الطيفية وزاوية حل مغناطيسي-البصرية توصيف النانو الضوئية
Summary
يتيح هيكل الفرقة الضوئية فهم كيفيه نشر الوسائط الكهرومغناطيسية المحصورة داخل البلورة الضوئية. في البلورات الضوئية التي تدمج العناصر المغناطيسية ، تكون هذه الوسائط البصرية المحصورة والرنانة مصحوبة بالنشاط البصري المغناطيسي المحسن والمعدل. ونحن وصف اجراء القياس لاستخراج بنيه الفرقة مغناطيسي البصرية من قبل المجهر الفضائي Fourier.
Abstract
بلورات فوتوسونيك هي النانو الدورية التي يمكن ان تدعم مجموعه متنوعة من الوسائط الكهرومغناطيسية المحصورة. وعاده ما تكون هذه الأوضاع المحصورة مصحوبة بالتعزيز المحلي لكثافة المجال الكهربائي الذي يقوي التفاعلات الخفيفة ، مما يمكن التطبيقات مثل تشتت رامان المحسن للسطح والاستشعار السطحي المحسن. في وجود المواد النشطة مغناطيسيا بصريا ، فان تعزيز المجال المحلي يؤدي إلى النشاط البصري مغناطيسي الشاذة. عاده ، تعتمد الأوضاع المحصورة لبلوره ضوئيه معينه بقوة علي الطول الموجي وزاوية الحدوث للإشعاع الكهرومغناطيسي الحادث. التالي ، فان القياسات الطيفية والمحلولة الزاوي مطلوبه للتعرف عليها بشكل كامل وكذلك لأقامه علاقتها مع النشاط المغناطيسي البصري لبلورتها. في هذه المقالة ، نقوم بوصف كيفيه استخدام المجهر الطائرة (المستوي البؤري الخلفي) لتوصيف العينات النشطة مغناطيسيا بصريا. كنظام نموذجي ، وهنا نستخدم صريف plasmonic بنيت من النشاط المغناطيسي بصريا الاتحاد الافريقي/Co/الاتحاد الافريقي متعدد الطبقات. في التجارب ، ونحن نطبق حقل مغناطيسي علي صريف في الموقع وقياس استجابتها المتبادلة الفضاء ، والحصول علي استجابه مغناطيسيه البصرية من صريف علي مدي مجموعه من الأطوال الموجية وزوايا الحادث. هذه المعلومات تمكننا من بناء خريطة كامله للهيكل الفرقة plasmonic من صريف والزاوية والطول الموجي تعتمد النشاط مغناطيسي البصرية. تسمح لنا هاتان الصورتان بتحديد التاثير الذي يحدثه صدي البلازما علي الاستجابة المغناطيسية البصرية للصريف. ويتطلب الحجم الصغير نسبيا للآثار المغناطيسية البصرية معالجه متانيه للإشارات البصرية المكتسبة. وتحقيقا لهذه الغاية ، وضع بروتوكول لمعالجه الصور للحصول علي الاستجابة المغناطيسية البصرية من البيانات الخام المكتسبة.
Introduction
الوسائط الكهرومغناطيسية المحصورة في بلورات ضوئيه يمكن ان تنشا من مجموعه متنوعة من أصول مختلفه ، مثل الرنات البلازمون سطحي حول المعادن/واجات عازله أو الرنات مي في ارتفاع مؤشر الانكسار عازله النانويه1،2،3، ويمكن ان تصمم لتظهر في الترددات المحددة علي وجه التحديد4،5. وجودها يؤدي إلى العديد من الظواهر الرائعة مثل الفجوات الضوئية الفرقة6،7،8، التعريب الفوتون قويه9، ضوء بطيء10 وديراك المخاريط11. المجهر الطائرة fourier والطيفي هي الاداات الاساسيه لتوصيف النانو الضوئية لأنها تمكن التقاط العديد من الخصائص الاساسيه للأوضاع المحصورة التي تحدث في نفوسهم. في المجهر الفضائي fourier ، علي عكس التقليدية التصوير الطائرة الحقيقية ، وتقدم المعلومات كوظيفة من الإحداثيات الزاوي12،13. ومن المعروف بدلا من ذلك التصوير علي المستوي البؤري الخلفي (BFP) كما يتم تسجيل التحلل الزاوي من الضوء المنبعث من العينة من المستوي البؤري الخلفي للهدف المجهر. ويرتبط الطيف الزاوي ، اي نمط الانبعاثات الميداني البعيد للعينه ، بزخم الضوء المنبعث منه (ħk). وعلي وجه الخصوص ، فانه يمثل الزخم في الطائرة (kx, ky) التوزيع14.
