Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Mikko Kataja; Rafael Cichelero; Gervasi Herranz

doi:10.3791/60094

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Engineering

फोटोनिक नैनोस्ट्रक्चर का स्पेक्ट्रल और एंगल-हल मैग्नेटो-ऑप्टिकल लक्षण वर्णन

Published: November 21, 2019

doi:

10.3791/60094

Mikko Kataja, Rafael Cichelero², Gervasi Herranz

¹Institut de Ciència de Materials de Barcelona, ²Department of Physics,University of Gothenburg

Summary

फोटोनिक बैंड संरचना यह समझने में सक्षम बनाती है कि फोटोनिक क्रिस्टल के भीतर विद्युत चुम्बकीय मोड कैसे प्रचारित होते हैं। चुंबकीय तत्वों को शामिल करने वाले फोटोनिक क्रिस्टल में, ऐसे सीमित और सुनाई देने वाले ऑप्टिकल मोड में बढ़ाया और संशोधित मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि होती है। हम फोरियर स्पेस माइक्रोस्कोपी द्वारा मैग्नेटो-ऑप्टिकल बैंड संरचना निकालने के लिए एक माप प्रक्रिया का वर्णन करते हैं।

Abstract

फोटोनिक क्रिस्टल आवधिक नैनोस्ट्रक्चर हैं जो विभिन्न प्रकार के सीमित विद्युत चुम्बकीय मोड का समर्थन कर सकते हैं। इस तरह के सीमित मोड आमतौर पर बिजली के क्षेत्र की तीव्रता की स्थानीय वृद्धि के साथ होते हैं जो प्रकाश-पदार्थ बातचीत को मजबूत करते हैं, सतह-बढ़ाया रमन बिखरने (एसईआर) और सतह प्लाज्मोन जैसे अनुप्रयोगों को सक्षम करते हैं। मैग्नेटो-ऑप्टिकलरूप से सक्रिय सामग्रियों की उपस्थिति में, स्थानीय क्षेत्र वृद्धि असंगत मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि को जन्म देती है। आमतौर पर, किसी दिए गए फोटोनिक क्रिस्टल के सीमित मोड घटना विद्युत चुम्बकीय विकिरण के तरंगदैर्ध्य और घटना कोण पर दृढ़ता से निर्भर करते हैं। इस प्रकार, क्रिस्टल की मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि के साथ अपने संबंध स्थापित करने के साथ-साथ उन्हें पूरी तरह से पहचानने के लिए स्पेक्ट्रल और कोणीय-संकल्पित मापन की आवश्यकता होती है। इस लेख में, हम मैग्नेटो-ऑप्टिकलरूप से सक्रिय नमूनों की विशेषता के लिए फोरियर-प्लेन (बैक फोकल प्लेन) माइक्रोस्कोप का उपयोग करने का वर्णन करते हैं। एक मॉडल प्रणाली के रूप में, यहां हम मैग्नेटो-ऑप्टिकली सक्रिय Au/Co/Au मल्टीलेयर से निर्मित एक प्लाज्मोनिक झंझरी का उपयोग करते हैं । प्रयोगों में, हम सीटू में झंझरी पर एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं और इसकी पारस्परिक अंतरिक्ष प्रतिक्रिया को मापते हैं, तरंगदैर्ध्य और घटना कोणों की एक श्रृंखला पर झंझरी की मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया प्राप्त करते हैं। यह जानकारी हमें झंझरी और कोण और तरंगदैर्ध्य निर्भर मैग्नेटो-ऑप्टिकल गतिविधि की प्लाज्मोनिक बैंड संरचना का एक पूरा नक्शा बनाने में सक्षम बनाती है। ये दो छवियां हमें उस प्रभाव को इंगित करने की अनुमति देती हैं जो प्लाज्मोन अनुनाद ों में ग्रेटिंग की मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया पर है। मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों के अपेक्षाकृत छोटे परिमाण को अधिग्रहीत ऑप्टिकल संकेतों के सावधानीपूर्वक उपचार की आवश्यकता होती है। इस उद्देश्य के लिए, अधिग्रहीत कच्चे डेटा से मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए एक छवि प्रसंस्करण प्रोटोकॉल निर्धारित किया गया है।

