Caracterização magneto-óptica espectral e de ângulo-resolvido de nanoestruturas fotônicas

Summary

A estrutura da banda fotônica permite entender como os modos eletromagnéticos confinados se propagam dentro de um cristal fotônico. Em cristais fotônicos que incorporam elementos magnéticos, tais modos ópticos confinados e ressonantes são acompanhados por atividade magneto-óptica aprimorada e modificada. Descrevemos um procedimento de medição para extrair a estrutura da banda magneto-óptica pela microscopia espacial Fourier.

Abstract

Cristais fotônicos são nanoestruturas periódicas que podem suportar uma variedade de modos eletromagnéticos confinados. Tais modos confinados são geralmente acompanhados por aprimoramento local da intensidade do campo elétrico que fortalece as interações de matéria-luz, permitindo aplicações como dispersão de Raman (SERS) aprimorada na superfície e sensoriamento de plasmon de superfície. Na presença de materiais magneto-opticamente ativos, o aprimoramento de campo local dá origem a atividade magneto-óptica anômala. Normalmente, os modos confinados de um determinado cristal fotônico dependem fortemente do comprimento de onda e do ângulo de incidência da radiação eletromagnética incidente. Assim, medidas espectrais e angulares resolvidas são necessárias para identificá-las plenamente, bem como para estabelecer sua relação com a atividade magneto-óptica do cristal. Neste artigo, descrevemos como usar um microscópio fourier-plano (plano focal traseiro) para caracterizar amostras magneto-opticamente ativas. Como um sistema modelo, aqui usamos uma grade plasmônica construída a partir de magneto-opticamente ativo Au / Co / Au multilayer. Nos experimentos, aplicamos um campo magnético na grade in situ e medimos sua resposta recíproca do espaço, obtendo a resposta magneto-óptica da grade sobre uma gama de comprimentos de onda e ângulos de incidentes. Esta informação permite-nos construir um mapa completo da estrutura da banda plasmônica da grade e do ângulo e comprimento de onda dependente atividade magneto-óptica. Estas duas imagens nos permitem identificar o efeito que as ressonâncias plasmon têm sobre a resposta magneto-óptica da grade. A magnitude relativamente pequena dos efeitos magneto-ópticos requer um tratamento cuidadoso dos sinais ópticos adquiridos. Para este fim, um protocolo de processamento de imagem para a obtenção de resposta magneto-óptica dos dados brutos adquiridos é definido.

Introduction

Modos eletromagnéticos confinados em cristais fotônicos podem surgir de uma variedade de origens diferentes, como ressonâncias plasmon em torno de interfaces metálicas/dielétricas ou ressonâncias mie em alto índice refrativo nanoestruturas dielétricas^1,2,3,e podem ser projetadas para aparecer em frequências especificamente definidas^4,5. Sua presença dá origem a muitos fenômenos fascinantes, como as lacunasbanda fotônica^6,7^,8, forte localização fóton 9 , luz lenta¹⁰ e cones Dirac¹¹. Microscopia de plano fourier e espectroscopia são ferramentas básicas para caracterização de nanoestruturas fotônicas, pois permitem capturar muitas propriedades essenciais de modos confinados que ocorrem neles. Na microscopia espacial Fourier, em oposição à imagem real convencional do plano, a informação é apresentada como função das coordenadas angulares^12,13. É alternativamente conhecido como plano focal traseiro (BFP) imagem como a decomposição angular da luz que emana da amostra é registrada a partir do plano focal de volta do objetivo microscópio. O espectro angular, ou seja, o padrão de emissão de campo distante da amostra está relacionado ao impulso de luz que emana dele(k). Em particular, ele representa o seu impulso no avião (k_x,k_y)distribuição¹⁴.

Em amostras magneto-opticamente ativas, a presença de excitações fotônicas confinadas tem demonstrado resultar em considerável aprimoramento da resposta magneto-óptica^{15,16,17,18,19}. Os efeitos magneto-ópticos dependem da geometria mútua do campo magnético e da radiação eletromagnética incidente. Geometrias magneto-ópticas mais comumente encontradas para luz polarizada linearmente e sua nomenclatura são retratadas na Figura 1. Aqui, demonstramos uma configuração que pode ser usada para explorar dois efeitos magneto-ópticos que são observados em reflexão: efeitos magnético-ópticos transmissíveis e longitudinais kerr, abreviados, respectivamente, como TMOKE e LMOKE. O TMOKE é um efeito de intensidade, onde as refletições dos estados de magnetização opostos são diferentes, enquanto o LMOKE se manifesta como uma rotação do eixo de polarização de luz refletida. Os efeitos são distinguidos pela orientação da magnetização no que diz respeito à incidência de luz, onde para o LMOKE, a magnetização é orientada paralela ao componente plano do vetor de onda da luz, enquanto para o TMOKE é transversal a ela. Para a luz normalmente incidente, ambos os componentes no plano do impulso da luz são nulos (k_x = k_y = 0) e, conseqüentemente, ambos os efeitos são zero. Configurações onde ambos os efeitos estão presentes podem ser facilmente concebidas. No entanto, para simplificar a análise de dados, nesta demonstração limitamo-nos a situações em que apenas um dos efeitos está presente, ou seja, TMOKE.

