir tous les composants du lanceur piézo-électrique: la plaque de fond plat, film, le PZT, la lamelle de verre, un anneau de cuivre, le porte-PZT, deux vis M6, et l'enceinte de l'échantillon d'isolation.
    2. Appliquer une couche mince (ou bande) sur la plaque de fond pour isoler le PZT. La lamelle de verre isole la partie supérieure de la pile.
    3. Assembler la pile en centrant le PZT sur le dessus de la plaque plane maintenant isolée avec du ruban adhésif, suivie par la lamelle, l'anneau de cuivre, et le porte-PZT. Vissez la pile ainsi que le maintien du centrage du PZT pour éviter un court - circuit du PZT au titulaire si le titulaire procède comme le montre la figure 2c et 2d. L'anneau de cuivre fournit une précharge mécanique répartie uniformément sur la pile pour les détenteurs de PZT en plastique.
    4. Enfin, collez l'enceinte de l'échantillon sur la pile et monter l'ensemble sur une scène de translation XYZ dans le microscope.
  3. Configuration du lanceur PZT
    NOTE: La conduite du PZT avec un signal à haute tension a des risques électriques potentiels. S'il vous plaît consulter le personnel de sécurité avant l'expérience. Toutes les connexions électriques doivent être fixés avant l'expérience. Éteignez l'amplificateur et débranchez PZT conduit chaque fois que possible.
    1. Connecter le PZT conduit à l'amplificateur de tension et connecter le générateur de fonction à un port de l'amplificateur de tension d'entrée.
    2. Activer le générateur de fonction et le configurer pour générer des ondes carrées en continu avec une tension de sortie de 1 V. Ne pas générer le signal de tension jusqu'à ce que toutes les connexions sont vérifiées et sécurisées.
    3. Allumez l'amplificateur de tension et de générer l'onde carrée de tension de sortie 1 V en permettant la sortie.
    4. Connecter le port de sortie de contrôle (tension de sortie 200 V) de l'amplificateur à un oscilloscope. Configurez l'amplificateur pour avoir gain de 200 V / V en tournant lagagner le bouton sur le panneau avant. Vérifier que la tension de sortie de contrôle a une amplitude de 1 V, telle que mesurée par l'oscilloscope.
    5. Une fois que le générateur de fonction et l'amplificateur sont configurés, pour la fréquence de résonance du lanceur PZT par balayage de la fréquence de modulation du signal d'attaque tandis que les images en temps réel vidéo particules microscopiques observées. Répéter le balayage jusqu'à ce que le mouvement de microparticule est un maximum. Utilisez cette fréquence (64 kHz ici) pour libérer les particules.
      NOTE: La fréquence de modulation est modifiée manuellement (numérisée) de zéro à 150 kHz pour trouver la fréquence de résonance.
    6. Configurer le générateur de fonction pour générer une onde carrée avec un nombre spécifié de cycles en mode rafale. Appuyez sur le bouton "Burst" sur le panneau avant et sélectionnez "Cycle Burst N".
    7. Choisissez le compte de salve en appuyant sur "# Cycles" touche programmable et réglez le nombre à 10 ou 20.
    8. Configurer la forme d'onde carrée pour générer des signaux de tension avecune amplitude de 600 V (trois fois la tension utilisée pour l'excitation continue) à la fréquence de résonance de 64 kHz, ce qui a trouvé à l'étape précédente. Vérifiez que le signal d'impulsion libère la particule cible d'une manière reproductible en assurant les particules se déplacent après chaque impulsion.
  4. Selective optique piège chargement
    REMARQUE: L'assemblage du lanceur PZT est installé sur un linéaire étape manuelle traduction xy. Les particules peuvent être traduites par rapport au foyer du faisceau fixe, par déplacement de la platine de translation.
    1. Retirer le filtre de ligne laser pour identifier la focalisation du faisceau de piégeage par rotation de la tourelle de microscope (Figure 3a). Déplacez le bloc de focalisation motorisé avant et en arrière à la verticale autour de la meilleure mise au point de l'image visible pour optimiser le focus.
    2. Une fois la position de mise au point est vérifiée, remettre le filtre pour donner une vidéo claire et en temps réel, sans interférence du faisceau de piégeage.
    3. Traduire l'échantillon à placer une particule sélectionnée à la position de mise au point du laser de piégeage. Mettre l'accent sur la particule de l'image au centre d'une particule choisie, ce qui place la position de capture nominale en dessous du centre de la particule d'environ un demi-rayon, tout en laissant la position de lévitation au-dessus de la particule.
    4. Réglez l'alimentation électrique connecté au modulateur (EOM) pilote électro-optique pour régler la puissance de piégeage optique. La puissance optimale dépend de la taille et le matériau particulaire. La puissance optique a été constaté par des essais répétés pour déterminer la puissance suffisante pour faire léviter la particule sans l'éjecter de la poutre. Ici, utiliser une puissance optique de 140 mW au niveau du plan focal arrière de l'objectif de piéger les particules de 20 um de diamètre de polystyrène (PS).
    5. Après le centre de la particule choisie est aligné, actionner le lanceur piézoélectrique à plusieurs impulsions. Le changement de l'image de particule à partir d'une image focalisée statique à une image floue en mouvement indique le chargement réussi à levposition itation.
    6. Traduire la particule à sustentation verticale d'environ un millimètre au-dessus du substrat en déplaçant la lentille d'objectif pour empêcher les interactions superficielles éventuelles. Puis réduire la puissance optique de la transition de la particule à sustentation (figure 3b) dans la position de capture nominale (figure 3c) , qui est plus stable.
      REMARQUE: La puissance optique du laser de piégeage peut être modulée par un modulateur électro-optique (EOM). La MOE régule la puissance de sortie avec une tension de polarisation fournie par une source d'alimentation numérique. On peut observer la transition de la position de lévitation à travers le piégeage du CCD pendant réduit lentement la puissance optique.
    7. Pour la mesure de position, comme représenté sur la figure 3c à 3d, déplacer avec précaution le centre du porte - PZT à l'axe optique et ensuite déplacer la lentille d' objectif vers le haut (verticalement) pour traduire la particule dans le milieu de l' enceinte de l' échantillon (9 mm au- dessus du substrate) où le champ électrique de franges est minimisé.
    8. Après avoir effectué la mesure décrite ci-dessous, placer la particule sur le substrat par déplacement de l'objectif jusqu'à ce que la particule en contact avec le substrat. Etant donné que la plupart des particules sont appliquées près des coins, la particule piégée peut être facilement reconnu et re-piégé quand il est placé dans la zone centrale. Cela permet réversible piège de chargement pour mesurer les changements qui se produisent au-delà d'un événement de piégeage unique tels que les interactions de la particule et le substrat contact.