Introduction

फोटोनिक क्रिस्टल में सीमित विद्युत चुम्बकीय मोड विभिन्न मूलों की एक किस्म से उत्पन्न हो सकते हैं, जैसे धातु के आसपास प्लाज्मोन प्रतिध्वनियां/डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस या उच्च अपवर्तक सूचकांक डाइइलेक्ट्रिक नैनोस्ट्रक्चर^1,^2,³में Mie प्रतिध्वनियां, और विशेष रूप से परिभाषित आवृत्तियों^4,⁵पर प्रदर्शित करने के लिए डिजाइन किया जा सकता है । उनकी उपस्थिति फोटोनिक बैंड अंतराल⁶^,⁷^,⁸, मजबूत फोटॉन स्थानीयकरण⁹, धीमी रोशनी¹⁰ और डिरैक शंकु¹¹जैसी कई आकर्षक घटनाओं को जन्म देती है । फोरियर प्लेन माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी फोटोनिक नैनोस्ट्रक्चर के लक्षण वर्णन के लिए बुनियादी उपकरण हैं क्योंकि वे उनमें होने वाले सीमित मोड के कई आवश्यक गुणों पर कब्जा करने में सक्षम हैं। फोरियर स्पेस माइक्रोस्कोपी में, पारंपरिक वास्तविक विमान इमेजिंग के विपरीत, जानकारी को कोणीय निर्देशांक के कार्य के रूप में प्रस्तुत किया जाता है^12,^13। इसे वैकल्पिक रूप से बैक फोकल प्लेन (बीएफपी) इमेजिंग के रूप में जाना जाता है क्योंकि नमूने से निकलने वाले प्रकाश का कोणीय अपघटन माइक्रोस्कोप उद्देश्य के बैक फोकल प्लेन से दर्ज किया जाता है। कोणीय स्पेक्ट्रम यानी नमूने का सुदूर क्षेत्र उत्सर्जन पैटर्न इससे निकलने वाली रोशनी की गति(के)से संबंधितहै। विशेष रूप से, यह अपनी इन-प्लेन मोमेंटम (कश्मीर_{एक्स, के}_वाई)वितरण¹⁴का प्रतिनिधित्व करता है।

मैग्नेटो-ऑप्टिकलरूप से सक्रिय नमूनों में, सीमित फोटोनिक उत्तेजना की उपस्थिति के परिणामस्वरूप मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया^15,^16,^17,^18,¹⁹में काफी वृद्धि हुई है। मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभाव चुंबकीय क्षेत्र की पारस्परिक ज्यामिति और घटना विद्युत चुम्बकीय विकिरण पर निर्भर करते हैं। लिलपोल्ड ध्रुवीकृत प्रकाश के लिए सबसे अधिक विनो-ऑप्टिकल ज्यामिति का सामना करना पड़ा और उनके नामकरण को चित्रा 1में चित्रित किया गया है। यहां, हम एक सेटअप प्रदर्शित करते हैं जिसका उपयोग दो मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है जो प्रतिबिंब में देखे जाते हैं: ट्रांसवर्स और देश्युद्यमैग्नेटल मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर प्रभाव, क्रमशः संक्षिप्त, TMOKE और LMOKE के रूप में। TMOKE एक तीव्रता प्रभाव है, जहां विरोधी चुंबकत्व राज्यों की परावर्तन अलग हैं, जबकि LMOKE परिलक्षित प्रकाश ध्रुवीकरण धुरी के रोटेशन के रूप में प्रकट होता है । प्रभाव प्रकाश घटना के संबंध में चुंबकीकरण के अभिविन्यास से प्रतिष्ठित हैं, जहां LMOKE के लिए, चुंबकीकरण प्रकाश की तरंग वेक्टर के विमान घटक के समानांतर उन्मुख है, जबकि TMOKE के लिए यह इसके लिए ट्रांसवर्स है। सामान्य रूप से घटना प्रकाश के लिए, प्रकाश की गति के दोनों इन-प्लेन घटक शून्य हैं (कश्मीर_एक्स = k_y = 0) और नतीजतन, दोनों प्रभाव शून्य हैं। विन्यास जहां दोनों प्रभाव मौजूद हैं, आसानी से कल्पना की जा सकती है। हालांकि, डेटा विश्लेषण को सरल बनाने के लिए, इस प्रदर्शन में हम अपने आप को उन स्थितियों तक सीमित करते हैं जहां केवल एक प्रभाव मौजूद है, अर्थात् TMOKE।

