Spectral og Angle-løst Magneto-Optical karakterisering av fotoniske nanostrukturer

Summary

Fotoniske band struktur gjør det mulig å forstå hvordan trange elektromagnetiske moduser overføres innenfor en fotoniske krystall. I fotoniske krystaller som innlemme magnetiske elementer, slik begrenset og resonans optiske moduser er ledsaget av forbedret og modifisert magneto-optisk aktivitet. Vi beskriver en måling prosedyre for å trekke ut Magneto-optiske bandet struktur av Fourier Space mikroskopi.

Abstract

Fotoniske krystaller er periodiske nanostrukturer som kan støtte en rekke trange elektromagnetiske moduser. Slike trange moduser er vanligvis ledsaget av lokale ekstrautstyr av elektrisk felt intensitet som styrker den lett-materie interaksjoner, slik at programmer som overflate-forbedret Raman spredning (SERS) og overflate Plasmon forbedret sensing. I nærvær av magneto-optisk aktivt materiale, den lokale felt forbedringen gir opphav til uregelrett magneto-optisk aktivitet. Vanligvis, begrenset moduser av en gitt fotoniske krystall avhenge sterkt på bølgelengde og forekomst vinkelen av hendelsen elektromagnetisk stråling. Dermed er Spectral og kantete-løst målinger nødvendig for å fullt ut identifisere dem så vel som å etablere sitt forhold til Magneto-optiske aktivitet av krystallen. I denne artikkelen beskriver vi hvordan du bruker en Fourier-Plane (tilbake fokalplanet) mikroskop for å karakterisere magneto-optisk aktive prøver. Som modell system, her bruker vi en plasmonic rist bygget av magneto-optisk aktiv au/co/au flerlags. I eksperimentene bruker vi et magnetfelt på risten in situ og måler dens gjensidige rom respons, og innhenter den Magneto responsen til risten over en rekke bølgelengder og hendelses vinkler. Denne informasjonen gjør det mulig for oss å bygge et komplett kart over plasmonic bånd struktur og vinkel og bølgelengde avhengig Magneto aktivitet. Disse to bildene gjør det mulig for oss å finne effekten som Plasmon resonanser har på Magneto-optiske responsen til risten. Den relativt lille omfanget av Magneto-optiske effekter krever en forsiktig behandling av ervervet optiske signaler. For dette formål er en bildebehandlings protokoll for å få magneto-optisk respons fra ervervet rådata lagt ut.

Introduction

Lukkede elektromagnetiske moduser i fotoniske krystaller kan oppstå fra en rekke ulike opphav, for eksempel Plasmon resonanser rundt metall/dielektrisk-grensesnitt eller Mie resonanser i høy brytningsindeks dielektrisk nanostrukturer^1,2,3, og kan utformes for å vises på spesifikt definerte frekvenser^4,5. Deres tilstedeværelse gir opphav til mange fascinerende fenomener som fotoniske band hullene^6,7,8, Strong Foton lokalisering⁹, langsom lys¹⁰ og Dirac kjegler¹¹. Fourier Plane mikroskopi og spektroskopi er grunnleggende verktøy for karakterisering av fotoniske nanostrukturer som de gjør det mulig å fange mange viktige egenskaper av trange moduser forekommende i dem. I Fourier Space mikroskopi, i motsetning til konvensjonelle virkelige flyet Imaging, informasjonen presenteres som funksjon av kantete koordinater^12,13. Det er alternativt kjent som back fokal Plane (BFP) Imaging som kantete nedbrytning av lyset som kommer fra prøven er registrert fra baksiden fokalplanet av mikroskop målet. Den kantete spektrum, dvs, langt felt utslipps mønster av prøven er knyttet til momentum av lys som kommer fra det (ħk). Spesielt representerer den sin in-plane momentum (k_x, k_y) distribusjon¹⁴.

I magneto-optisk aktive prøver har tilstedeværelsen av trange fotoniske excitations vist å føre til betydelig forbedring av magneto-optisk respons^{15,16,17,18,19}. Magneto-optiske effekter avhenger av gjensidig geometri av magnetfeltet og hendelsen elektromagnetisk stråling. Oftest møtte magneto-optisk geometri for lineært polarisert lys og deres nomenklatur er avbildet i figur 1. Her viser vi et oppsett som kan brukes til å utforske to Magneto-optiske effekter som er observert i refleksjon: tverrgående og langsgående Magneto-optiske Kerr-effekter, forkortet, henholdsvis som TMOKE og LMOKE. TMOKE er en intensitet effekt, der reflectivities av motstanderens magnetization statene er forskjellige mens LMOKE manifesterer som en rotasjon av reflektert lys polarisering aksen. Effektene er preget av orienteringen av magnetization med hensyn til lys forekomsten, der for LMOKE, er magnetization orientert parallelt med i flyet komponent av bølgen vektor av lyset mens for TMOKE det er tverrgående til det. For normalt hendelsen lys, både in-plane komponenter av momentum av lys er null (k_x = k_y = 0) og følgelig begge effektene er null. Konfigurasjoner der begge effektene er til stede kan lett unnfanget. Men for å forenkle dataanalyse, i denne demonstrasjonen begrenser vi oss til situasjoner der bare én av effektene er til stede, nemlig TMOKE.

