光子纳米结构的光谱和角度解析磁-光学特性

Summary

光子带结构有助于了解闭用电磁模式如何在光子晶体中传播。在包含磁性元件的光子晶体中，这种闭锁和共振光学模式伴随着增强和修饰的磁光活性。我们描述了一个测量过程，通过傅立叶空间显微镜提取磁光带结构。

Abstract

光子晶体是周期性纳米结构，可以支持各种闭塞电磁模式。这种封闭模式通常伴随着局部增强的电场强度，从而加强光物质相互作用，从而实现表面增强拉曼散射（SERS）和表面质子增强传感等应用。在存在磁光活性材料的情况下，局部场增强产生异常磁光活性。通常，给定光子晶体的闭合模式在很大程度上取决于入射电磁辐射的波长和入射角。因此，需要光谱和角分辨率测量来完全识别它们，并建立它们与晶体的磁光活性的关系。在本文中，我们将介绍如何使用傅立叶平面（后焦平面）显微镜来描述磁光学活性样品。作为一个模型系统，我们在这里使用由磁光有源Au/Co/Au多层构建的质子光栅。在实验中，我们在原位对光栅施加磁场，并测量其对等空间响应，获得光栅在波长和事件角度范围内的磁光响应。这些信息使我们能够建立光栅的质子带结构以及角度和波长相关磁光活性的完整图谱。这两幅图像使我们能够精确定位质子共振对光栅的磁光反应的影响。磁光效应相对较小，需要对采集的光信号进行仔细处理。为此，提出了从采集的原始数据获取磁光响应的图像处理协议。

Introduction

光子晶体中的封闭电磁模式可能来自各种不同的起源，例如金属/电接口周围的等离子体共振或高折射率介电纳米^{结构1、2、3}中的Mie共振，并可设计为以特定定义^{的频率4、5}出现。它们的存在产生了许多迷人的现象，如光子带间隙6，7，8，强光子^定位9，慢^光10和狄拉克^锥11。傅立叶平面显微镜和光谱学是光子纳米结构表征的基本工具，因为它们能够捕获其中发生的封闭模式的许多基本特性。在傅立叶空间显微镜中，与传统的真实平面成像相比，信息以角^{坐标12、13}的函数的形式呈现。它也被称为后焦平面（BFP）成像，因为从显微镜物镜的后焦平面记录出样品发出的光的角分解。角光谱，即样品的远场发射模式与从它发出的光动量（[k] ） 相关。特别是，它代表其平面内动量 （k_x，k_y）分布¹⁴。

在磁光有源样品中，有密闭的光子激发的存在，可以大大增强磁光响应15、16、17、18、19。磁光效应取决于磁场和事件电磁辐射的相互几何形状。图1中描述了线性偏振光及其命名法中最常遇到的磁光几何形状。在这里，我们演示了一个设置，可用于探索在反射中观察到的两种磁光效应：横向和纵向磁光克尔效应，分别缩写为TMOKE和LMOKE。TMOKE 是一种强度效应，其中相对磁化状态的反射度不同，而 LMOKE 表现为反射光极化轴的旋转。其效果由磁化相对于光入射的方向来区分，对于LMOKE，磁化与光波矢量的平面内分量平行，而对于TMOKE，则与它相平行。对于通常的射像光，光动量的平面内分量均为空（k_x = k_y = 0），因此，两个效应均为零。可以很容易地设想出同时存在这两种效应的配置。但是，为了简化数据分析，在本演示中，我们仅限于仅存在一种影响的情况，即 TMOKE。

多种光学配置可用于测量磁光子晶体发出的光的角分布。例如，在Kalish^等人20和博罗夫科娃^等人21，这种设置成功地用于传输几何，以揭示质子对磁光现象的影响。例如，在Kurvits^等人22中，为使用无穷大校正物镜的显微镜提供了一些可能的配置。在图 2A所示的配置中，我们使用无穷大校正透镜，其中来自样本中给定点的光由物镜定向到共线光束中。在图 2A中 ，从顶部（虚线）和样本底部（实线）出现的光束进行了图式描述。然后，使用收集镜头对这些光束重新聚焦，以在图像平面 （IP） 上形成图像。第二个透镜，也称为 Bertrand 透镜，然后放置在图像平面之后，将焦平面上的入射光分离成角度组件，如图 2A所示，红色、蓝色和黑色。从这个后焦平面，样品发出的光的角度分布可以通过相机测量。实际上，贝特朗镜头对到达它的光束执行傅立叶变换。BFP 的空间强度分布对应于事件辐射的角分布。通过用与收集样品响应相同的目标照亮样品，可以建立样品的完全倒数空间反射图。传入和流出的光束使用分束器进行分离。完整的设置如图3A 所示。为了获得光谱，需要可调光源或单色器。然后，测量可以在不同的波长上重复，请记住，由于标准光源的光谱，结果需要归一化为控制样品的反射率。为此，可以使用镜像或已特意未图案的样本的一部分，以允许高反射率。为了协助定位，我们展示了如何将设置与额外的光学系统集成，从而对样品进行实时空间成像，如图2B所示。

我们现在着手建立一种测量光子晶体角解磁光光谱的方法，使用作为代表性样品的DVD光栅覆盖在Au/Co/Au薄膜上，其中铁磁钴的存在引起相当大的磁光^活性23。DVD 光栅的周期性波纹使表面质子极性子 （SPP） 共振在不同波长角组合下，由

其中n是周围环境的折射率，k₀是自由空间中光的波向量，±₀是入射角，d是光栅的周期性，m是表示 SPP 顺序的整数。 SPP波向量由+1和+2是金属层和周围介电环境的允许性。由于金/钴多层薄膜的厚度，我们可以假设SSP只在多层薄膜上激发。

Protocol

1. 安装设置 光学注： 在具有足够振动隔离的光学表上构建如图 3A所示的设置。为了避免球面和其他畸变，请将所有光学元件（透镜、针孔等）与光束聚焦。光学布置如图2所示，其中显示了元件之间的距离。 将光从白色光源引导到单色器，以获得单色光束。有关此工作中使用的设置的详细信息，请参阅?…

Representative Results

图 4A显示了一个带有 Au/Co/Au 多层覆盖的商业 DVD 光栅的扫描电子显微镜 （SEM） 显微图，该微光图在我们的实验中使用了演示样本。其光学光谱和磁光光谱分别如图4B，C所示。 有关样品制造详情的详情载于其他部分23。图4A，B中的黑线显示了从方程1计算的质子分散关系。Au/C…

Discussion

我们引入了测量设置和协议，以获得光学晶体的角解析磁光光谱。特别是，对铁磁性材料的情况进行了阐述，它需要额外的数据分析，以考虑材料的非线性渗透性。与非角解析方法（在光学和磁光光谱中显示为明确定义的频段）时，角解析磁光光谱具有额外的优势，即闭合模式可以更容易识别。我们在这里展示的方法可以很容易地适应各种光子晶体，并不限于表面质子共振。

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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