광나노구조체의 스펙트럼 및 각도 해결 된 자기 광학 특성 분석
Summary
포토닉 밴드 구조는 제한된 전자기 모드가 포토닉 크리스탈 내에서 전파되는 방식을 이해할 수 있게 해줍니다. 자기 원소를 통합하는 포토닉 크리스탈에서는 밀폐 및 공진 광학 모드와 같은 강화되고 수정된 자기 광학 활동이 수반됩니다. 우리는 푸리에 공간 현미경검사법에 의해 자기 광학 대역 구조를 추출하는 측정 절차를 기술합니다.
Abstract
포토닉 크리스탈은 다양한 밀폐된 전자기 모드를 지원할 수 있는 주기적인 나노 구조입니다. 이러한 제한된 모드는 일반적으로 광물질 상호 작용을 강화하는 전기장 강도의 국부적 향상과 함께 표면 강화 라만 산란(SERS) 및 표면 플라스몬 강화 감지와 같은 응용 프로그램을 가능하게 합니다. 자기 광학 활성 재료가 있는 경우, 국소 현장 개선은 비정상적인 자기 광학 활성을 야기합니다. 전형적으로, 주어진 광결정의 제한된 모드는 입사된 전자기 복사의 파장 및 입사각에 강하게 의존한다. 따라서, 스펙트럼 및 각 해결 측정은 완전히 그들을 식별하고 결정의 자기 광학 활성과의 관계를 확립하는 데 필요합니다. 이 기사에서는 포리에 평면 (후면 초점 평면) 현미경을 사용하여 자기 광학 활성 샘플을 특성화하는 방법을 설명합니다. 모델 시스템으로, 여기에 우리는 자기 광학 활성 Au / Co / Au 다층으로 내장 된 플라스모닉 격자를 사용합니다. 실험에서, 우리는 현장에서 격자에 자기장을 적용하고 그 상호 공간 응답을 측정, 파장과 입사 각도의 범위에 걸쳐 격자의 자기 광학 응답을 획득. 이 정보를 통해 우리는 격자의 플라스모닉 밴드 구조와 각도 및 파장 의존적 자기 광학 활성의 전체 지도를 구축할 수 있습니다. 이 두 이미지는 플라스몬 공진이 격자의 자기 광학 반응에 미치는 영향을 정확히 파악할 수 있게 합니다. 비교적 작은 크기의 자기-광학 효과는 획득한 광 신호를 주의 깊게 처리해야 합니다. 이를 위해 획득된 원시 데이터로부터 자기-광학 반응을 얻기 위한 이미지 프로세싱 프로토콜이 배치된다.
Introduction
포토닉 결정의 제한된 전자기 모드는 금속/유전체 인터페이스 주위의 플라스몬 공진 또는 고굴절률 유전체나노구조체1,2,3,및 구체적으로 정의된 주파수4,5에서나타나도록 설계될 수 있다. 그들의 존재는 포토닉 밴드 갭6,7,8,강한 광자 국소화9,느린 빛10 및 Dirac 콘11과같은 많은 매혹적인 현상을 일으킵니다. 푸리에 평면 현미경 및 분광학은 광나노 구조의 특성화를 위한 기본 도구이며, 광나노구조체에서 발생하는 제한된 모드의 많은 필수 특성을 포착할 수 있습니다. 포리에 공간 현미경검사법에서는, 종래의 실제 평면 영상과는 달리, 정보는 각좌표12,13의함수로서 제시된다. 시료로부터 방출되는 빛의 각 분해가 현미경 의 후초점 평면으로부터 기록됨에 따라 백초점평면(BFP) 이미징으로 대체로 알려져 있다. 각 스펙트럼, 즉, 샘플의 원거리 방출 패턴은 그로부터 방출되는 빛의 운동량(-k)과 관련이 있다. 특히, 그 평면 모멘텀(kx,ky)분포(14)를나타낸다.
자기 광학 활성 샘플에서 제한된 광 광 흥분의 존재는 자기 광학 반응15,16,17,18,19의상당한 향상을 초래하는 것으로 나타났습니다. 자기 광학 효과는 자기장과 입사 전자기 방사선의 상호 기하학에 따라 달라집니다. 선형 편광 및 명명에 대한 가장 일반적으로 발생하는 자기 광학 형상은 그림 1에설명되어 있습니다. 여기서는 TMOKE 및 LMOKE와 같이 각각 축약된 가로 및 세로 자기 광학 Kerr 효과의 두 가지 자기 광학 효과를 탐색하는 데 사용할 수 있는 설정을 시연합니다. TMOKE는 반대자 자화 상태의 반사도가 다른 강도 효과이며 LMOKE는 반사광 편광 축의 회전으로 나타납니다. 그 효과는 빛 발생률에 대하여 자화의 배향에 의해 구별되며, 여기서 LMOKE의 경우, 자화는 빛의 파형 벡터의 평면 성분에 평행하게 향투하는 반면 TMOKE는 그것에 횡방향이다. 일반적으로 입사라이트의 경우 라이트 모멘텀의 평면 내 구성 요소는 모두 null(kx = ky = 0)이며 결과적으로 두 효과는 모두 0입니다. 두 효과가 모두 존재하는 구성을 쉽게 구상할 수 있습니다. 그러나 데이터 분석을 단순화하기 위해 이 데모에서는 효과 중 하나만 존재하는 상황, 즉 TMOKE로 제한됩니다.
