Articolo metodologico

Caratterizzazione magneto-ottica spectrale e sistemata con angolo di nanostrutture fotoniche

DOI:

10.3791/60094

⸱

21 novembre 2019

 ,  , 
1Institut de Ciència de Materials de Barcelona, 2Department of Physics, University of Gothenburg

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La struttura fotonica della banda consente di comprendere come si propagano le modalità elettromagnetiche confinate all'interno di un cristallo fotonico. Nei cristalli fotonici che incorporano elementi magnetici, tali modalità ottiche confinate e risonanti sono accompagnate da un'attività magneto-ottica migliorata e modificata. Descriviamo una procedura di misurazione per estrarre la struttura a banda magneto-ottica mediante microscopia spaziale di Fourier.

Abstract

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I cristalli fotonici sono nanostrutture periodiche in grado di supportare una varietà di modalità elettromagnetiche confinate. Tali modalità confinate sono solitamente accompagnate da un miglioramento locale dell'intensità del campo elettrico che rafforza le interazioni luce-materia, consentendo applicazioni come la dispersione Raman (SERS) potenziata dalla superficie e il rilevamento migliorato del plasmone superficiale. In presenza di materiali magneto-otticamente attivi, il miglioramento del campo locale dà luogo a un'attività magneto-ottica anomala. Tipicamente, i modi confinati di un determinato cristallo fotonico dipendono fortemente dalla lunghezza d'onda e dall'angolo di incidenza della radiazione elettromagnetica incidente. Pertanto, sono necessarie misurazioni spettrali e risolse per identificarle completamente e stabilire la loro relazione con l'attività magneto-ottica del cristallo. In questo articolo viene descritto come utilizzare un microscopio a piano di Fourier (piano focale posteriore) per caratterizzare campioni magneto-ottalmente attivi. Come sistema modello, qui usiamo una griglia plasmonica costruita con multistrato Au/Co/Au magneto-otticamente attivo. Negli esperimenti, applichiamo un campo magnetico sulla griglia in situ e misuriamo la sua risposta reciproca dello spazio, ottenendo la risposta magneto-ottica della grata su una gamma di lunghezze d'onda e angoli di incidente. Queste informazioni ci permettono di costruire una mappa completa della struttura a banda plasmonica della grata e dell'angolo e dell'attività magneto-ottica dipendente dall'angolo e dalla lunghezza d'onda. Queste due immagini ci permettono di individuare l'effetto che le risonanze del plasmone hanno sulla risposta magneto-ottica della griglia. La magnitudine relativamente piccola degli effetti magneto-ottici richiede un attento trattamento dei segnali ottici acquisiti. A tal fine, viene disposto un protocollo di elaborazione delle immagini per ottenere una risposta magneto-ottica dai dati grezzi acquisiti.

Introduzione

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I modi elettromagnetici confinati nei cristalli fotonici possono derivare da una varietà di origini diverse, come le risonanze di plasmoniche intorno alle interfacce metallo/dielettriche o le risonanze Mie in nanostrutture dielettriche ad alto indice refrattivo1,2,3e possono essere progettate per apparire a frequenze specificamente definite4,5. La loro presenza dà origine a molti fenomeni affascinanti come le lacune delle bande fotoniche6,7,8, forte localizzazione fotonica9, luce lenta10 e coni Dirac11. La microscopia e la spettroscopia piani a quattro sono strumenti di base per la caratterizzazione delle nanostrutture fotoniche in quanto consentono di acquisire molte proprietà essenziali delle modalità confinate che si verificano in esse. Nella microscopia spaziale di Fourier, a differenza dell'imaging reale tradizionale del piano, le informazioni sono presentate come funzione delle coordinate angolari12,13. È alternativamente noto come imaging del piano focale posteriore (BFP) poiché la decomposizione angolare della luce emanata dal campione viene registrata dal piano focale posteriore dell'obiettivo del microscopio. Lo spettro angolare, cioè il modello di emissione di campo lontano del campione è legato allo slancio della luce che emana da esso (.. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . In particolare, rappresenta la sua distribuzione in piano (kx,ky)14.

