Spectrale en hoek-opgeloste Magneto-optische karakterisatie van fotonische nanostructuren
Summary
De Photonic bandstructuur maakt het mogelijk om te begrijpen hoe beperkt elektromagnetische modi zich verspreiden in een fotonisch kristal. In fotonische kristallen die magnetische elementen bevatten, gaan dergelijke beperkte en resonerende optische modi gepaard met een verbeterde en gewijzigde Magneto-optische activiteit. We beschrijven een meetprocedure om de Magneto-optische bandstructuur uit te pakken door Fourier-ruimte microscopie.
Abstract
Photonic Crystals zijn periodieke nanostructuren die een verscheidenheid aan beperkte elektromagnetische modi kunnen ondersteunen. Dergelijke beperkte modi worden meestal begeleid door lokale verhoging van de elektrische veld intensiteit die licht-materie interacties versterkt, waardoor toepassingen zoals oppervlakte versterkte Raman verstrooiing (SERS) en oppervlak Plasmon verbeterde sensing. In aanwezigheid van Magneto-optisch actieve materialen, de lokale veld vergroting geeft aanleiding tot afwijkende Magneto-optische activiteit. De beperkte modi van een bepaald fotonisch kristal zijn meestal sterk afhankelijk van de golflengte en de incidentie van de elektromagnetische straling van het incident. Zo zijn spectrale en hoekig opgeloste metingen nodig om ze volledig te identificeren en om hun relatie met de Magneto-optische activiteit van het kristal vast te stellen. In dit artikel beschrijven we hoe u een Fourier-Plane (terug focal plane) Microscoop gebruikt om Magneto-optisch actieve monsters te karakteriseren. Als modelsysteem gebruiken we hier een plasmonic rooster dat is opgebouwd uit Magneto-optisch actieve au/co/au meerlaagse. In de experimenten hanteren we een magnetisch veld op het rooster in situ en meten we de wederzijdse ruimte respons, waarbij de Magneto-optische respons van het rooster wordt verkregen over een reeks golflengten en incident hoeken. Deze informatie stelt ons in staat om een volledige kaart van de plasmonic bandstructuur van de roosters en de hoek en golflengte afhankelijke Magneto-optische activiteit te bouwen. Deze twee beelden stellen ons in staat om het effect te lokaliseren dat de Plasmon resonanties hebben op de Magneto-optische respons van het rooster. De relatief kleine magnitude van Magneto-optische effecten vereist een zorgvuldige behandeling van de verworven optische signalen. Hiertoe wordt een beeldverwerkings protocol aangelegd voor het verkrijgen van Magneto-optische respons van de verkregen onbewerkte gegevens.
Introduction
Beperkte elektromagnetische modi in fotonische kristallen kunnen voortvloeien uit een verscheidenheid van verschillende oorsprong, zoals Plasmon resonanties rond metaal/diëlektrische interfaces of Mie resonanties in hoge brekingsindex diëlektrische nanostructuren1,2,3, en kan worden ontworpen om te verschijnen op specifiek gedefinieerde frequenties4,5. Hun aanwezigheid geeft aanleiding tot vele fascinerende verschijnselen zoals fotonische band gaps6,7,8, sterke foton lokalisatie9, Slow Light10 en Dirac Cones11. Fourier-vlak microscopie en spectroscopie zijn basisinstrumenten voor de karakterisering van fotonische nanostructuren, omdat ze veel essentiële eigenschappen van besloten modi kunnen vastleggen. In Fourier-ruimte microscopie, in tegenstelling tot conventionele Real-Plane Imaging, wordt de informatie gepresenteerd als de functie van hoekige coördinaten12,13. Het is ook bekend als back focal plane (BFP) Imaging omdat de hoek ontleding van het licht dat uit het monster uitgaat, wordt opgenomen uit het achterste focale vlak van de Microscoop doelstelling. Het hoekige spectrum, d.w.z. het verre veld-emissie patroon van het monster, is gerelateerd aan het momentum van licht dat daaruit voortkomt (ħk). In het bijzonder vertegenwoordigt het zijn in-plane momentum (kx, ky) distributie14.
In Magneto-optisch actieve monsters is aangetoond dat de aanwezigheid van beperkte fotonische excitaties leidt tot een aanzienlijke verbetering van de Magneto-optische respons15,16,17,18,19. Magneto-optische effecten zijn afhankelijk van de onderlinge geometrie van het magnetische veld en het incident elektromagnetische straling. Meestal worden Magneto-optische geometrieën aangetroffen voor lineair gepolariseerd licht en hun nomenclatuur worden afgebeeld in Figuur 1. Hier demonstreren we een Setup die kan worden gebruikt om twee Magneto-optische effecten te verkennen die worden waargenomen in reflectie: dwarse en longitudinale Magneto-optische Kerr-effecten, respectievelijk afgekort als TMOKE en LMOKE. TMOKE is een intensiteits effect, waarbij de reflectiviteiten van de tegengestelde magnetisatie toestanden verschillend zijn, terwijl LMOKE zich manifesteert als een rotatie van de gereflecteerde lichtpolarisatie-as. De effecten worden onderscheiden door de oriëntatie van de magnetisatie met betrekking tot de lichtinval, waar voor LMOKE, de magnetisatie is georiënteerd evenwijdig aan de in het vliegtuig component van de Golf vector van het licht, terwijl voor TMOKE het dwars naar het. Voor normaal incident licht zijn zowel in-plane componenten van de impuls van het licht Null (kx = ky = 0) en, bijgevolg, beide effecten zijn nul. Configuraties waarbij beide effecten aanwezig zijn, kunnen gemakkelijk worden bedacht. Om de gegevensanalyse te vereenvoudigen, beperken we ons in deze demonstratie echter tot situaties waarin slechts één van de gevolgen aanwezig is, namelijk TMOKE.