وفي العينات النشطة مغناطيسيا بصريا ، تبين ان وجود المقلدات الضوئية المحصورة يؤدي إلى تعزيز كبير للاستجابة المغناطيسية البصرية15و16و17و18و19. الآثار المغناطيسية البصرية تعتمد علي الهندسة المتبادلة للمجال المغناطيسي والإشعاع الكهرومغناطيسي الحادث. والأكثر شيوعا هو الهندسي المغناطيسي البصري للضوء المستقطب خطيا والتسميات الخاصة بها مبينه في الشكل 1. هنا ، ونحن نظهر الاعداد التي يمكن استخدامها لاستكشاف اثنين من الآثار المغناطيسية البصرية التي لوحظت في التفكير: عرضيه وطوليه مغناطيسي الآثار كير البصرية ، يختصر ، علي التوالي ، كما TMOKE و LMOKE. TMOKE هو تاثير الكثافة ، حيث الانعكاسات من الدول الممغنطة المتعارضة تختلف في حين يظهر LMOKE كدوران لمحور الاستقطاب الضوء المنعكس. ميزت التاثيرات بالاتجاه من المغنطيسية [أين سبيت وف] الاصابه خفيفه, حيث ل [لموكه], المغنطيسية يكون وجهت موازيه إلى ال في طائره عنصر من الموجه متجهة من الضوء بينما ل [تومك] هو عرضيه إلى هو. للضوء الحادث عاده ، كل من المكونات في الطائرة من زخم الضوء فارغه (kx = ky = 0) ، التالي ، كلا الآثار صفر. يمكن تصور التكوينات التي يكون فيها كلا التاثيرين موجودين بسهوله. ومع ذلك ، لتبسيط تحليل البيانات ، في هذه المظاهرة نحن نقتصر علي الحالات التي يكون فيها واحد فقط من الآثار الموجودة ، وهي TMOKE.
يمكن استخدام العديد من التكوينات البصرية لقياس التوزيع الزاوي للضوء المنبعث من البلورات المغنطيسية. علي سبيل المثال ، في kalish et al.20 و borovkova وآخرون21، تم استخدام هذا الاعداد بنجاح في هندسه الإرسال للكشف عن تاثير البلازمون سطحي علي الظواهر المغناطيسية البصرية. وكمثال علي ذلك ، في Kurvits وآخرون22، يتم عرض بعض التشكيلات الممكنة لمجهر يستخدم عدسه الهدف المصحح لامتناهية. في تشكيلتنا ، المبينة في الشكل 2ا، نستخدم عدسه لا متناهية مصححه حيث يتم توجيه الضوء القادم من نقطه معينه في العينة بواسطة العدسة الموضوعية إلى حزم الاذن المتداخلة. في الشكل 2ا، يتم تصوير الحزم الناشئة من الأعلى (الخطوط المتقطعة) والسفلي (الخطوط الصلبة) للعينه. ثم ، يتم استخدام عدسه جمع لأعاده تركيز هذه الحزم لتشكيل صوره في الصورة الطائرة (IP). يتم بعد ذلك وضع عدسه ثانيه ، تعرف أيضا بعدسه برتراند ، بعد الطائرة الصورة لفصل الضوء الوارد في الطائرة البؤرية إلى مكونات الزاوي ، ويصور في الشكل 2ا باللون الأحمر والأزرق والأسود. من هذا المستوي البؤري الخلفي ، يمكن قياس التوزيع الزاوي للضوء المنبعث من العينة باستخدام كاميرا. بشكل فعال ، وعدسه برتراند ينفذ تحويل Fourier علي شعاع الضوء وصوله اليها. ويتوافق توزيع الكثافة المكانية في الوحدة الفضائية مع التوزيع الزاوي للإشعاع الحادث. ويمكن وضع خريطة كامله لانعكاس المساحة المتبادلة للعينه عن طريق إلقاء العينة بالعين بنفس الهدف الذي يستخدم لجمع رد العينة. يتم فصل الاشعه القادمة والخروج الذهاب باستخدام الخائن شعاع. يتم تصوير الاعداد الكامل في الشكل 3ا. للحصول علي طيف ، هناك حاجه