Summary

Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

Published: November 21, 2019
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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 Nanostrukturenmithohem Brechungsindex 1,2,3, und können so gestaltet werden, dass sie bei speziell definierten Frequenzen4,5erscheinen. Ihre Anwesenheit führt zu vielen faszinierenden Phänomenen wie photonischen Bandlücken6,7,8, 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 Winkelkoordinaten12,13dargestellt. 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 (kx,ky) Verteilung14dar.

In magneto-optisch aktiven Proben hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein von begrenzten photonischen Anregungen zu einer erheblichen Verbesserung der magneto-optischen Reaktion15,16,17,18,19führt. 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 (kx = ky = 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
Equation 1
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 Equation 2 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, …

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir würdigen die finanzielle Unterstützung durch den spanischen Ministerio de Economéa y Competitividad durch die Projekte MAT2017-85232-R (AEI/FEDER,UE), Severo, Ochoa (SEV-2015-0496) und von der Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), von CNPq – Brasilien und von der Europäischen Kommission (Marie Skodowska-Curie IF EMPHASIS – 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

Referenzen

  1. Bayer, M., et al. Optical Modes in Photonic Molecules. Physical Review Letters. 81 (12), 2582-2585 (1998).
  2. 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).
  3. Rybin, M. V., et al. High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators. Physical Review Letters. 119 (24), 243901 (2017).
  4. Joannopoulos, J. D., Villeneuve, P. R., Fan, S. Photonic crystals. Solid State Communications. 102 (2), 165-173 (1997).
  5. Englund, D., Fushman, I., Vuckovic, J. General recipe for designing photonic crystal cavities. Optics Express. 13 (16), 5961-5975 (2005).
  6. Yablonovitch, E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Physical Review Letters. 58 (20), 2059-2062 (1987).
  7. Yablonovitch, E. Photonic band-gap structures. JOSA B. 10 (2), 283-295 (1993).
  8. Noda, S., Tomoda, K., Yamamoto, N., Chutinan, A. Full Three-Dimensional Photonic Bandgap Crystals at Near-Infrared Wavelengths. Science. 289 (5479), 604-606 (2000).
  9. John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Physical Review Letters. 58 (23), 2486-2489 (1987).
  10. Krauss, T. F. Slow light in photonic crystal waveguides. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (9), 2666-2670 (2007).
  11. 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).
  12. Wagner, R., Heerklotz, L., Kortenbruck, N., Cichos, F. Back focal plane imaging spectroscopy of photonic crystals. Applied Physics Letters. 101 (8), 081904 (2012).
  13. 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).
  14. Vasista, A. B., Sharma, D. K., Kumar, G. V. P. Fourier Plane Optical Microscopy and Spectroscopy. Digital Encyclopedia of Applied Physics. , 1-14 (2019).
  15. 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).
  16. Belotelov, V. I., et al. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. Nature Nanotechnology. 6 (6), 370 (2011).
  17. 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).
  18. Kataja, M., et al. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays. Nature Communications. 6, 7072 (2015).
  19. Kataja, M., et al. Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity. Optics Express. 24 (4), 3652-3662 (2016).
  20. Kalish, A. N., et al. Magnetoplasmonic quasicrystals: an approach for multiband magneto-optical response. Optica. 5 (5), 617-623 (2018).
  21. 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).
  22. Kurvits, J. A., Jiang, M., Zia, R. Comparative analysis of imaging configurations and objectives for Fourier microscopy. JOSA A. 32 (11), 2082-2092 (2015).
  23. 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).
  24. Cichelero, R., Kataja, M., Campoy-Quiles, M., Herranz, G. Non-reciprocal diffraction in magnetoplasmonic gratings. Optics Express. 26 (26), 34842-34852 (2018).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Sato, K. Measurement of Magneto-Optical Kerr Effect Using Piezo-Birefringent Modulator. Japanese Journal of Applied Physics. 20 (12), 2403 (1981).

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Diesen Artikel zitieren
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).

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