Nei campioni magneto-otticamente attivi, è stata dimostrata la presenza di eccitazioni fotoniche confinate che si traducono in un notevole miglioramento della risposta magneto-ottica15,16,17,18,19. Gli effetti magneto-ottici dipendono dalla geometria reciproca del campo magnetico e dalla radiazione elettromagnetica incidente. Le geometrie magneto-ottiche più comunemente riscontrate per la luce linearmente polarizzata e la loro nomenclatura sono rappresentate nella Figura 1. Qui, dimostriamo una configurazione che può essere utilizzata per esplorare due effetti magneto-ottici che si osservano nella riflessione: gli effetti magneto-ottici incrociati e longitudinali, abbreviati, rispettivamente, come TMOKE e LMOKE. Il TMOKE è un effetto di intensità, in cui le riflessivi degli stati di magnetizzazione opposti sono diverse mentre LMOKE si manifesta come una rotazione dell'asse di polarizzazione della luce riflesso. Gli effetti si distinguono per l'orientamento della magnetizzazione rispetto all'incidenza della luce, dove per LMOKE, la magnetizzazione è orientata parallelamente alla componente in piano del vettore d'onda della luce mentre per TMOKE è trasversale ad essa. Per la luce normalmente incidente, entrambi i componenti in piano dello slancio della luce sono nulli (kx - ky - 0) e, di conseguenza, entrambi gli effetti sono zero. Le configurazioni in cui sono presenti entrambi gli effetti possono essere facilmente concepite. Tuttavia, per semplificare l'analisi dei dati, in questa dimostrazione ci limitiamo a situazioni in cui è presente solo uno degli effetti, vale a dire TMOKE.

Diverse configurazioni ottiche possono essere utilizzate per misurare la distribuzione angolare della luce emessa dai cristalli magnetofotonici. Ad esempio, in Kalish et al.20 e Borovkova et al.21, tale configurazione è stata utilizzata con successo nella geometria di trasmissione per svelare l'influenza del plasmon sui fenomeni magneto-ottici. A esempio, in Kurvits et al.22, alcune possibili configurazioni sono presentate per un microscopio che utilizza una lente obiettivo infinito corretto. Nella nostra configurazione, illustrato in Figura 2A, usiamo una lente a scopo infinito corretta in cui la luce proveniente da un determinato punto del campione è diretta dalla lente obiettivo in fasci collineari. Nella Figura 2A, le travi che emergono dall'alto (linee tratteggiate) e dalla parte inferiore (linee continue) dell'esempio sono illustrate in modo schematico. Quindi, un obiettivo di raccolta viene utilizzato per rifocalizzare questi raggi per formare un'immagine sul piano dell'immagine (IP). Una seconda lente, nota anche come lente Bertrand, viene quindi posizionata dopo il piano dell'immagine per separare la luce in entrata sul suo piano focale in componenti angolari, raffigurata nella Figura 2A in rosso, blu e nero. Da questo piano focale posteriore, la distribuzione angolare della luce emessa dal campione può essere misurata con una telecamera. In effetti, l'obiettivo Bertrand esegue una trasformazione di Fourier sul fascio di luce che arriva ad esso. La distribuzione dell'intensità spaziale al BFP corrisponde alla distribuzione angolare della radiazione incidente. Una mappa di riflessione dello spazio reciproco completa del campione può essere stabilita illuminando il campione con lo stesso obiettivo utilizzato per raccogliere la risposta del campione. Le travi in entrata e in uscita sono separate utilizzando uno splitter trave. La configurazione completa è illustrata nella Figura 3A. Per ottenere uno spettro, è necessaria una fonte di luce regolabile o un monocromatore. La misurazione può quindi essere ripetuta su diverse lunghezze d'onda, tenendo presente che a causa dello spettro delle sorgenti luminose standard, i risultati devono essere normalizzati alla riflettività di un campione di controllo. A questo scopo, si può usare uno specchio o una parte del campione che è stata volutamente lasciata senza motivo per consentire un'elevata riflettività. Per facilitare il posizionamento, viene illustrato come integrare l'installazione con un sistema ottico aggiuntivo che consente l'imaging nello spazio reale del campione, illustrato nella Figura 2B.