3. Acquisition de données

  1. Aligner le condenseur et la lentille de focalisation afin de maximiser la "somme" de signal DOU avec une particule dans le piège.
  2. Aligner la lentille de focalisation à zéro nominalement les canaux X et Y du DOU, comme représenté sur la figure 4c.
  3. Répéter l'ajustement du condenseur et la lentille de focalisation jusqu'à ce que les signaux de position transformée de Fourier (ou densité spectrale de puissance (PSD) des parcelles) de X et Y canaux se superposent pour afficher la sensibilité équilibrée. Signaux QPD correctement alignés (X et Y) montrent un comportement presque identique, comme le montre la figure 4b.
  4. Une fois l'alignement DOU est vérifié, la connexion de l'amplificateur de tension aux deux plaques d'ITO. Connecter le signal de sortie de surveillance de tension de l'amplificateur au système d'acquisition de données pour enregistrer le signal étape d'excitation et la trajectoire de la particule induite de manière synchrone.
  5. Fournir une onde carrée en continu de 400 V pour générer un champ électrique (figure 4d) qui se déplace transversalement par rapport à la particule à l'axe optique d'environ 500 nm (figure 4E). Mesurer la réponse indicielle de la particule piégée à l'aide du DOU.
  6. plusieurs périodes moyennes que nécessaire pour réduire les effets du mouvement brownien. Le mouvement induit peut être utilisé pour mesurer la force optique sur une large gamme de mouvement que celle des fluctuations thermiques. 12,ef "> 17 Figure 4d et 4E représente la moyenne des signaux de tension appliquée et la trajectoire des particules induite par plus de 50 itérations de l' étape d' excitation.