إلى مصدر ضوء قابل للتوقد أو أحادي ألوان. ثم يمكن تكرار القياس علي أطوال موجية مختلفه ، مع الأخذ في الاعتبار انه نظرا لطيف مصادر الضوء القياسية ، فان النتائج تحتاج إلى ان تكون طبيعيه لانعكاسيه عينه التحكم. لهذا الغرض ، يمكن للمرء استخدام مراه أو جزء من العينة التي تم تركها عمدا غير منقوشة للسماح لانعكاسيه عاليه. للمساعدة في تحديد المواقع ، ونحن نظهر كيفيه دمج الاعداد مع نظام بصري اضافيه التي تمكن التصوير في الفضاء الحقيقي للعينه ، كما هو مبين في الشكل 2ب.
نحن الآن المضي قدما لإنشاء طريقه لقياس الزاوي المغناطيسي حل الطيف البصرية من الكريستال الضوئي ، وذلك باستخدام كعينه تمثيليه ، صريف DVD مغطاه الاتحاد الافريقي/Co/الاتحاد الافريقي الفيلم حيث وجود الكوبالت المغناطيسية يؤدي إلى النشاط المغناطيسي البصرية كبيره23. التمويج الدوري لل DVD صريف تمكن سطح البلازمون سطحي الاستقطاب (SPP) الرنات في مجموعات الطول الموجي متميزة التي تعطيها
حيث n هو مؤشر الانكسار من البيئة المحيطة بها ، ك0 موجه موجات من الضوء في الفضاء الحر ، θ0 زاوية الوقوع ، د الدورية من صريف و m هو عدد صحيح الاشاره إلى ترتيب SPP. يتم إعطاء متجه الموجه SPP من 
حيث ε1 و ε2 هي الميول المعدنية للطبقة الفلزية وبيئة العازل المحيطة. نظرا لسماكه الذهب/الكوبالت متعدد الطبقات السينمائي ، يمكننا ان نفترض ان SPPs متحمسون فقط علي راس الفيلم متعدد الطبقات.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أدخلنا اعداد القياس وبروتوكول للحصول علي حل الزاوي الأطياف البصرية مغناطيسيه من البلورات البصرية. وعلي وجه الخصوص ، وضعت حاله المواد المغنطيسية المغناطيسية ، التي تتطلب تحليلا إضافيا للبيانات لمراعاه نفاذيه المواد غير الخطية. ويقدم التحليل الزاوي المغناطيسي-البصري الطيفي ميزه اضاف…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن نعترف بالدعم المالي المقدم من الوزارة الاسبانيه للاقتصاد والمنافسة من خلال مشاريع MAT2017-85232 (ايي/FEDER, UE) ، سيفيرو ، اوتشوا (سيف-2015-0496) والجنرال دي كاتالونيا (2017 ، SGR 1377) ، من قبل CNPq-البرازيل ، والمفوضية الاوروبيه (ماري Skłodowska-كوري إذا التركيز-DLV-748429).
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 |
References
- Bayer, M., et al. Optical Modes in Photonic Molecules. Physical Review Letters. 81 (12), 2582-2585 (1998).
- Blanco, A., et al. Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres. Nature. 405 (6785), 437 (2000).
- Rybin, M. V., et al. High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators. Physical Review Letters. 119 (24), 243901 (2017).
- Joannopoulos, J. D., Villeneuve, P. R., Fan, S. Photonic crystals. Solid State Communications. 102 (2), 165-173 (1997).
- Englund, D., Fushman, I., Vuckovic, J. General recipe for designing photonic crystal cavities. Optics Express. 13 (16), 5961-5975 (2005).
