光子纳米结构的光谱与角度分辨磁光表征

摘要

光子能带结构能够帮助理解受限电磁模式在光子晶体中的传播方式。在包含磁性元素的光子晶体中，这些受限且共振的光学模式伴随着增强和改变的磁光效应。我们描述了一种通过傅里叶空间显微术提取磁光能带结构的测量方法。

摘要

光子晶体是一类能够支持多种受限电磁模式的周期性纳米结构。这类受限模式通常伴随着电场强度的局域增强，从而增强光与物质的相互作用，使得表面增强拉曼散射（SERS）和表面等离激元增强传感等应用成为可能。当存在磁光活性材料时，局域场增强会引发反常的磁光效应。通常情况下，特定光子晶体的受限模式强烈依赖于入射电磁辐射的波长和入射角。因此，需要进行光谱和角度分辨测量，以全面识别这些模式，并建立其与晶体磁光活性之间的关系。本文中，我们描述了如何利用傅里叶面（后焦面）显微镜对磁光活性样品进行表征。以等离激元光栅作为模型体系，该光栅由磁光活性的Au/Co/Au多层结构构成。在实验中，我们原位对光栅施加磁场，并测量其倒易空间响应，从而获得该光栅在不同波长和入射角下的磁光响应。这些信息使我们能够构建出该光栅完整的等离激元能带结构图，以及角度和波长依赖的磁光活性图。通过这两幅图像，我们可以准确确定等离激元共振对光栅磁光响应的影响。由于磁光效应的幅度通常较小，因此需要对获取的光学信号进行细致处理。为此，本文提供了一套从原始数据中提取磁光响应的图像处理流程。

引言

光子晶体中的受限电磁模式可能源于多种不同机制，例如金属/介质界面附近的等离激元共振，或高折射率介质纳米结构中的米氏共振^1,2,3，并且可被设计为在特定定义的频率处出现^4,5。这些模式的存在导致了许多引人注目的现象，如光子带隙^6,7,8、强光子局域化⁹、慢光效应¹⁰以及狄拉克锥¹¹。傅里叶平面显微术与光谱学是表征光子纳米结构的基本工具，因其能够捕捉其中出现的受限模式的诸多关键特性。在傅里叶空间显微术中，与传统的实空间成像不同，信息以角度坐标的函数形式呈现^12,13。该技术也被称为后焦平面（BFP）成像，因为从样品发出的光的角度分布信息是在显微镜物镜的后焦平面上记录的。角谱，即样品的远场辐射图....

方案

1. 安装实验装置

1. 光学
   注意：按照图中所示构建装置 图3A 放置在具有足够隔振效果的光学平台上。为避免球面像差及其他像差，需将所有光学元件（如透镜、针孔等）相对于光束进行中心对准。光学装置示意图如图所示。 图2 各组分之间的距离已标明。
   1. 将白光源发出的光引导至单色仪，以获得单色光束。参见 材料表 有关本研究中所用装置的详细信息，请参见相关说明。将单色仪设置为具有较强强度和良好可见度的波长，例如 550 nm。使用光谱的可见光区域中的波长有助于更方便地调整光学元件的位置。
   2. 使用耦合透镜将光耦合至光纤，并在光纤末端利用物镜对光进行准直。根据所用光源的不同，此步骤可省略。
   3. 在准直透镜前方250 mm处放置一个偏振器，以实现光束的线性偏振，并在偏振器前方100 mm处放置一个分束器，将光引导至显微镜物镜。
      注意：由于使用准直光束，上述组件的标示位置不会影响测量装置的光学性能，仅用于指导。
   4. 将样品置于配备有x-y-z三维平移台和旋转台的样品 holder 上，其中旋转台可实现样品绕z轴（即入射光照射样品的方向）进行360度旋转。
   5. 将物镜安装在可实现三个方向移动的平移....

结果

图4A展示了商用DVD光栅的扫描电子显微镜（SEM）显微图像，该光栅上覆盖有Au/Co/Au多层膜，用作实验中的演示样品。其光学和磁光谱分别如图4B,C所示。样品制备的详细信息见其他文献²³。在图4A,B中，黑色线条表示根据公式1计算得到的表面等离激元色散关系。Au/Co/Au多层膜的介电常数数据取自Cichelero等人²⁴的补充数据文件1，其中使用光谱椭偏仪测量了类似的多层膜结构。光栅周期设为740 nm。计算得到的色散曲线对应于图4A中反射率显著下降的凹陷，该现象源于入射辐射被转化为表面等离激元并通过欧姆阻尼耗散。

讨论

我们介绍了一种用于获取光学晶体角分辨磁光谱的测量装置与实验方案。特别地，针对需要额外数据分析以考虑材料非线性磁导率的铁磁材料情况，本文已进行了详细阐述。相较于非角分辨方法，角分辨磁光谱具有额外优势：受限模式能够更易于被识别，因为它们在光学谱和磁光谱中均表现为清晰定义的谱带。本文所展示的方法可轻松推广至多种类型的光子晶体，并不仅限于表面等离激元共振。

对该技术最常见的改进是将其调整用于测量纵向和/或极向克尔效应，这些效应表现为偏振旋转而非强度变化。为了测量偏振旋转，必须在分束器和收集透镜之间放置一个额外的偏振片，使相机检测到的强度与偏振旋转成正比。该偏振片应与入射到样品上的光的偏振方向成45°角放置，以最大化磁光信号²⁷。

测量技术中的常见问题包括样品安装不当，导致在施加磁场时样品发生移动。若样品 holder 使用铁等磁性金属，该问题会进一步加剧。即使少量磁性金属（例如小螺丝）也可能引起运动，完全掩盖磁光效应。样品移动通常会导致出现“香蕉状”的错误磁滞回线。因此，在安装样品时必须.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
分束器	Thorlabs	BSW27
伯特兰透镜	Thorlabs	LA1608	f = 75 mm
CCD相机	Thorlabs	1500M-GE-TE	用于实空间成像的相机
收集透镜	Thorlabs	ITL200	f = 200 mm
准直透镜	Zeiss	420640-9800	放大倍数 10x，数值孔径 0.3
翻转镜	Thorlabs	CCM1-P01/M
翻转镜支架	Thorlabs	FM90/M
L1透镜	Thorlabs	LA1986	f = 125 mm
L2透镜	Thorlabs	LA1461	f = 250 mm
物镜	Nikon	MUE10500	放大倍数 50x，数值孔径 0.8
针孔	Thorlabs	ID8/M
偏振器	Thorlabs	GTH10M	用于纵向磁光克尔效应（LMOKE）测量，需要两个偏振器
sCMOS相机	Andor	ZYLA-4.2P-USB3