Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

Summary

Die photonische Bandstruktur ermöglicht es zu verstehen, wie sich eingegrenzte elektromagnetische Modi in einem photonischen Kristall ausbreiten. In photonischen Kristallen, die magnetische Elemente enthalten, werden solche eingeschränkten und resonanzförmigen optischen Modi von einer verbesserten und modifizierten magneto-optischen Aktivität begleitet. Wir beschreiben ein Messverfahren zur Extraktion der magneto-optischen Bandstruktur durch Fourier Raummikroskopie.

Abstract

Photonische Kristalle sind periodische Nanostrukturen, die eine Vielzahl von begrenzten elektromagnetischen Modi unterstützen können. Solche eingeschränkten Modi werden in der Regel von einer lokalen Verbesserung der elektrischen Feldintensität begleitet, die Licht-Materie-Wechselwirkungen verstärkt und Anwendungen wie oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) und Oberflächenplasmon-verstärkte Sensorik ermöglicht. In Gegenwart von magneto-optisch aktiven Materialien führt die lokale Feldverstärkung zu anomaler magneto-optischer Aktivität. Typischerweise hängen die eingeschränkten Modi eines bestimmten photonischen Kristalls stark von der Wellenlänge und dem Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ab. Daher sind spektrale und winkelaufgelöste Messungen erforderlich, um sie vollständig zu identifizieren und ihre Beziehung zur magneto-optischen Aktivität des Kristalls herzustellen. In diesem Artikel beschreiben wir, wie man ein Fourier-Ebene (Rückenfokusebene) Mikroskop verwendet, um magneto-optisch aktive Proben zu charakterisieren. Als Modellsystem verwenden wir hier ein Plasmonisches Gitter aus magneto-optisch aktiver Au/Co/Au Multilayer. In den Experimenten wenden wir ein Magnetfeld auf das Gitter in situ an und messen seine wechselseitige Raumreaktion, um die magneto-optische Reaktion des Gitters über einen Bereich von Wellenlängen und Einfallswinkeln zu erhalten. Diese Informationen ermöglichen es uns, eine vollständige Karte der Plasmonischen Bandstruktur des Gitters und der winkel- und wellenlängenabhängigen magneto-optischen Aktivität zu erstellen. Diese beiden Bilder ermöglichen es uns, die Wirkung der Plasmonresonanzen auf die magneto-optische Reaktion des Gitters zu bestimmen. Die relativ geringe Größe magnetooptischer Effekte erfordert eine sorgfältige Behandlung der erfassten optischen Signale. Zu diesem Zweck wird ein Bildverarbeitungsprotokoll zur Gewinnung einer magneto-optischen Antwort aus den erfassten Rohdaten erstellt.

Introduction

Begrenzte elektromagnetische Modi in photonischen Kristallen können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Ursprünge entstehen, wie Z. Plasmonresonanzen um metall-dielektrische Schnittstellen oder Mie-Resonanzen in dielektrischen Nanostrukturen^mithohem Brechungsindex 1^,2,3, und können so gestaltet werden, dass sie bei speziell definierten Frequenzen^4,5erscheinen. Ihre Anwesenheit führt zu vielen faszinierenden Phänomenen wie photonischen Bandlücken^6,7,8, starke Photon lokalisierung⁹, langsames Licht¹⁰ und Dirac Kegel¹¹. Vierer-Ebenenmikroskopie und Spektroskopie sind grundlegende Werkzeuge zur Charakterisierung photonischer Nanostrukturen, da sie es ermöglichen, viele wesentliche Eigenschaften von eingeschränkten Modi, die in ihnen vorkommen, zu erfassen. In der Fourier-Weltraummikroskopie werden die Informationen im Gegensatz zur herkömmlichen realen Ebenenbildgebung als Funktion der Winkelkoordinaten^12,13dargestellt. Es ist alternativ als Back Focal Plane (BFP) Bildgebung bekannt, da die Winkelzerlegung des lichtausdere Lichts aus der Probe von der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs aufgezeichnet wird. Das Winkelspektrum, d.h. das Weitefeld-Emissionsmuster der Probe, hängt mit dem Von ihr ausreichenden Lichtimpuls zusammen (k). Insbesondere stellt es seine in-Plane-Impuls (k_x,k_y) Verteilung¹⁴dar.