Verschillende optische configuraties kunnen worden gebruikt voor het meten van de hoekige verdeling van licht uitgezonden door magnetophotonic kristallen. Bijvoorbeeld, in Kalish et al.20 en Borovkova et al.21, werd een dergelijke Setup met succes gebruikt in transmissie geometrie om Plasmon invloed op Magneto-optische verschijnselen te onthullen. Als illustratie, in Kurvits et al.22, worden enkele mogelijke configuraties gepresenteerd voor een microscoop die een Infinity-gecorrigeerde objectief lens gebruikt. In onze configuratie, afgebeeld in Figuur 2A, gebruiken we een Infinity gecorrigeerde lens waarbij het licht dat van een bepaald punt in het monster komt, door de objectief lens in collineaire stralen wordt geleid. In Figuur 2Aworden balken die uit de bovenkant (onderbroken lijnen) en de bodem (ononderbroken lijnen) van het monster komen schematisch afgebeeld. Vervolgens wordt een verzamel lens gebruikt om deze balken opnieuw te richten om een afbeelding te vormen op het afbeeldings vlak (IP). Een tweede lens, ook bekend als Bertrand lens, wordt vervolgens geplaatst na het beeldvlak om het binnenkomende licht op het brandvlak te scheiden in hoekige componenten, afgebeeld in Figuur 2A in rood, blauw en zwart. Vanuit dit rugbrandpuntvlak kan de hoekige verdeling van het door het monster uitgestraalde licht worden gemeten met een camera. Effectief voert de lens Bertrand een Fourier-transformatie uit op de lichtstraal die er aankomt. De verdeling van de ruimtelijke intensiteit op de BFP komt overeen met de hoekige verdeling van de incident straling. Een volledig wederkerige ruimte reflectie kaart van het monster kan worden vastgesteld door het monster te verlichten met hetzelfde doel als dat wordt gebruikt om de respons van het monster te verzamelen. De inkomende en uitgaande balken worden gescheiden door middel van een straal splitter. De volledige installatie is afgebeeld in Figuur 3A. Om een spectrum te verkrijgen, is een instelbare lichtbron of een Monochromator nodig. De meting kan vervolgens worden herhaald over verschillende golflengten, in gedachten houden dat als gevolg van het spectrum van standaard lichtbronnen, de resultaten moeten worden genormaliseerd naar de reflectiviteit van een controlemonster. Voor dit doel kan men een spiegel of een deel van het monster gebruiken dat opzettelijk zonder patroon is achtergelaten om een hoge reflectie mogelijk te maken. Om te helpen bij de positionering, laten we zien hoe de Setup te integreren met een extra optisch systeem dat Real-Space beeldvorming van het monster mogelijk maakt, getoond in afbeelding 2B.
We gaan nu een methode vaststellen voor het meten van het hoekige, opgeloste Magneto-optische spectrum van een fotonisch kristal, gebruikmakend van een representatief monster, een DVD-rooster bedekt met een au/co/au-film waarbij de aanwezigheid van ferromagnetisch kobalt aanleiding geeft tot aanzienlijke Magneto-optische activiteit23. De periodieke golving van de DVD-roosters maakt oppervlakte Plasmon polariton (SPP) resonanties bij verschillende golflengte-hoek combinaties die worden gegeven door
waar n de brekingsindex van de omringende omgeving is, k0 de Golf vector van licht in vrije ruimte, θ0 de incidentie hoek, d de frequentie van het rooster en m is een geheel getal dat de volgorde van het spp aangeeft. De SPP Wave vector wordt gegeven door 
waar ε1 en ε2 de permittiviteiten van de metallische laag en de omringende diëlektrische omgeving zijn. Door de dikte van de goud/kobalt meerlaagse film kunnen we ervan uitgaan dat Spp’s alleen enthousiast zijn bovenop de meerlaagse film.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben een meetopstelling en protocol geïntroduceerd voor het verkrijgen van hoekige opgeloste Magneto-optische spectra van optische kristallen. Met name het geval van Ferromagnetische materialen, die aanvullende gegevensanalyse vereist om rekening te kunnen maken met de niet-lineaire permeabiliteit van het materiaal, is vastgesteld. Hoekige opgeloste Magneto-optische spectroscopie biedt een bijkomend voordeel ten opzichte van niet-hoekige opgeloste methoden dat de beperkte modi gemakkelijker kunnen worden geïdentif…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij erkennen financiële steun van het Spaanse Ministerio de Economía y Competitividad via projecten MAT2017-85232-R (AEI/FEDER, UE), Severo, Ochoa (SEV-2015-0496) en door de Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), door CNPq-Brazilië, en door de Europese comission (Marie Skłodowska-Curie als nadruk-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).