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Résultats

Le lanceur de PZT est conçu en utilisant un logiciel de CAO. Ici, on utilise une structure de type sandwich simple pour le préchargement (PZT serrée par deux plaques), comme représenté sur la figure 2. Le porte-PZT et l'enceinte de l' échantillon peut être fabriqué à partir d' une variété de matériaux et méthodes. Pour une démonstration rapide, nous choisissons l' impression 3D avec thermoplastique comme illustré sur la figure 2d. Sur la base des composa...

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Discussion

Le lanceur piézoélectrique est conçu pour optimiser les performances dynamiques d'un PZT sélectionné. Une sélection appropriée des matériaux et la gestion des vibrations ultrasonores PZT sont les étapes clés pour donner une expérience réussie. PZT présentent des caractéristiques différentes en fonction du type de capteur (en vrac ou empilés) et les matériaux constitutifs (dur ou mou). Un type PZT en vrac constitué d'un matériau piézoélectrique dur est choisie pour les raisons suivantes. Tout d'abord, les mat...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier concurrent.

Remerciements

Tout le travail effectué avec le soutien de l’Institut national des normes et de la technologie. Certains équipements, instruments ou matériaux commerciaux sont identifiés pour favoriser la compréhension de ce protocole. Une telle identification n’implique pas une recommandation ou une approbation par le National Institute of Standards and Technology, ni que les matériaux ou l’équipement identifiés sont nécessairement les meilleurs disponibles à cette fin.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
ScotchBlue Painter’s Tape Original3M3M2090
Scotch 810 Magic Tape3M3M810
Fonction/Arbitraire Générateur de formes d’ondeAgilentHP33250A
Fournisseur d’alimentation/Tension numériqueAgilentE3634A
Transducteur piézoélectrique de type anneauAmerican Piezo Companyitem91
Modulateur électro-optiqueCon-Optics350&minus ; 80-LA
Amplificateur pour modulateur électro-optiqueCon-Optics302RM
Mitutoyo NIR Objectif corrigé à l’infiniEdmund optics46-404Fabriqué par Mitutoyo et distribué par Edmund optics
LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLELoctite230992
imprimante 3DMakerBotReplicator 2
Polylactic filament acide (PLA)MakerBotTrue Red PLA Small Spool
Système d’acquisition de donnéesNational Instruments780114-01
Photodétecteur à cellules quadrantesNewport2031
Platine de translationNewport562-XYZ
Microscope optique inverséNikon InstrumentsEclipsTE2000
Filtre de fluorescence (vert)Nikon InstrumentsG-2B
Flea3/CCDcamera Point GreyFL3-U3-13S2M-CSLaser de piégeage
Diode pompée néodyme yttrium vanadate(Nd :YVO4)Spectra PhysicsJ20I-8S-12K/ BL-106C
Oxyde d’indium et d’étain (ITO) Lamles recouvertesSPI supplies06463B-ABMicroparticules de polystyrène
Peinture argentée à séchage rapideTedpella16040-30
Dri-Cal normes de tailleThermo ScientificDC-20
Fibre optiqueThorlabsP1&minus ; 1064PM-FC-5inférieure
Plaque d’aluminium  ;ThorlabsCP4S
Amplificateur de puissance haute tensionTREKPZD700A M/S
plaque

Références

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