Ora procediamo a stabilire un metodo per misurare lo spettro magneto-ottico risolto angolare di un cristallo fotonico, utilizzando come campione rappresentativo, una griglia DVD coperta da una pellicola Au/Co/Au dove la presenza di cobalto ferromagnetico dà luogo a una notevole attività magneto-ottica23. La corrugazione periodica della griglia DVD consente risonanze di polarizione del plasmonon di superficie (SPP) a combinazioni di lunghezza d'onda e angolo d'onda
figure-introduction-1
dove n è l'indice di rifrazione dell'ambiente circostante, k0 il vettore d'onda della luce nello spazio libero,l'angolo di incidenza, d la periodicità della griglia e m è un numero intero che indica l'ordine dell'SPP. Il vettore d'onda SPP è dato da figure-introduction-2 dove sono i permessi dello strato metallico e dell'ambiente dielettrico circostante. A causa dello spessore della pellicola multistrato oro/cobalto, possiamo supporre che gli SPP siano eccitati solo in cima al film multistrato.

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Protocollo

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1. Montaggio della configurazione

  1. Ottica
    NOTA: Creare l'impostazione come illustrato nella Figura 3A su un tavolo ottico con sufficiente isolamento delle vibrazioni. Per evitare aberrazioni sferiche e di altro tipo, centrare tutti i componenti ottici (lenti, fori, ecc.) rispetto al fascio. La disposizione ottica è illustrata nella Figura 2 con le distanze tra i componenti indicate.
    1. Guidare la luce dalla sorgente di luce bianca a un monocromatore per ottenere un fascio di luce monocromatico. Vedere la Tabella dei materiali per informazioni dettagliate sull'impostazione utilizzata in questo lavoro. Impostare il monocromatico su una lunghezza d'onda con una buona intensità e visibilità, ad esempio 550 nm. Una lunghezza d'onda dalla parte visibile dello spettro rende più facile posizionare gli elementi ottici.
    2. Utilizzando una lente di accoppiamento, accoppiare la luce a una fibra e collila con un obiettivo alla terminazione della fibra. A seconda della sorgente luminosa utilizzata, questo passaggio può essere omesso.
    3. Posizionare un polarizzatore a 250 mm dalla lente di collisione per polarizzare linearmente il fascio e posizionare uno splitter a fascio di 100 mm dal polarizzatore per guidare la luce verso l'obiettivo del microscopio.
      NOTA: A causa del fascio collimato, le posizioni indicate dei componenti di cui sopra non influenzano l'ottica dell'impostazione di misurazione e sono fornite solo come guida.
    4. Posizionare il campione sul supporto del campione dotato di una fase di traslazione x-y-z e di una fase di rotazione che consente una rotazione del campione di 360 gradi intorno all'asse z, ovvero l'asse di luce che incide sul campione.
    5. Montare l'obiettivo su una fase di traslazione che consente il movimento in tre direzioni. Il più importante di questi è l'asse z che è necessario per concentrarsi sul campione.
