Caracterización espectral y magneto-óptica resuelta en ángulo de nanoestructuras fotónicas

Las estructuras de banda fotónicas mapeen las relaciones de dispersión de los modos electromagnéticos confinados en un cristal fotónico y se asocian con interacciones mejoradas de materia lumínica, como los efectos magneto-ópticos. Nuestro método permite el mapeo de los efectos magneto-ópticos en el espacio recíproco del cristal fotónico para que podamos estudiar directamente cómo la magnetización modifica una respuesta fotónica. Los cristales magnetoópt ópticos son interesantes por sus propiedades ópticas no recíprocas.

Si bien demostraremos esta técnica con una simple rejilla plasmónica, es aplicable a muchos otros tipos de cristales fotónicos. Un desafío particular de esta técnica es que los efectos magneto-ópticos son típicamente muy débiles por lo que tienes que tener especial cuidado para asegurarte de que cualquier ruido se minimiza. Comience construyendo la configuración en una mesa óptica con suficiente aislamiento de vibración.

La óptica del haz que emerge de la muestra debe configurarse como se indica con los frentes de onda de dirección de lente objetivo corregidos con infinito que emergen de cada punto de la muestra en haces colineales. Coloque una lente colectora con una f de 200 milímetros a 330 milímetros del objetivo para reenfocar las vigas para formar una imagen en el plano de la imagen. Inserte un espejo de volteo después del plano de imagen para habilitar la toma de imágenes en el espacio real de la muestra e inserte una lente L1 con una f de 125 milímetros para que el plano de la imagen esté enfocado.

Coloque una lente L2 con una f de 250 milímetros a una distancia de 135 milímetros de L1. Coloque una cámara a 210 milímetros de la lente L2 para capturar una imagen magnificada del plano de imagen y mueva la lente L1 y L2 hasta que un agujero colocado en el plano de imagen esté en buen estado de atención en la cámara CCD. Coloque un agujero en el plano de imagen a 200 milímetros desde la lente del colector según sea necesario para limitar la región con la imagen a un área pequeña y con patrones. Coloque una lente Bertrand con una f de 75 milímetros 120 milímetros después del plano de imagen para crear una transformación Fourier de los componentes angulares de la imagen y coloque una cámara a 75 milímetros de la lente Bertrand.

Usando una pequeña gota de pintura plateada, monte la muestra, una rejilla comercial de DVD cubierta con oro magnetoplasmónico-cobalto-oro-película, en el soporte de la muestra. Coloque la muestra entre los polos de un electroimán y, a continuación, mueva la lente objetivo hacia la muestra hasta que la muestra esté bien enfocada en la cámara CCD. Para realizar una medición de reflectividad óptica, utilizando la imagen del espacio real de la muestra, coloque el punto de luz sobre una sección reflectante y sin vaciar de la muestra y voltee el espejo para visualizar el plano focal posterior del microscopio.

Seleccione el área del plano focal posterior que corresponde al estado de polarización de interés y seleccione un área de interés como sección transversal rectilínea del plano focal posterior objetivo a lo largo del eje que corresponde a la polarización magneto-óptica transversal. Haga clic en Medir espectro de normalización para medir el espectro de la fuente de luz. A medida que cada longitud de onda produce un conjunto 1D de puntos de datos, el espectro completo de la fuente de luz se guarda como un tensor 2D en el que cada punto de datos representa una combinación de longitud de onda y ángulo.

Usando la imagen del espacio real de la muestra, coloque la fuente de luz sobre el cristal fotónico de interés y cambie de nuevo al plano focal posterior, asegurando que los modos de plasmón sean visibles como líneas oscuras que cruzan el plano focal posterior. Utilizando las mismas áreas de interés y configuración de medición, haga clic en Medir espectro de reflexión para medir el espectro de reflexión del cristal fotónico. Para realizar una medición magneto-óptica, comience midiendo un bucle de histéresis utilizando un ángulo y una longitud de onda que se sabe que corresponden a una buena respuesta magneto-óptica.

Usando el bucle de histéresis, seleccione el rango de campos magnéticos para bucle. Para muestras ferromagnéticas, coloque los campos desde un estado completamente saturado hasta un estado de saturación opuesta, extendiendo el rango cómodamente sobre el campo de saturación. Finalmente mida la intensidad reflejada por la muestra en cada punto de campo magnético definido, repitiendo sobre múltiples bucles como desee.

Cada longitud de onda y punto de magnetización producirá una única matriz 1D de datos numéricos para los que cada punto de la matriz corresponde a un ángulo determinado. Para tener en cuenta la variación espectral en la intensidad de la fuente de luz, normalice el espectro obtenido por el espectro de la fuente de luz. Esto producirá una matriz 2D de números de cero a uno para el cual uno corresponde a totalmente reflectante y cero corresponde a condiciones de absorción completa.

Para el análisis de datos, utilizando el bucle de histéresis de la muestra, asigne cada fotograma medido a cualquiera de los estados saturados o al estado intermedio, luego deseche las intensidades medidas para los estados intermedios y reste las intensidades saturadas por separado para cada punto de datos angular y de longitud de onda. En esta figura, se puede observar un micrografo de microscopio electrónico de barrido de una rejilla de DVD comercial cubierta con una multicapa de oro-cobalto-oro. Aquí se pueden observar los espectros ópticos y magneto-ópticos de la rejilla.

Las líneas muestran las relaciones de dispersión del plasomo calculadas a partir de la ecuación uno y corresponden a una inmersión visible en la reflectividad que resulta de la radiación incidente que se convierte en SPPs y se disipa a través de amortiguación ohmica. En el espectro magneto-óptico de la rejilla plasmónica, las líneas de plasmon se acompañan de un aumento de la actividad magneto-óptica que se invierte abruptamente en la superficie plasmon polariton. La forma de la línea se puede explicar por el hecho de que la magnetización cambia ligeramente las condiciones de excitación de polariton de plasmón superficial, lo que resulta en dos polaritones de plasmon de superficie diferentes para estados de magnetización opuestos.

Debido a la pequeña magnitud de los efectos magneto-ópticos, el campo magnético debe aplicarse in situ mid measuring each wavelength at the time para garantizar una relación señal-ruido óptima. Esta configuración se puede utilizar para una variedad de técnicas magneto-ópticas, por ejemplo, para la microscopía Kerr para estudiar la estructura dominante de los materiales magnéticos. Hemos estudiado los efectos magneto-ópticos en la difracción restringiendo la propagación angular de la luz incidente para observar los haces difractados en el plano focal posterior.