Várias configurações ópticas podem ser usadas para medir a distribuição angular da luz emitida a partir de cristais magnetofotônicos. Por exemplo, em Kalish et al.²⁰ e Borovkova et al.²¹, tal configuração foi usada com sucesso na geometria da transmissão para desvendar a influência plasmon em fenômenos magneto-ópticos. Como ilustração, em Kurvits et al.^22,algumas configurações possíveis são apresentadas para um microscópio que usa uma lente objetiva corrigida pelo infinito. Em nossa configuração, retratada na Figura 2A,usamos uma lente corrigida pelo infinito, onde a luz proveniente de um determinado ponto da amostra é direcionada pela lente objetiva em feixes colline. Na Figura 2A,feixes emergindo do topo (linhas tracejadas) e do fundo (linhas sólidas) da amostra são descritos esquematicamente. Em seguida, uma lente de coleta é usada para reorientar esses feixes para formar uma imagem no plano de imagem (IP). Uma segunda lente, também conhecida como lente Bertrand, é então colocada após o plano de imagem para separar a luz de entrada em seu plano focal em componentes angulares, retratado na Figura 2A em vermelho, azul e preto. A partir deste plano focal de volta, a distribuição angular da luz emitida pela amostra pode ser medida com uma câmera. Efetivamente, a lente Bertrand realiza uma transformação Fourier no feixe de luz que chega a ele. A distribuição de intensidade espacial no BFP corresponde à distribuição angular da radiação incidente. Um mapa de reflexão recíproca completa do espaço da amostra pode ser estabelecido iluminando a amostra com o mesmo objetivo que é utilizado para coletar a resposta da amostra. As vigas indo e fora são separadas usando um divisor de feixe. A configuração completa é retratada na Figura 3A. Para obter um espectro, uma fonte de luz tunable ou um monochromator são necessários. A medida pode então ser repetida sobre comprimentos de onda diferentes, tendo em mente que, devido ao espectro de fontes de luz padrão, os resultados precisam ser normalizados para a refletividade de uma amostra de controle. Para este fim, pode-se usar um espelho ou uma parte da amostra que foi propositadamente deixada sem padrão para permitir uma alta refletividade. Para auxiliar no posicionamento, mostramos como integrar a configuração com um sistema óptico adicional que permite imagens do espaço real da amostra, mostrada na Figura 2B.

Agora passamos a estabelecer um método para medir o espectro magneto-óptico resolvido angular de um cristal fotônico, usando como uma amostra representativa, uma grade de DVD coberta com um filme Au/Co/Au onde a presença de cobalto ferromagnético dá origem a considerável atividade magneto-óptica²³. A corrugação periódica da grade de DVD permite ressonâncias de polariton plasmon superficial (SPP) em combinações distintas de comprimento de onda-ângulo que são dadas por

onde n é o índice refrativo do ambiente circundante, k₀ o vetor de onda de luz no espaço livre, θ₀ o ângulo de incidência, d a periodicidade da grade e m é um inteiro que denota a ordem do SPP. O vetor da onda do SPP é dado por onde o ε₁ e o ε₂ são os permittivities da camada metálica e do ambiente dielétrico circunvizinho. Devido à espessura do filme multicamada de ouro / cobalto, podemos supor que SPPs só estão animados em cima do filme multicamada.

Protocol

1. Montagem da configuração ÓpticaNOTA: Construa a configuração como descrito na Figura 3A em uma mesa óptica com isolamento de vibração suficiente. Para evitar aberrações esféricas e outras, centralie todos os componentes óticos (lentes, pinholes etc.) com respeito ao feixe. O arranjo óptico é mostrado na Figura 2 com as distâncias entre os componentes indicados. Guie a luz da fonte de luz b…

Representative Results

A Figura 4A mostra uma micrografia de microscópio eletrônico de varredura (SEM) de uma grade de DVD comercial coberta com multicamada Au/Co/Au que foi usada uma amostra de demonstração em nossos experimentos. Seus espectros ópticos e magneto-ópticos são mostrados na Figura 4B,C, respectivamente. Detalhes sobre a fabricação da amostra são apresentados em outros lugares23. As linhas pretas na <str…

Discussion

Introduzimos uma configuração de medição e protocolo para obter espectros magneto-ópticos definidos angulares de cristais ópticos. Em particular, o caso de materiais ferromagnéticos, que requer análise de dados adicionais para dar conta da permeabilidade não linear do material, foi definido. A espectroscopia magneto-óptica resolvida angular apresenta uma vantagem adicional sobre métodos resolvidos não angulares de que os modos confinados podem ser mais facilmente identificados, pois aparecem como bandas clara…

Materials

Beam splitter	Thorlabs	BSW27
Bertrand lens	Thorlabs	LA1608	f = 75 mm
CCD Camera	Thorlabs	1500M-GE-TE	Camera for real space imaging
Collecting lens	Thorlabs	ITL200	f = 200 mm
Collimating lens	Zeiss	420640-9800	Magnification 10x NA 0.3
Flip mirror	Thorlabs	CCM1-P01/M
Flip mirror mount	Thorlabs	FM90/M
L1-lens	Thorlabs	LA1986	f = 125 mm
L2-lens	Thorlabs	LA1461	f = 250 mm
Objective lens	Nikon	MUE10500	Magnification 50x NA 0.8
Pinhole	Thorlabs	ID8/M
Polarizer	Thorlabs	GTH10M	For LMOKE measurements, two polarizers are needed
sCMOS camera	Andor	ZYLA-4.2P-USB3