여러 광학 구성을 사용하여 자기 광도 결정에서 방출되는 빛의 각 분포를 측정할 수 있습니다. 예를 들어, Kalish et al.20 및 Borovkova21에서,이러한 설정은 성공적으로 자기 광학 현상에 플라스몬 영향을 공개하기 위해 전송 기하학에 사용되었다. 그림으로, Kurvits 외22에서,몇 가지 가능한 구성은 무한대 보정 된 대물 렌즈를 사용하는 현미경에 대해 제시된다. 그림 2A에묘사된 구성에서 샘플의 지정된 지점에서 나오는 빛이 대물렌즈를 공선 빔으로 향하는 무한대 보정 렌즈를 사용합니다. 도 2A에서샘플의 상단(파선) 및 하단(실선)에서 나오는 빔이 개략적으로 묘사됩니다. 그런 다음 수집 렌즈를 사용하여 이러한 빔을 재초점을 맞추어 이미지 평면(IP)에서 이미지를 형성합니다. 버트랜드 렌즈라고도 하는 두 번째 렌즈는 이미지 평면 다음에 배치되어 초점 평면에서 들어오는 빛을 빨간색, 파란색 및 검은색으로 그림2A에 묘사된 각도 구성요소로 분리합니다. 이 백 포커스 평면에서 샘플에서 방출되는 빛의 각 분포를 카메라로 측정할 수 있습니다. 효과적으로 버트 랜드 렌즈는 도착하는 광선에 푸리에 변환을 수행합니다. BFP의 공간 강도 분포는 입사 방사선의 각 분포에 해당합니다. 샘플의 응답을 수집하는 데 사용되는 것과 동일한 목적으로 샘플을 조명하여 샘플의 전체 상호 공간 반사도를 확립할 수 있습니다. 들어오고 나가는 빔은 빔 스플리터를 사용하여 분리됩니다. 전체 설정은 그림 3A에 표시됩니다. 스펙트럼을 얻으려면 조정 가능한 광원 또는 단색화제가 필요합니다. 그런 다음 표준 광원의 스펙트럼으로 인해 결과를 제어 샘플의 반사도로 정규화해야 한다는 점을 염두에 두고 다양한 파장에 걸쳐 측정을 반복할 수 있습니다. 이를 위해 거울이나 샘플의 일부를 의도적으로 패턴화하지 않은 채 사용하여 높은 반사율을 허용할 수 있습니다. 위치 지정을 지원하기 위해 그림 2B에표시된 샘플의 실제 공간 이미징을 가능하게 하는 추가 광학 시스템과 설정을 통합하는 방법을 보여 줍니다.
이제 우리는 광자성 결정의 각 해결 된 자기 광학 스펙트럼을 측정하는 방법을 확립하기 위해 진행, 대표 샘플로 사용하여, Au / Co / Au 필름으로 덮여 DVD 격자 어디 강자성 코발트의 존재는 상당한 자기 광학활성을 초래한다 23. DVD 격자의 주기적인 주름은 표면 플라스몬 폴라리톤 (SPP) 공진을 통해 주어진 뚜렷한 파장 각 조합으로 가능하게합니다.
여기서 n은 주변 환경의 굴절률, k0 자유 공간에서 빛의 파동 벡터, θ0 입사각, 격자 및 m의 주기성은 SPP의 순서를 나타내는 정수이다. SPP 웨이브 벡터는 
θ1 및 θ2가 금속 층과 주변 유전체 환경의 허용도인 위치에 의해 주어집니다. 금/코발트 다층 필름의 두께로 인해, 우리는 SP가 다층 필름의 상단에 흥분한다고 가정 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 광학 결정의 각 해결 된 자기 광학 스펙트럼을 얻기 위해 측정 설정 및 프로토콜을 도입했습니다. 특히, 재료의 비선형 투과성을 설명하기 위해 추가적인 데이터 분석이 필요한 강자성 물질의 경우, 배치되었다. 각 성 해결 된 자기 광학 분광법은 광학 및 자기 광학 스펙트럼 모두에서 명확하게 정의 된 밴드로 나타날 때 제한된 모드가 더 쉽게 식별 될 수있는 비 각도 해결 방법에 비해 추?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 프로젝트 MAT2017-85232-R (AEI / FEDER, UE), 세베로, Ochoa (SEV-2015-0496) 및 일반 카탈루냐 (2017, SGR 1377), CNPq에 의해 – 브라질, 유럽 공동에 의해 (마리 Skłodowska-퀴리 강조 – 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).
