Caractérisation spectrale et optique de la caractérisation spectrale et angle des nanostructures photoniques

Summary

La structure de la bande photonique permet de comprendre comment les modes électromagnétiques confinés se propagent dans un cristal photonique. Dans les cristaux photoniques qui incorporent des éléments magnétiques, ces modes optiques confinés et résonnants sont accompagnés d’une activité magnéto-optique améliorée et modifiée. Nous décrivons une procédure de mesure pour extraire la structure magnéto-optique de bande par la microscopie d’espace de Fourier.

Abstract

Les cristaux photoniques sont des nanostructures périodiques qui peuvent supporter une variété de modes électromagnétiques confinés. Ces modes confinés sont généralement accompagnés d’une amélioration locale de l’intensité du champ électrique qui renforce les interactions lumière-matière, permettant des applications telles que la diffusion Raman (SERS) améliorée par surface et la détection améliorée du plasmon de surface. En présence de matériaux magnéto-optiques actifs, l’amélioration du champ local donne lieu à une activité magnéto-optique anormale. Typiquement, les modes confinés d’un cristal photonique donné dépendent fortement de la longueur d’onde et de l’angle d’incidence du rayonnement électromagnétique incident. Ainsi, des mesures spectrales et angulaires sont nécessaires pour les identifier pleinement ainsi que pour établir leur relation avec l’activité magnéto-optique du cristal. Dans cet article, nous décrivons comment utiliser un microscope de Quatre-plan (plan focal arrière) pour caractériser des échantillons magnéto-optiquement actifs. En tant que système modèle, nous utilisons ici une grille plasmonique construite à partir de magnéto-optiquement active Au/Co/Au multicouche. Dans les expériences, nous appliquons un champ magnétique sur la grille in situ et mesurons sa réponse spatiale réciproque, obtenant la réponse magnéto-optique de la grille sur une gamme de longueurs d’onde et d’angles d’incident. Cette information nous permet de construire une carte complète de la structure de la bande plasmonique de la grille et de l’angle et de la longueur d’onde dépendant de l’activité magnéto-optique. Ces deux images nous permettent d’identifier l’effet que les résonances plasmonontes ont sur la réponse magnéto-optique de la grille. L’ampleur relativement faible des effets magnéto-optiques nécessite un traitement minutieux des signaux optiques acquis. À cette fin, un protocole de traitement d’image pour obtenir la réponse magnéto-optique des données brutes acquises est établi.

Introduction

Les modes électromagnétiques confinés dans les cristaux photoniques peuvent provenir d’une variété d’origines différentes, telles que les résonances plasmon autour des interfaces métal/diélectrique ou les résonances Mie dans les nanostructures diélectriques à indice réfractif élevé^1,2^,3, et peuvent être conçus pour apparaître à des fréquences spécifiquement définies^4,5. Leur présence donne lieu à de nombreux phénomènes fascinants tels que les lacunes bande photonique^6,7,8, forte localisation photon⁹, lumière lente¹⁰ et Cônes Dirac¹¹. La microscopie et la spectroscopie de plan De plus sont des outils de base pour caractériser les nanostructures photoniques car elles permettent de capturer de nombreuses propriétés essentielles des modes confinés qui s’y trouvent. Dans la microscopie spatiale de Fourier, par opposition à l’imagerie classique de plan réel, l’information est présentée comme la fonction des coordonnées angulaires^12,13. Il est également connu sous le nom de plan focal arrière (BFP) imagerie que la décomposition angulaire de la lumière émanant de l’échantillon est enregistrée à partir du plan focal arrière de l’objectif du microscope. Le spectre angulaire, c’est-à-dire le modèle d’émission de champ éloigné de l’échantillon est lié à l’élan de la lumière qui en émane(k). En particulier, il représente son élan dans l’avion (k_x,k_y)distribution¹⁴.

Dans les échantillons magnéto-optiquement actifs, la présence d’excitations photoniques confinées a été montrée pour avoir comme conséquence l’amélioration considérable de la réponse magnéto-optique^{15,16,17,18,19}. Les effets magnéto-optiques dépendent de la géométrie mutuelle du champ magnétique et du rayonnement électromagnétique incident. Les géométries magnéto-optiques les plus couramment rencontrées pour la lumière polarisée linéairement et leur nomenclature sont représentées dans la figure 1. Ici, nous démontrons une configuration qui peut être utilisée pour explorer deux effets magnéto-optiques qui sont observés dans la réflexion: transversal et longitudinal magnéto-optique effets Kerr, abrégé, respectivement, comme TMOKE et LMOKE. TMOKE est un effet d’intensité, où les réflectivités des états de magnétisation opposés sont différentes tandis que LMOKE se manifeste comme une rotation de l’axe de polarisation de la lumière réfléchie. Les effets se distinguent par l’orientation de la magnétisation par rapport à l’incidence de la lumière, où pour LMOKE, la magnétisation est orientée parallèlement à la composante plan dans le vecteur d’onde de la lumière tandis que pour TMOKE il est transversal à elle. Pour la lumière incidente normale, les deux composants de l’élan de lumière sont nuls (k_x k_y et 0) et, par conséquent, les deux effets sont nuls. Les configurations où les deux effets sont présents peuvent être facilement conçues. Cependant, pour simplifier l’analyse des données, dans cette démonstration, nous nous limitons à des situations où un seul des effets est présent, à savoir TMOKE.