Flere optiske konfigurasjoner kan brukes til å måle vinkel fordelingen av lys som slippes ut fra magnetophotonic krystaller. For eksempel, i Kalish et al.²⁰ og Borovkova et al.²¹, ble et slikt oppsett med hell brukt i overføring geometri å avsløre Plasmon innflytelse på Magneto-optiske fenomener. Som en illustrasjon, i Kurvits et al.²², er noen mulige konfigurasjoner presentert for et mikroskop som bruker en uendelig korrigert objektiv linse. I vår konfigurasjon, avbildet i figur 2A, bruker vi en Infinity korrigert linse hvor lyset som kommer fra et gitt punkt i prøven er regissert av objektivlinsen inn i kollineare bjelker. I figur 2A, bjelker fremvoksende fra toppen (stiplede linjer) og bunnen (heltrukne linjer) av prøven er skjematisk avbildet. Deretter brukes en oppsamlings linse til å fokusere disse bjelkene på igjen for å danne et bilde på bilde Planet (IP). En annen linse, også kjent som Bertrand linse, blir deretter plassert etter bildet flyet for å skille innkommende lys på sitt fokal fly i kantete komponenter, avbildet i figur 2A i rødt, blått og svart. Fra dette bakre fokalplanet kan den kantete fordelingen av lyset som slippes ut av prøven måles med et kamera. Effektivt, utfører Bertrand linsen en Fourier-Transform på lysstrålen som kommer til den. Den romlige intensiteten fordelingen på BFP tilsvarer kantete fordelingen av hendelsen stråling. En full gjensidige plass refleksjon kart av prøven kan etableres ved å belyse prøven med samme mål som brukes til å samle responsen av prøven. Den innkommende og ut går bjelker er separert ved hjelp av en bjelke splitter. Hele oppsettet er avbildet i Figur 3A. For å få et spektrum, en tunable lyskilde eller en monokromator er nødvendig. Målingen kan deretter gjentas over forskjellige bølgelengder, husk at på grunn av spekteret av standard lyskilder, må resultatene bli normalisert til Reflektivitet av en kontroll prøve. For dette formålet, kan man bruke et speil eller en del av prøven som har vært målbevisst venstre unpatterned å tillate en høy Reflektivitet. For å bistå i posisjonering, viser vi hvordan du integrerer oppsettet med en ekstra optisk system som muliggjør Real-plass Imaging av prøven, vist i figur 2B.

Vi nå fortsette å etablere en metode for å måle kantete løst Magneto-optiske spekteret av en fotoniske krystall, bruker som en representativ prøve, en DVD rist dekket med en au/co/au film der tilstedeværelsen av ferromagnetisk kobolt gir opphav til betydelig Magneto-optiske aktivitet²³. Den periodiske korrugeringen av DVD-risten muliggjør overflate Plasmon polariton (SPP) resonanser på distinkte bølgelengde-vinkel kombinasjoner som er gitt av

der n er brytningsindeksen i omgivelsene, k₀ bølge vektoren av lys i ledig plass, θ₀ forekomst vinkelen, d periodisitet av risten og m er et heltall som betegner rekkefølgen på spp. Det SPP bølge vektor er gitt av der hvor ε₁ og ε₂ er permittivities av det metallisk lag og det omringer dielektrisk omgivelsene. På grunn av tykkelsen på gull/kobolt flerlags film, kan vi anta at SPPer er bare spent på toppen av flerlags film.

Protocol

1. montering av oppsettet OptikkMerk: Bygg oppsettet slik det er avbildet i Figur 3A på en optisk tabell med tilstrekkelig vibrasjons isolering. For å unngå sfæriske og andre avvik, midtstille alle de optiske komponentene (linser, pinholes etc.) med hensyn til strålen. Den optiske ordningen vises i figur 2 med avstandene mellom de indikerte komponentene. Guide lyset fra den hvite lyskilden til en monok…

Representative Results

Figur 4a viser et SKANNE elektronmikroskop (SEM) MIKROSKOP av en kommersiell DVD rist dekket med au/co/au flerlags som ble brukt en demonstrasjon prøve i våre eksperimenter. Den optiske og Magneto-optiske Spectra er vist i henholdsvis Figur 4B, C . Detaljer om prøvetaking fabrikasjon er presentert andre steder23. Svarte linjer i Figur 4A, B viser Plasmon s…

Discussion

Vi har innført et målings oppsett og protokoll for å oppnå kantete løst Magneto-optiske Spectra av optiske krystaller. Spesielt tilfelle av ferromagnetisk materialer, som krever ytterligere dataanalyse for å gjøre rede for den ikke-lineær permeabilitet av materialet, har blitt lagt ut. Kantete løst Magneto-optiske spektroskopi presenterer en ekstra fordel over ikke-kantete løst metoder som de trange moduser kan bli lettere identifiseres som de vises som klart definerte band i både optiske og Magneto-optiske Sp…

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