光子纳米结构的光谱与角度分辨磁光表征

光子能带结构描绘了光子晶体中受限电磁模式的色散关系，并与增强的光与物质相互作用相关，例如磁光效应。我们的方法能够描绘出光子晶体倒易空间中的磁光效应，从而可以直接研究磁化如何改变光子响应。磁光晶体因其非互易的光学特性而具有研究价值。

虽然我们将以一种简单的等离激元光栅来演示该技术，但它同样适用于许多其他类型的光子晶体。该技术的一个特殊挑战在于，磁光效应通常非常微弱，因此必须格外注意，确保尽可能降低噪声。首先在具备足够振动隔离性能的光学平台上搭建实验装置。

从样品出射的光束的光学系统应按图示设置，使用无限远校正的物镜，将来自样品每一点的波前导向为平行光束。在物镜后330毫米处放置一个焦距为200毫米的集光镜，以重新聚焦光束，在像平面形成图像。在像平面后插入一个翻转镜，以实现样品的实空间成像，并插入一个焦距为125毫米的L1透镜，使像平面处于焦点位置。

将焦距为250毫米的L2透镜放置在距离L1透镜135毫米的位置。将相机置于距离L2透镜210毫米处，以捕获像平面的放大图像，并移动L1和L2透镜，直至放置在像平面上的针孔在CCD相机上清晰聚焦。根据需要，将一个针孔放置在距离聚光镜200毫米的像平面上，以将成像区域限制在一个小的、有图案的区域。在像平面后120毫米处放置一个焦距为75毫米的伯特兰透镜，以生成图像角度分量的傅里叶变换，并将相机放置在距离伯特兰透镜75毫米处。

使用少量银漆，将样品（一种覆盖有磁等离子体金-钴-金薄膜的商用DVD光栅）固定在样品台上。将样品置于电磁铁的两极之间，然后移动物镜使其靠近样品，直至在CCD相机中清晰聚焦。进行光学反射率测量时，利用样品的实空间图像，将光斑定位在样品的反射性无图案区域，然后翻转反射镜以观察显微镜的后焦平面。

选择与感兴趣偏振态对应的物镜后焦平面区域，并沿对应横向磁光偏振方向选取物镜后焦平面的直线截面作为感兴趣区域。单击“测量归一化光谱”以测量光源的光谱。由于每个波长产生一组一维数据点，光源的完整光谱将保存为一个二维张量，其中每个数据点代表波长与角度的组合。

利用样品的实空间图像，将光源定位在目标光子晶体上方，然后切换回后焦平面，确保等离激元模式以穿过后焦平面的暗线形式可见。使用相同的感兴趣区域和测量设置，单击“测量反射光谱”以测量该光子晶体的反射光谱。要进行磁光测量，首先选择已知可产生良好磁光响应的角度和波长，测量一条磁滞回线。

利用磁滞回线，选择需要循环的磁场范围。对于铁磁性样品，应将磁场从完全饱和状态循环至相反方向的饱和状态，并将范围适当地扩展至饱和场之外。最后，在每个设定的磁场强度点测量样品反射的光强，并根据需要重复多次循环测量。

每个波长和磁化点将产生一个一维数值数据数组，其中数组的每个点对应一个特定角度。为校正光源强度的光谱变化，需将获得的光谱除以光源的光谱进行归一化处理。这将得到一个取值范围为0到1的二维数值数组，其中1对应完全反射条件，0对应完全吸收条件。

进行数据分析时，利用样品的磁滞回线，将每个测量帧分配至饱和状态之一或中间状态，随后舍弃中间状态的测量强度，并针对每个角度和波长数据点分别对饱和强度进行相减。在本图中，可以观察到覆盖有金-钴-金多层膜的商用DVD光栅的扫描电子显微镜显微图像。此处可观察到该光栅的光学和磁光光谱。

图中的线条表示根据公式一计算得到的等离激元色散关系，对应于入射辐射被转化为表面等离激元极化激元（SPPs）并通过欧姆阻尼耗散所导致的反射率显著下降。在等离激元光栅的磁光谱中，等离激元谱线伴随着磁光活性的增强，且该增强在表面等离激元极化激元处发生 abrupt 反转。该谱线形状可解释为：磁化状态轻微改变了表面等离激元极化激元的激发条件，从而导致相反磁化状态下产生两种不同的表面等离激元极化激元。

由于磁光效应的信号较弱，需要在测量每个波长时原位施加磁场，以确保最佳的信噪比。该装置可用于多种磁光技术，例如利用克尔显微镜研究磁性材料的主导结构。我们通过限制入射光的角展宽，观测后焦平面中的衍射光束，从而研究了衍射过程中的磁光效应。