Спектральная и угловая магнитооптическая характеристика фотонных наноструктур

Summary

Структура фотонической полосы позволяет понять, как ограниченные электромагнитные режимы распространяются в фотоническом кристалле. В фотонных кристаллах, которые включают магнитные элементы, такие замкнутые и резонансные оптические режимы сопровождаются усиленной и модифицированной магнито-оптической активностью. Мы описываем процедуру измерения для извлечения магнито-оптической структуры полосы с помощью космической микроскопии Фурье.

Abstract

Фотонические кристаллы являются периодическими наноструктурами, которые могут поддерживать различные ограниченные электромагнитные режимы. Такие замкнутые режимы обычно сопровождаются локальным повышением интенсивности электрического поля, что укрепляет взаимодействие световой материи, позволяя приложениям, таким как поверхностное рассеяние Раман (SERS) и улучшение плазмонов поверхности. При наличии магнито-оптически активных материалов, локальное улучшение поля приводит к аномальной магнито-оптической активности. Как правило, ограниченные режимы данного фотонных кристаллов сильно зависят от длины волны и угла частоты инцидента электромагнитного излучения. Таким образом, для их полной идентификации, а также для установления их связи с магнитооптической активностью кристалла необходимы спектральные и угловато-разрешенные измерения. В этой статье мы описываем, как использовать микроскоп Fourier-plane (задний фокусный самолет) для характеристики магнито-оптически активных образцов. В качестве модели системы, здесь мы используем плазмонную решетку, построенную из магнито-оптически активного многослойного Au/Co/Au. В экспериментах мы применяем магнитное поле на решетке на месте и измеряем его ответ на взаимное пространство, получая магнитооптическую реакцию решетки на диапазон длин волн и углов инцидента. Эта информация позволяет нам создать полную карту плазмонной структуры полосы решетки и угла и длины волны зависимой магнито-оптической активности. Эти два изображения позволяют нам определить влияние, которое плазмонные резонансы оказывают на магнито-оптический ответ решетки. Относительно небольшая величина магнитооптических эффектов требует тщательного обработки приобретенных оптических сигналов. С этой целью выкладывается протокол обработки изображений для получения магнитооптического ответа от полученных необработанных данных.

Introduction

Ограниченные электромагнитные режимы в фотонных кристаллах могут возникнуть из различных истоков, таких как плазмонные резонансы вокруг металлических/диэлектрических интерфейсов или резонансы Mie в высокорепрелодействующих индексных диэлектрических наноструктурах^1,2,3,и могут быть разработаны, чтобы появиться на специально определенных частотах^4,5. Их присутствие приводит к многим увлекательным явлениям, таким как фотонические пробелы полосы^6,7,8,сильная локализация фотона^9,медленный свет¹⁰ и конусы Дирака¹¹. Четырехмерная микроскопия и спектроскопия самолета являются основными инструментами для характеристики фотонных наноструктур, поскольку они позволяют захватывать многие существенные свойства ограниченных режимов, происходящих в них. В космической микроскопии Фурье, в отличие от обычной реальной плоскости изображения, информация представлена как функция угловых координат^12,13. Это также известный как задняя фокусная плоскость (BFP) изображения, как угловое разложение света, иссисходяго из образца регистрируется из задней фокусной плоскости микроскопа цели. Угловой спектр, т.е. схема излучения в дальней области образца, связан с импульсом света, исполнимого из него(к). В частности, он представляет свой в плоскости импульс (k_x,k_y) распределение¹⁴.

В магнито-оптически активных образцах, наличие ограниченных фотонных возбуждений, как было показано, приводит к значительному улучшению магнито-оптического ответа^{15,16,17,18,19}. Магнитно-оптические эффекты зависят от взаимной геометрии магнитного поля и инцидента электромагнитного излучения. Нарисунка на рисунке 1магнитооптические геометрии линейно поляризованного света и их номенклатуры. Здесь мы демонстрируем установку, которая может быть использована для изучения двух магнито-оптических эффектов, которые наблюдаются в отражении: поперечные и продольные эффекты магнито-оптического Керра, сокращенно, соответственно, как TMOKE и LMOKE. TMOKE – это эффект интенсивности, где отражательные эффекты противоположных состояний намагниченности различны, в то время как LMOKE проявляется как вращение оси поляризации отраженного света. Эффекты отличаются ориентацией намагниченности по отношению к заболеваемости светом, где для LMOKE, намагничивание ориентировано параллельно в плоскости компонента вектора волны света пока для TMOKE оно поперечно к ему. Для нормального света инцидента оба в плоскости компоненты импульса света являются нулевыми (k_x q k_y 0) и, следовательно, оба эффекта равны нулю. Конфигурации, где оба эффекта присутствуют можно легко зачат. Однако, чтобы упростить анализ данных, в этой демонстрации мы ограничиваемся ситуациями, когда присутствует только один из эффектов, а именно TMOKE.