In magneto-optisch aktiven Proben hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein von begrenzten photonischen Anregungen zu einer erheblichen Verbesserung der magneto-optischen Reaktion^{15,16,17,18,19}führt. Magnetooptische Effekte hängen von der gegenseitigen Geometrie des Magnetfeldes und der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ab. Die am häufigsten anfallenden magneto-optischen Geometrien für linear polarisiertes Licht und ihre Nomenklatur sind in Abbildung 1dargestellt. Hier zeigen wir ein Setup, mit dem zwei magneto-optische Effekte untersucht werden können, die bei der Reflexion beobachtet werden: transversale und längsmagneto-optische Kerr-Effekte, abgekürzt als TMOKE und LMOKE. TMOKE ist ein Intensitätseffekt, bei dem die Reflexionen der entgegengesetzten Magnetisierungszustände unterschiedlich sind, während sich LMOKE als Drehung der reflektierten Lichtpolarisationsachse manifestiert. Die Effekte unterscheiden sich durch die Ausrichtung der Magnetisierung in Bezug auf den Lichteinfall, wobei bei LMOKE die Magnetisierung parallel zur in-ebenen Komponente des Wellenvektors des Lichts ausgerichtet ist, während sie für TMOKE quer zu ihr ist. Bei normal einfallendem Licht sind beide Komponenten des Lichtimpulses null (k_x = k_y = 0) und folglich sind beide Effekte Null. Konfigurationen, bei denen beide Effekte vorhanden sind, können leicht konzipiert werden. Um die Datenanalyse zu vereinfachen, beschränken wir uns in dieser Demonstration jedoch auf Situationen, in denen nur einer der Effekte vorhanden ist, nämlich TMOKE.

Mehrere optische Konfigurationen können verwendet werden, um die Winkelverteilung des von magnetophotonischen Kristallen emittierten Lichts zu messen. Zum Beispiel wurde in Kalish et al.²⁰ und Borovkova et al.²¹ein solches Setup erfolgreich in der Transmissionsgeometrie eingesetzt, um den Einfluss von Plasmonen auf magneto-optische Phänomene zu enthüllen. Zur Veranschaulichung werden in Kurvits et al.²²einige mögliche Konfigurationen für ein Mikroskop vorgestellt, das eine unendlich korrigierte Objektivlinse verwendet. In unserer Konfiguration, dargestellt in Abbildung 2A, verwenden wir eine unendlich eisern korrigierte Linse, bei der das Licht, das von einem bestimmten Punkt in der Probe kommt, von der Objektivlinse in kollare Strahlen geleitet wird. In Abbildung 2Awerden Balken, die von oben (gestrichelte Linien) und unten (durchgezogene Linien) der Probe auftauchen, schematisch dargestellt. Anschließend wird eine Sammellinse verwendet, um diese Strahlen neu zu fokussieren, um ein Bild auf der Bildebene (IP) zu bilden. Eine zweite Linse, auch Bertrand-Linse genannt, wird dann nach der Bildebene platziert, um das eintreffende Licht an seiner Brennebene in Winkelkomponenten zu trennen, dargestellt in Abbildung 2A in Rot, Blau und Schwarz. Von dieser hinteren Fokusebene aus kann die Winkelverteilung des von der Probe emittierten Lichts mit einer Kamera gemessen werden. Effektiv führt die Bertrand-Linse eine Fourier-Transformation auf dem Lichtstrahl durch, der zu ihr gelangt. Die räumliche Intensitätsverteilung am BFP entspricht der Winkelverteilung der einfallenden Strahlung. Eine vollständige Raumreflexionskarte der Stichprobe kann erstellt werden, indem die Stichprobe mit demselben Ziel beleuchtet wird, das zur Erfassung der Antwort der Stichprobe verwendet wird. Die ein- und ausgehenden Balken werden mit einem Balkensplitter getrennt. Die vollständige Einrichtung ist in Abbildung 3A dargestellt. Um ein Spektrum zu erhalten, wird eine abstimmbare Lichtquelle oder ein Monochromator benötigt. Die Messung kann dann über verschiedene Wellenlängen wiederholt werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass aufgrund des Spektrums der Standardlichtquellen die Ergebnisse auf die Reflektivität einer Kontrollprobe normalisiert werden müssen. Zu diesem Zweck kann man einen Spiegel oder einen Teil der Probe verwenden, der absichtlich ungemustert gelassen wurde, um eine hohe Reflektivität zu ermöglichen. Zur Unterstützung der Positionierung zeigen wir, wie das Setup in ein zusätzliches optisches System integriert werden kann, das eine reale Raumabbildung der Probe ermöglicht, wie in Abbildung 2Bdargestellt.