मैग्नेटोफोटोनिक क्रिस्टल से उत्सर्जित प्रकाश के कोणीय वितरण को मापने के लिए कई ऑप्टिकल विन्यास का उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, कल्श एट अल²⁰ और बोरोवकोवा एट अल²¹में, इस तरह के सेटअप का सफलतापूर्वक उपयोग ट्रांसमिशन ज्यामिति में मैग्नेटो-ऑप्टिकल घटनाओं पर प्लाज्मोन प्रभाव का अनावरण करने के लिए किया गया था। एक उदाहरण के रूप में, कुर्विट्स एट अल²²में, कुछ संभावित विन्यास एक माइक्रोस्कोप के लिए प्रस्तुत किए जाते हैं जो अनंत सही उद्देश्य लेंस का उपयोग करता है। हमारे विन्यास में, चित्रा 2एमें चित्रित, हम एक अनंत सही लेंस का उपयोग करते हैं जहां नमूने में किसी दिए गए बिंदु से आने वाली रोशनी को ऑब्जेक्टिव लेंस द्वारा कोलिपास बीम में निर्देशित किया जाता है। चित्रा 2एमें, ऊपर (धराशायी रेखाओं) से उभरते बीम और नमूने के नीचे (ठोस लाइनें) को योजनाबद्ध ढंग से चित्रित किया गया है। फिर, छवि विमान (आईपी) में एक छवि बनाने के लिए इन बीम को फिर से केंद्रित करने के लिए एक संग्रहलेंस का उपयोग किया जाता है। एक दूसरा लेंस, जिसे बर्ट्रेंड लेंस के नाम से भी जाना जाता है, को अपने फोकल प्लेन में आने वाले प्रकाश को कोणीय घटकों में अलग करने के लिए छवि विमान के बाद रखा जाता है, जिसे लाल, नीले और काले रंग में चित्रित चित्रा 2ए में चित्रित किया गया है। इस बैक फोकल प्लेन से, नमूने से उत्सर्जित प्रकाश के कोणीय वितरण को कैमरे से मापा जा सकता है। प्रभावी ढंग से, बर्ट्रेंड लेंस उस पर पहुंचने वाली प्रकाश बीम पर एक फोरियर ट्रांसफॉर्म करता है। बीएफपी में स्थानिक तीव्रता वितरण घटना विकिरण के कोणीय वितरण से मेल खाती है। नमूने की प्रतिक्रिया एकत्र करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उसी उद्देश्य के साथ नमूने को रोशन करके नमूने का एक पूर्ण पारस्परिक स्थान परावर्तन मानचित्र स्थापित किया जा सकता है। आने वाले और बाहर जा रहे मुस्कराते हुए एक बीम स्प्लिटर का उपयोग कर अलग कर रहे हैं । पूरा सेटअप चित्रा 3ए में चित्रित किया गया है। स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए, एक tunable प्रकाश स्रोत या एक मोनोक्रोमेटर की आवश्यकता होती है। माप तो विभिन्न तरंगदैर्ध्य पर दोहराया जा सकता है, ध्यान में रखते हुए कि मानक प्रकाश स्रोतों के स्पेक्ट्रम के कारण, परिणाम एक नियंत्रण नमूने की परावर्तन के लिए सामान्यीकृत करने की जरूरत है। इस उद्देश्य के लिए, कोई भी दर्पण या नमूने के एक हिस्से का उपयोग कर सकता है जिसे उच्च परावर्त्वके लिए अनुमति देने के लिए उद्देश्यपूर्ण रूप से अपैटर्न छोड़ दिया गया है। पोजिशनिंग में सहायता करने के लिए, हम दिखाते हैं कि सेटअप को एक अतिरिक्त ऑप्टिकल सिस्टम के साथ कैसे एकीकृत किया जाए जो चित्रा 2बीमें दिखाए गए नमूने की वास्तविक-अंतरिक्ष इमेजिंग को सक्षम बनाता है।