- Yablonovitch, E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Physical Review Letters. 58 (20), 2059-2062 (1987).
- Yablonovitch, E. Photonic band-gap structures. JOSA B. 10 (2), 283-295 (1993).
- Noda, S., Tomoda, K., Yamamoto, N., Chutinan, A. Full Three-Dimensional Photonic Bandgap Crystals at Near-Infrared Wavelengths. Science. 289 (5479), 604-606 (2000).
- John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Physical Review Letters. 58 (23), 2486-2489 (1987).
- Krauss, T. F. Slow light in photonic crystal waveguides. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (9), 2666-2670 (2007).
- Huang, X., Lai, Y., Hang, Z. H., Zheng, H., Chan, C. T. Dirac cones induced by accidental degeneracy in photonic crystals and zero-refractive-index materials. Nature Materials. 10 (8), 582-586 (2011).
- Wagner, R., Heerklotz, L., Kortenbruck, N., Cichos, F. Back focal plane imaging spectroscopy of photonic crystals. Applied Physics Letters. 101 (8), 081904 (2012).
- Zhang, D., et al. Back focal plane imaging of directional emission from dye molecules coupled to one-dimensional photonic crystals. Nanotechnology. 25 (14), 145202 (2014).
- Vasista, A. B., Sharma, D. K., Kumar, G. V. P. Fourier Plane Optical Microscopy and Spectroscopy. Digital Encyclopedia of Applied Physics. , 1-14 (2019).
- Belotelov, V. I., Doskolovich, L. L., Zvezdin, A. K. Extraordinary Magneto-Optical Effects and Transmission through Metal-Dielectric Plasmonic Systems. Physical Review Letters. 98 (7), 077401 (2007).
- Belotelov, V. I., et al. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. Nature Nanotechnology. 6 (6), 370 (2011).
- Chetvertukhin, A. V., et al. Magneto-optical Kerr effect enhancement at the Wood’s anomaly in magnetoplasmonic crystals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 324 (21), 3516-3518 (2012).
- Kataja, M., et al. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays. Nature Communications. 6, 7072 (2015).
- Kataja, M., et al. Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity. Optics Express. 24 (4), 3652-3662 (2016).
- Kalish, A. N., et al. Magnetoplasmonic quasicrystals: an approach for multiband magneto-optical response. Optica. 5 (5), 617-623 (2018).
- Borovkova, O. V., et al. TMOKE as efficient tool for the magneto-optic analysis of ultra-thin magnetic films. Applied Physics Letters. 112 (6), 063101 (2018).
- Kurvits, J. A., Jiang, M., Zia, R. Comparative analysis of imaging configurations and objectives for Fourier microscopy. JOSA A. 32 (11), 2082-2092 (2015).
- Cichelero, R., Oskuei, M. A., Kataja, M., Hamidi, S. M., Herranz, G. Unexpected large transverse magneto-optic Kerr effect at quasi-normal incidence in magnetoplasmonic crystals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 476, 54-58 (2019).
- Cichelero, R., Kataja, M., Campoy-Quiles, M., Herranz, G. Non-reciprocal diffraction in magnetoplasmonic gratings. Optics Express. 26 (26), 34842-34852 (2018).
- Melo, L. G. C., Santos, A. D., Alvarez-Prado, L. M., Souche, Y. Optimization of the TMOKE response using the ATR configuration. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 310 (2, Part 3), e947-e949 (2007).
- Regatos, D., Sepúlveda, B., Fariña, D., Carrascosa, L. G., Lechuga, L. M. Suitable combination of noble/ferromagnetic metal multilayers for enhanced magneto-plasmonic biosensing. Optics Express. 19 (9), 8336-8346 (2011).
- Polisetty, S., et al. Optimization of magneto-optical Kerr setup: Analyzing experimental assemblies using Jones matrix formalism. Review of Scientific Instruments. 79 (5), 055107 (2008).
- Sato, K. Measurement of Magneto-Optical Kerr Effect Using Piezo-Birefringent Modulator. Japanese Journal of Applied Physics. 20 (12), 2403 (1981).