Wir gehen nun mit der Festlegung eines Verfahrens zur Messung des eckig aufgelösten magneto-optischen Spektrums eines photonischen Kristalls fort, wobei als repräsentative Probe ein DVD-Gitter verwendet wird, das mit einem Au/Co/Au-Film bedeckt ist, bei dem das Vorhandensein von ferromagnetischem Kobalt zu einer erheblichen magneto-optischen Aktivität führt²³. Die periodische Wellung des DVD-Gitters ermöglicht Oberflächen-Plasmonpolariton-Resonanzen (SPP) bei unterschiedlichen Wellenlängen-Winkel-Kombinationen, die durch

wobei n der Brechungsindex der Umgebung, k₀ der Wellenvektor des Lichts im freien Raum,₀ der Einfallswinkel, d die Periodizität des Gitters und m eine ganze Zahl ist, die die Reihenfolge des SPP bezeichnet. Der SPP-Wellenvektor wird angegeben, wobei die Zulassungsbedingungen der metallischen Schicht und der umgebenden dielektrischen Umgebung die Zulassungen sind. Aufgrund der Dicke der Gold/Kobalt-Mehrschichtfolie können wir davon ausgehen, dass SPPs nur auf der Mehrschichtfolie angeregt werden.

Protocol

1. Montage des Setups OptikHINWEIS: Erstellen Sie das Setup wie in Abbildung 3A dargestellt auf einem optischen Tisch mit ausreichender Vibrationsisolierung. Um sphärische und andere Aberrationen zu vermeiden, zentrieren Sie alle optischen Komponenten (Linsen, Lochlöcher usw.) in Bezug auf den Strahl. Die optische Anordnung ist in Abbildung 2 mit den angegebenen Abständen zwischen den Komponenten dargestellt.<ol…

Representative Results

Abbildung 4A zeigt eine Rasterelektronenmikroskopie (SEM) eines kommerziellen DVD-Gitters, das mit Au/Co/Au Multilayer bedeckt ist und in unseren Experimenten als Demonstrationsprobe verwendet wurde. Seine optischen und magneto-optischen Spektren sind in Abbildung 4B,C dargestellt. Details zur Probenfertigung werden an anderer Stelle vorgestellt23. Schwarze Linien in Abbildung 4</stro…

Discussion

Wir haben ein Messaufbau und ein Protokoll eingeführt, um eckig aufgelöste magneto-optische Spektren optischer Kristalle zu erhalten. Insbesondere wurde der Fall ferromagnetischer Materialien, der eine zusätzliche Datenanalyse erfordert, um die nichtlineare Durchlässigkeit des Materials zu berücksichtigen, dargelegt. Die anwinkelgelöste magneto-optische Spektroskopie bietet einen zusätzlichen Vorteil gegenüber nicht-angular gelösten Methoden, dass die eingeschränkten Modi leichter identifiziert werden können, …

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