Caratterizzazione magneto-ottica spectrale e sistemata con angolo di nanostrutture fotoniche

Le strutture a banda fotonica mappano le relazioni di dispersione dei modi elettromagnetici confinati in un cristallo fotonico e sono associate a interazioni potenziate luce-materia come effetti magneto-ottici. Il nostro metodo consente la mappatura degli effetti magneto-ottici nello spazio reciproco del cristallo fotonico in modo da poter studiare direttamente come la magnetizzazione modifica una risposta fotonica. I cristalli magneto-ottici sono interessanti per le loro proprietà ottiche non reciproche.

Mentre dimostreremo questa tecnica con una semplice griglia plasmonica, è applicabile a molti altri tipi di cristalli fotonici. Una sfida particolare di questa tecnica è che gli effetti magneto-ottici sono in genere molto deboli, quindi è necessario prestare particolare attenzione per assicurarsi che qualsiasi rumore sia ridotto al minimo. Inizia costruendo la configurazione su un tavolo ottico con un sufficiente isolamento dalle vibrazioni.

L'ottica del fascio che emerge dal campione deve essere impostata come indicato con la lente obiettiva corretta all'infinito che dirige i fronti d'onda che emergono da ogni punto del campione in travi collineari. Posizionare un obiettivo da collezione con una f di 200 millimetri a 330 millimetri dall'obiettivo di rifocalizzare i raggi per formare un'immagine sul piano dell'immagine. Inserire uno specchio capovolto dopo il piano dell'immagine per abilitare l'imaging nello spazio reale del campione e inserire un obiettivo L1 con una f di 125 millimetri in modo che il piano dell'immagine sia a fuoco.

Posizionare una lente L2 con un f di 250 millimetri a una distanza di 135 millimetri da L1. Posizionare una fotocamera a 210 millimetri dall'obiettivo L2 per acquisire un'immagine ingrandita del piano dell'immagine e spostare l'obiettivo L1 e L2 fino a quando un foro di spillo posizionato nel piano dell'immagine è ben messo a fuoco sulla fotocamera CCD. Posizionare un foro stenopeico nel piano dell'immagine a 200 millimetri dall'obiettivo del raccoglitore in base alle esigenze per limitare l'area dell'immagine a una piccola area con motivi geometrici. Posizionare un obiettivo Bertrand con una f di 75 millimetri 120 millimetri dopo il piano dell'immagine per creare una trasformata di Fourier dei componenti angolari dell'immagine e posizionare una fotocamera a 75 millimetri dall'obiettivo Bertrand.

Utilizzando una piccola goccia di vernice argentata, montare il campione, una griglia DVD commerciale ricoperta di magnetoplasmonica oro-cobalto-oro-film, sul portacampioni. Posizionare il campione tra i poli di un elettromagnete, quindi spostare l'obiettivo verso il campione fino a quando il campione non è a fuoco nella fotocamera CCD. Per eseguire una misurazione ottica della riflettività, utilizzando l'immagine dello spazio reale del campione, posizionare la luce su una sezione riflettente e non serie del campione e capovolgere lo specchio per visualizzare il piano focale posteriore del microscopio.

Selezionate l'area del piano focale posteriore che corrisponde allo stato di polarizzazione di interesse e selezionate un'area di interesse come sezione trasversale rettilinea del piano focale posteriore obiettivo lungo l'asse che corrisponde alla polarizzazione magneto-ottica trasversale. Fate clic su Misura spettro normalizzazione (Measure Normalization Spectrum) per misurare lo spettro della sorgente luminosa. Poiché ogni lunghezza d'onda produce un insieme 1D di punti dati, l'intero spettro della sorgente luminosa viene salvato come tensore 2D in cui ogni punto dati rappresenta una combinazione di lunghezza d'onda e angolo.

Utilizzando l'immagine dello spazio reale del campione, posizionare la sorgente luminosa sul cristallo fotonico di interesse e tornare al piano focale posteriore, assicurando che le modalità plasmone siano visibili come linee scure che attraversano il piano focale posteriore. Utilizzando le stesse aree di interesse e le stesse impostazioni di misurazione, fare clic su Misura spettro riflesso per misurare lo spettro di riflessione del cristallo fotonico. Per eseguire una misurazione magneto-ottica, iniziare misurando un loop di isteresi usando un angolo e una lunghezza d'onda che sono noti per corrispondere a una buona risposta magneto-ottica.

Utilizzando il ciclo di isteresi, selezionare l'intervallo di campi magnetici da eseguire il loop. Per i campioni ferromagnetici, eseguire il loop dei campi da uno stato completamente saturo a uno stato saturo in senso opposto, estendendo l'intervallo comodamente sul campo di saturazione. Misurare infine l'intensità riflessa dal campione in ogni punto di campo magnetico definito, ripetendosi su più anelli come desiderato.

Ogni lunghezza d'onda e punto di magnetizzazione produrrà una singola matrice 1D di dati numerici per i quali ogni punto dell'array corrisponde a un particolare angolo. Per tenere conto della variazione spettrale nell'intensità della sorgente luminosa, normalizzare lo spettro ottenuto dallo spettro della sorgente luminosa. Ciò produrrà una matrice 2D di numeri da zero a uno per il quale uno corrisponde a condizioni completamente riflettenti e zero corrisponde a condizioni completamente assorbtive.

Per l'analisi dei dati, utilizzando il ciclo di isteresi del campione, assegnare ogni fotogramma misurato a uno degli stati saturi o allo stato intermedio, quindi scartare le intensità misurate per gli stati intermedi e sottrarre le intensità sature separatamente per ogni punto dati angolare e di lunghezza d'onda. In questa figura, si può osservare un microscopio elettronico a scansione di una griglia dvd commerciale ricoperta da un multistrato oro-cobalto-oro. Qui si possono osservare gli spettri ottici e magneto-ottici della griglia.

Le linee mostrano le relazioni di dispersione del plasmone calcolate dall'equazione uno e corrispondono a un evidente tuffo nella riflettività che deriva dal fatto che la radiazione incidente viene convertita in SPP e dissipata tramite smorzamento ohmico. Nello spettro magneto-ottico della griglia plasmonica, le linee del plasmone sono accompagnate da un aumento dell'attività magneto-ottica che si inverte bruscamente al polaritone plasmone superficiale. La forma della linea può essere spiegata dal fatto che la magnetizzazione cambia leggermente le condizioni di eccitazione del polaritone plasmone superficiale, risultando così in due diversi polaritoni plasmo di superficie per stati di magnetizzazione opposti.

A causa della piccola grandezza degli effetti magneto-ottici, il campo magnetico deve essere applicato in situ misurando ogni lunghezza d'onda al momento per garantire un rapporto segnale-rumore ottimale. Questa configurazione può essere utilizzata per una varietà di tecniche magneto-ottiche, ad esempio, per la microscopia di Kerr per studiare la struttura dominante dei materiali magnetici. Abbiamo studiato gli effetti magneto-ottici nella diffrazione limitando la diffusione angolare della luce incidente per osservare i fasci diffratti nel piano focale posteriore.