      NOTA: l'attrezzatura necessaria per la traduzione dei campioni dipende dai campioni utilizzati. I campioni grandi e omogenei possono essere posizionati manualmente, mentre i campioni con una piccola area utile richiedono un posizionamento più attento, soprattutto quando si utilizza un foro stenopeico per limitare l'area di immagine (passaggio 1.1.7.). L'ottica del fascio che emerge dall'esempio è schematicamente illustrata nella Figura 2. L'obiettivo a forma di obiettivo corretto all'infinito dirige i fronti delle onde che emergono da ogni punto del campione in fasci collineari.
    6. Posizionare un obiettivo da collezione con f e 200 mm (obiettivo tubo), 330 mm dall'obiettivo per rifocalizzare i fasci per formare un'immagine sul piano dell'immagine. A causa della propagazione collineare della luce emastata dal campione, l'obiettivo del collettore può essere posizionato a qualsiasi distanza dalla lente obiettivo.
      NOTA: Come prima, la luce che emerge dalla lente obiettivo viene collimata. Tuttavia, l'obiettivo tubo deve essere posizionato dopo lo splitter fascio.
    7. Posizionare un foro stenopeico nel piano dell'immagine a 200 mm dall'obiettivo del raccoglitore per limitare la regione dell'immagine all'area modellata. Posizionare il foro stenopeico al centro della trave. Se si utilizza un foro stenopeico, utilizzare l'immagine dello spazio reale del campione per posizionarlo. Per i campioni in cui l'area modellata è più grande dell'area illuminata dal fascio di luce, questo non è necessario.
    8. Posizionate una seconda lente con f 75 mm (obiettivo Bertrand), 120 mm dopo il piano dell'immagine per creare una trasformazione di Fourier dei componenti angolari dell'immagine. La trasformazione viene creata al centro della seconda lente e ripresa con una telecamera sCMOS scientifica posizionata a 75 mm dall'obiettivo Bertrand.
    9. Solo per le misurazioni LMOKE, inserire un polarizzatore aggiuntivo con un angolo rispetto al primo polarizzatore tra lo splitter del fascio e l'obiettivo del collettore.
  2. Magnete
    1. Collegare il magnete a un alimentatore e montarlo in modo che il campo magnetico possa essere applicato sul campione. Scegliere se il campo magnetico viene applicato nella direzione longitudinale, trasversale o polare (Figura 1).
  3. Preparazione del campione
    1. Smontare meccanicamente un disco DVD commerciale; successivamente la superficie di grata esposta può essere facilmente identificata a causa delle sue proprietà diffrattive. Utilizzare un nastro adesivo per sbucciare i rivestimenti precedenti. Pulire la superficie, immergerla in etanolo per 10 min. La grata è ora pronta per ricevere un rivestimento magneto-plasmonico.
      NOTA: dischi ottici commerciali diversi come Blu-ray e COM, potrebbero aver bisogno di un protocollo di preparazione diverso.
    2. Depositare la pellicola metallica sulla griglia esposta mediante evaporazione del fascio di elettroni. Per garantire una bassa rugosità, utilizzare tassi di evaporazione inferiori a 5.
    3. A partire da uno strato adesivo Cr di 4 nm, deposito alternando strati d'oro e cobalto, finendo con uno strato di capping in oro per garantire la protezione dall'ossidazione.
      NOTA: è stato utilizzato il seguente numero di layer e spessori: Cr (4 nm)/Au (16 nm)/[Co (14 nm)/Au (16 nm)]
    4. Eseguire la microscopia ottica o elettronica (Figura 4A) per verificare le condizioni della superficie del campione, in caso di omogeneità e di scarsi difetti procedere con la misurazione.