Plusieurs configurations optiques peuvent être utilisées pour mesurer la distribution angulaire de la lumière émise par les cristaux magnétophotoniques. Par exemple, dans Kalish et coll.²⁰ et Borovkova et^{al. 21}, une telle configuration a été utilisée avec succès dans la géométrie de transmission pour dévoiler l’influence du plasmon sur les phénomènes magnéto-optiques. À titre d’illustration, dans Kurvits et coll.²², certaines configurations possibles sont présentées pour un microscope qui utilise une lentille objective corrigée à l’infini. Dans notre configuration, représentée dans la figure 2A, nous utilisons une lentille corrigée à l’infini où la lumière provenant d’un point donné dans l’échantillon est dirigée par la lentille objective dans les faisceaux collinear. Dans la figure 2A, les poutres émergeant du haut (lignes pointillées) et le fond (lignes solides) de l’échantillon sont représentés schématiquement. Ensuite, une lentille de collecte est utilisée pour recentrer ces faisceaux pour former une image au plan d’image (IP). Une deuxième lentille, également connue sous le nom de lentille Bertrand, est ensuite placée après le plan d’image pour séparer la lumière entrante à son plan focal en composants angulaires, représentés dans la figure 2A en rouge, bleu et noir. À partir de ce plan focal arrière, la distribution angulaire de la lumière émise par l’échantillon peut être mesurée à l’aide d’une caméra. En effet, l’objectif Bertrand effectue une transformation Fourier sur le faisceau lumineux qui y arrive. La répartition de l’intensité spatiale au BFP correspond à la distribution angulaire du rayonnement incident. Une carte complète de la réflectoflage de l’espace réciproque de l’échantillon peut être établie en illuminant l’échantillon avec le même objectif qui est utilisé pour recueillir la réponse de l’échantillon. Les faisceaux entrants et sortants sont séparés à l’aide d’un séparateur de faisceaux. La configuration complète est représentée dans la figure 3A. Pour obtenir un spectre, une source lumineuse réglable ou un monochromator est nécessaire. La mesure peut ensuite être répétée sur différentes longueurs d’onde, en gardant à l’esprit qu’en raison du spectre des sources lumineuses standard, les résultats doivent être normalisés à la réflectivité d’un échantillon témoin. À cette fin, on peut utiliser un miroir ou une partie de l’échantillon qui a été délibérément laissé sans motif pour permettre une réflectivité élevée. Pour faciliter le positionnement, nous montrons comment intégrer la configuration à un système optique supplémentaire qui permet l’imagerie de l’espace réel de l’échantillon, illustrée dans la figure 2B.

Nous procédons maintenant à l’établissement d’une méthode pour mesurer le spectre magnéto-optique résolu angulaire d’un cristal photonique, en utilisant comme échantillon représentatif, une grille DE DVD recouverte d’un film Au/Co/Au où la présence de cobalt ferromagnetic donne lieu à une activité magnéto-optique considérable²³. L’ondulation périodique de la grille DVD permet des résonances de polariton de plasmon de surface (SPP) à des combinaisons distinctes de longueur d’onde-angle qui sont données par

où n est l’indice de réfraction de l’environnement environnant, k₀ le vecteur d’onde de la lumière dans l’espace libre,₀ l’angle d’incidence, d la périodicité de la grille et m est un entier dénotant l’ordre du SPP. Le vecteur d’onde SPP est donné par l’endroit où _les permis de la couche métallique et de l’environnement diélectrique environnant sont les permis. En raison de l’épaisseur du film multicouche or/cobalt, nous pouvons supposer que les SPP ne sont excités qu’au-dessus du film multicouche.

Protocol

1. Montage de la configuration OptiqueREMARQUE : Construire la configuration telle qu’elle est représentée dans la figure 3A sur une table optique avec un isolement vibratoire suffisant. Pour éviter les aberrations sphériques et autres, centrez tous les composants optiques (lentilles, trous d’épingle, etc.) en ce qui concerne le faisceau. L’arrangement optique est indiqué à la figure 2 avec les distances ent…

Representative Results

La figure 4A montre un microscope électronique à balayage (SEM) micrographe d’un dvd commercial recouvert de multicouches Au/Co/Au qui a été utilisé un échantillon de démonstration dans nos expériences. Ses spectres optiques et magnéto-optiques sont représentés dans la figure 4B,C respectivement. Les détails sur la fabrication de l’échantillon sont présentés ailleurs23. Les lignes noires de…

Discussion

Nous avons introduit une configuration de mesure et un protocole pour obtenir des spectres magnéto-optiques résolus angulaires de cristaux optiques. En particulier, le cas des matériaux ferromagnetic, qui nécessite une analyse supplémentaire des données pour tenir compte de la perméabilité non linéaire du matériau, a été présenté. La spectroscopie magnéto-optique résolue angulaire présente un avantage supplémentaire par rapport aux méthodes non-angulaires résolues que les modes confinés peuvent être…

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