अब हम एक फोटोनिक क्रिस्टल के कोणीय हल मैग्नेटो ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम को मापने के लिए एक विधि स्थापित करने के लिए आगे बढ़ना, एक प्रतिनिधि नमूने के रूप में उपयोग कर, एक डीवीडी एक Au/Co/Au फिल्म के साथ कवर झंझरी जहां फेरोमैग्नेटिक कोबाल्ट की उपस्थिति काफी मैग्नेटो ऑप्टिकल गतिविधि²³को जंम देता है । डीवीडी झंझरी का आवधिक नाली सतह प्लाज्मोन पोलरिटन (SPP) अलग तरंगदैर्ध्य कोण संयोजन है कि द्वारा दिए गए है पर प्रतिध्वनित सक्षम बनाता है

जहां एन आसपास के वातावरण का अपवर्तक सूचकांक है, कश्मीर₀ मुक्त अंतरिक्ष में प्रकाश की तरंग वेक्टर,₀ घटना कोण, डी झंझरी और एम की आवक एक पूर्णांक है जो एसडीपी के आदेश को निरूपित करता है। SPP वेव वेक्टर जहां ε₁ और ε₂ धातु परत और आसपास के डाइइलेक्ट्रिक वातावरण की अनुमति है द्वारा दिया जाता है । गोल्ड/कोबाल्ट मल्टीलेयर फिल्म की मोटाई के कारण हम मान सकते हैं कि एसपीपीएस केवल मल्टीलेयर फिल्म के शीर्ष पर उत्साहित हैं ।

Protocol

1. सेटअप बढ़ते प्रकाशिकीनोट: पर्याप्त कंपन अलगाव के साथ एक ऑप्टिकल टेबल पर चित्रा 3ए में चित्रित सेटअप का निर्माण करें। गोलाकार और अन्य विपथनों से बचने के लिए, बीम के संबंध म…

Representative Results

चित्रा 4ए एक वाणिज्यिक डीवीडी के एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) माइक्रोग्राफ Au/Co/Au मल्टीलेयर है कि हमारे प्रयोगों में एक प्रदर्शन नमूना इस्तेमाल किया गया था के साथ कवर से पता ?…

Discussion

हमने ऑप्टिकल क्रिस्टल के कोणीय संकल्प मैग्नेटो-ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा प्राप्त करने के लिए एक माप सेटअप और प्रोटोकॉल पेश किया है। विशेष रूप से, फेरोमैग्नेटिक सामग्री का मामला, जिसके लिए सामग्री की nonlinear पा?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

हम परियोजनाओं MAT2017-85232-R (AEI/FEDER, UE), Severo के माध्यम से स्पेनिश मंत्री डी Economía y Competitividad द्वारा वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं, ओचोआ (सेव-2015-0496) और सीएनपीक्यू – ब्राजील द्वारा जनरलिट डी कैटालून्या (2017, एसजीआरआर 1377) और यूरोपीय मिशन (मैरी स्वोडोस्का-क्यूरी आईएफ जोर – 748429) द्वारा।

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

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Kataja, M., Cichelero, R., Herranz, G. Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures. J. Vis. Exp. (153), e60094, doi:10.3791/60094 (2019).