2. Procedura di misurazione

  1. Posizionamento del campione
    NOTA: Come campione illustrativo, misureremo una griglia DVD ricoperta di pellicola magnetoplasmonica Au/Co/Au. A causa della corrugazione periodica della griglia, gli SPP possono essere eccitati a determinati angoli di incidenza in base alla lunghezza d'onda del fronte onda.
    1. Montare il campione sul supporto del campione utilizzando una piccola goccia di vernice d'argento. Lasciare asciugare la vernice d'argento per 10 min.
    2. Inserire uno specchio di capovolgimento dopo il piano dell'immagine per consentire l'imaging dello spazio reale del campione. Inserire un obiettivo L1 con f : 125 mm in modo che il piano dell'immagine sia a fuoco e posizionare L2 con f - 250 mm a 135 mm di distanza da L1.
    3. Infine, posiziona una telecamera CCD (charge-coupled device) a 210 mm da L2 per acquisire un'immagine ingrandita del piano dell'immagine. Spostare le lenti L1 e L2 fino a quando il foro stenopeico posizionato nel piano dell'immagine in buona messa a fuoco sulla fotocamera CCD.
    4. Spostare l'obiettivo verso il campione fino a quando il campione è a fuoco nella fotocamera CCD.
  2. Misurazione della riflettività ottica
    1. Utilizzando l'immagine dello spazio reale del campione, posizionate il punto luce su una parte riflettente (senza motivo) del campione. Capovolgere lo specchio a capo per vedere la BFP del microscopio.
      NOTA: Qui, per la griglia DVD usiamo la pellicola metallica continua sul bordo del disco DVD.
    2. Selezionare l'area del piano focale posteriore che corrisponde allo stato di polarizzazione desiderato. La relazione tra polarizzazione e posizione nel piano focale posteriore è illustrata nella Figura 3B. Selezionare un'area di interesse (AOI) come sezione trasversale rettangolare del piano focale posteriore dell'obiettivo (rettangolo blu nella Figura 3C)lungo l'asse che corrisponde alla polarizzazione DI TM.
      NOTA: Nel software di strumentazione utilizzato in questo manoscritto, questo si ottiene selezionando l'AOI utilizzando i selettori cursore. Il software quindi calcola la media delle intensità lungo la dimensione corta del rettangolo e tratta lo spettro risultante come una matrice 1D di dati in cui ogni punto di dati corrisponde a un angolo di emissione diverso del campione. Nelle griglie plasmoniche, solo la luce POLARizzata TM, cioè la radiazione EM con campo elettrico perpendicolare alle scanalature della griglia, può eccitare le risonanze del plasmone. Pertanto, a seconda dell'orientamento della griglia, è necessario selezionare lo stato di polarizzazione corretto scegliendo una sezione verticale o orizzontale del BFP.
    3. Misurare lo spettro della sorgente luminosa facendo clic su Misura spettro di normalizzazione, che verrà utilizzato in seguito per normalizzare i dati di riflettività misurati. Poiché ogni lunghezza d'onda produce un set 1D di punti dati, l'intero spettro della sorgente luminosa viene salvato come tensore 2D in cui ogni punto dati rappresenta una combinazione di lunghezza d'onda e angolo.
    4. Utilizzando nuovamente l'immagine dello spazio reale del campione, posizionate la sorgente luminosa sul cristallo fotonico di interesse. Quando si torna a BFP, assicurarsi che le modalità plasmone siano visibili come linee scure che attraversano il piano focale posteriore. Le linee si muovono quando la lunghezza d'onda della luce incidente viene modificata.
    5. Utilizzando le stesse impostazioni AOI e di misurazione (ad esempio, tempi di esposizione, numero di medie), misurare lo spettro di riflessione del cristallo fotonico facendo clic su Misura spettro di riflessione.
    6. Per tenere conto della variazione spettrale nell'intensità della sorgente luminosa, normalizzare lo spettro ottenuto dallo spettro della sorgente luminosa. Questo produrrà una matrice 2D di numeri da 0 a 1 dove 1 corrisponde a completamente riflettente e 0 a condizioni completamente assorbenti.
  3. Misurazione magneto-ottica
    1. Iniziare la misurazione magneto-ottico misurando un ciclo di isteresi utilizzando un angolo e una lunghezza d'onda che sono noti per corrispondere a una buona risposta magneto-ottica, di solito queste condizioni possono essere trovate vicino alle eccitazioni SPP. Per farlo, scegli un piccolo AOI vicino alle eccitazioni SPP e misura un singolo ciclo.
      NOTA: l'analisi dei dati necessaria per quantificare l'attività magneto-ottica dipende dal tipo di magnetismo esposto nel campione. Qui, assumiamo una risposta ferromagnetica e trattiamo i risultati di conseguenza. La risposta dia- o paramagnetica è essenzialmente lineare al campo magnetico applicato e può essere quantificata come cambiamento nelle proprietà ottiche per unità di campo magnetico applicata. I materiali ferromagnetici presentano un'acattività non lineare che richiede una considerazione aggiuntiva nella definizione della risposta magneto-ottica (vedere Figura 3D). Il TMOKE è definito come cambiamento nell'intensità riflessa come figure-protocol-1 funzione del campo magnetico applicato, cioè , dove I(M) è l'intensità riflessa dal campione nello stato di magnetizzazione M.
    2. Utilizzando il ciclo di isteresi misurato in 2.3.1., scegliere la gamma di campi magnetici da loop. Per i campioni ferromagnetici, eseguire il loop dei campi da uno stato completamente saturo a uno stato saturo opposto, estendendo comodamente l'intervallo sul campo di saturazione. Successivamente, utilizzare i punti misurati nello stato saturo per analizzare e rimuovere eventuali contributi dia- o paramagnetici che possono essere verificati dal loro contributo lineare.
    3. Infine, misurare l'intensità riflessa dal campione in ogni punto di campo magnetico definito, ripetendo su più anelli, se lo si desidera. Ogni lunghezza d'onda e punto di magnetizzazione producono una singola matrice 1D di dati numerici (cioè misurata intensità della luce) in cui ogni punto della matrice corrisponde a un angolo particolare.