Несколько оптических конфигураций могут быть использованы для измерения углового распределения света, излучаемого из магнитофотонных кристаллов. Например, в Kalish et al.²⁰ и Боровкове и др.²¹такая установка была успешно использована в геометрии трансмиссии для того, чтобы раскрыть плазмонное влияние на магнитооптические явления. В качестве иллюстрации в Kurvits et al.²²некоторые возможные конфигурации представлены для микроскопа, использующему объектив объективной линзы с исправленной бесконечностью. В нашей конфигурации, изображенной на рисунке 2A,мы используем экран из-под исправления бесконечности, где свет, исходящий от данной точки в образце, направлен объективом в коллинеарные лучи. На рисунке 2A,лучи, возникающие сверху (разбитые линии) и нижние (твердые линии) образца схематично изображены. Затем, собирая объектив использован для того чтобы переориентировать эти лучи для того чтобы сформировать изображение на плоскости изображения (IP). Второй объектив, также известный как объектив Бертрана, помещается после плоскости изображения, чтобы отделить входящий свет в фокусной плоскости на угловые компоненты, изображенные на рисунке 2А в красном, синем и черном цвете. Из этой задней фокусной плоскости угловое распределение света, излучаемого образцом, может быть измерено с помощью камеры. Фактически, объектив Bertrand выполняет преобразование Фурье на световом луче, прибосьявающее к нему. Распределение пространственной интенсивности в BFP соответствует угловому распределению излучения инцидента. Полную карту отражения пространства образца можно установить путем освещения образца с той же целью, которая используется для сбора ответа образца. Входящие и исходящие лучи разделены с помощью сплиттера. Полная установка изображена на рисунке 3А. Для получения спектра необходим настраиваемый источник света или монохроматор. Измерение может быть повторено на различных длинах волн, имея в виду, что из-за спектра стандартных источников света, результаты должны быть нормализованы к отражательной части контрольного образца. Для этого можно использовать зеркало или часть образца, который был намеренно оставлен без шаблона, чтобы обеспечить высокую отражательную способность. Чтобы помочь в позиционировании, мы покажем, как интегрировать установку с дополнительной оптической системой, которая позволяет реальной космической визуализации образца, показанного на рисунке 2B.

Теперь мы приступим к созданию метода измерения углового решена магнито-оптического спектра фотонического кристалла, используя в качестве репрезентативного образца, DVD решетки покрыты Au / Co / Au пленки, где наличие ферромагнитного кобальта приводит к значительной магнито-оптической активности²³. Периодическое гофрирование dvd решетки позволяет поверхности plasmon поляритон (SPP) резонансы на различных длина волны угол комбинации, которые даны

где n является рефракционным индексом окружающей среды, k₀ волновой вектор света в свободном пространстве,₀ угол частоты, d периодичность решетки и м является множеством, обозначающим порядок SPP. Вектор волны SPP дается где No₁ и No₂ являются разрешения металлическим слоем и окружающей диэлектрической средой. Из-за толщины многослойной пленки из золота/кобальта можно предположить, что ГЧП возбуждаются только поверх многослойной пленки.

Protocol

1. Установка установки ОптикаПРИМЕЧАНИЕ: Создайте установку, как показано на рисунке 3А на оптическом столе с достаточной изоляцией вибрации. Чтобы избежать сферических и других аберраций, центр все оптические компоненты (линзы, пинхолы и т.д.) п…

Representative Results

На рисунке 4А показан сканирующий электронный микроскоп (SEM) микрограф коммерческой DVD решетки, покрытой многослойной Au/Co/Au, которая использовалась демонстрационным образцом в наших экспериментах. Его оптические и магнито-оптические спектры показаны на <strong class…

Discussion

Мы ввели установку измерения и протокол для получения угловато-разрешенных магнито-оптических спектров оптических кристаллов. В частности, был изложен случай ферромагнитных материалов, требующих дополнительного анализа данных для учета нелинейной проницаемости материала. Угловая р…

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