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

Summary

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

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.

Introduction

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 refrattivo^1,2,3e possono essere progettate per apparire a frequenze specificamente definite^4,5. La loro presenza dà origine a molti fenomeni affascinanti come le lacune delle bande fotoniche^6,7,8, 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 angolari^12,13. 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 (k_x,k_y)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-ottica^15,16,17^,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 (k_x – k_y – 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

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 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.

Protocol

1. Montaggio della configurazione OtticaNOTA: 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. Guidare la luce dalla sor…

Representative Results

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 <strong class=…

Discussion

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 app…

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