3. Analisi dei dati

  1. Utilizzando il ciclo di isteresi del campione misurato al punto 2.3.1, assegnare ogni fotogramma misurato al passo 2.3.3. a uno degli stati saturi o allo stato intermedio (Figura 3C).
  2. Eliminare i fotogrammi intermedi e calcolare l'attività figure-protocol-2 magneto-ottica dalle intensità misurate di , in cui le operazioni vengono eseguite separatamente per ogni punto dati angolare e di lunghezza d'onda.
    NOTA: Poiché TMOKE è espresso come un cambiamento di intensità relativa, i risultati non devono essere normalizzati allo spettro della lampada.
  3. Se il campione presenta un'ampia attività paramagnetica (o più raramente diamagnetica) che deve essere sottratta per un confronto affidabile tra gli stati magnetici saturi, sottrarre il contributo lineare derivante dall'attività para- o diamagnetica linea (di nuovo, pixel separatamente per ogni angolo e punto di lunghezza d'onda) sui punti misurati a saturazione e rimuovere il contributo lineare.

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Risultati

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La figura 4A mostra un micrografico di microscopio elettronico a scansione (SEM) di una griglia DVD commerciale coperta con multistrato Au/Co/Au che è stata utilizzata un campione dimostrativo nei nostri esperimenti. I suoi spettri ottici e magneto-ottici sono mostrati rispettivamente in Figura 4B,C. I dettagli sulla fabbricazione del campione sono presentati altrove23. Le linee nere nella

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Discussione

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Abbiamo introdotto una configurazione di misurazione e un protocollo per ottenere spettri magneto-ottici risolti angolari di cristalli ottici. In particolare, è stato disposto il caso di materiali ferromagnetici, che richiede un'ulteriore analisi dei dati per tenere conto della permeabilità non lineare del materiale. La spettroscopia magneto-ottica risolta angolare presenta un ulteriore vantaggio rispetto ai metodi risolti non angolari che le modalità confinate possono essere identificate più facilmente in quanto appaion...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Riconosciamo il sostegno finanziario del ministro spagnolo di Econom è a y Competitividad attraverso progetti MAT2017-85232-R (AEI/FEDER,UE), Severo, (SEV-2015-0496) e dalla Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), dal CNPq – Brasile, e dalla Comissione europea (Marie Skaodowska-Curie IF EMPHASIS - DLV-748429).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Divisore di fascioThorlabsBSW27
Lente BertrandThorlabsLA1608f = 75 mm
CCD CameraThorlabs1500M-GE-TEFotocamera per immagini nello spazio reale
Lente di raccoltaThorlabsITL200f = 200 mm
Lente di collimazioneZeiss420640-9800Ingrandimento 10x NA 0.3
Flip specchioThorlabsCCM1-P01/M
Supporto per specchio ribaltabileThorlabsFM90/M
L1-lensThorlabsLA1986f = 125 mm
L2-lensThorlabsLA1461f = 250 mm
ObiettivoNikonMUE10500Ingrandimento 50x NA 0.8
PinholeThorlabsID8/M
PolarizzatoreThorlabsGTH10MPer le misurazioni LMOKE sono necessari due polarizzatori
sCMOS cameraAndorZYLA-4.2P-USB3

Riferimenti

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