Spectrale en hoek-opgeloste Magneto-optische karakterisatie van fotonische nanostructuren

Fotonische bandstructuren brengen de dispersierelaties van de beperkte elektromagnetische modi in een fotonisch kristal in kaart en worden geassocieerd met verbeterde licht-materie interacties zoals magneto-optische effecten. Onze methode maakt het mogelijk om magneto-optische effecten in de wederkerige ruimte van het fotonische kristal in kaart te brengen, zodat we direct kunnen bestuderen hoe magnetisatie een fotonische respons wijzigt. Magneto-optische kristallen zijn interessant voor hun niet-wederkerige optische eigenschappen.

Hoewel we deze techniek zullen demonstreren met een eenvoudige plasmonische rooster, is het van toepassing op vele andere soorten fotonische kristallen. Een bijzondere uitdaging van deze techniek is dat de magneto-optische effecten zijn meestal zeer zwak, dus je moet extra zorg te nemen om ervoor te zorgen dat elk geluid wordt geminimaliseerd. Begin met het bouwen van de opstelling op een optische tafel met voldoende trillingsisolatie.

De optiek van de straal die uit het monster naar voren komt, moet worden ingesteld zoals aangegeven met de oneindig gecorrigeerde objectieve lensdilfinggolffronten die uit elk punt van het monster in collinearstralen naar voren komen. Plaats een collectorlens met een f van 200 millimeter 330 millimeter van het doel om de balken te heroriënteren om een beeld te vormen bij het beeldvlak. Plaats een spiegeltje na het afbeeldingsvlak om beeldvorming in de echte ruimte van het monster mogelijk te maken en voeg een L1-lens in met een f van 125 millimeter, zodat het beeldvlak scherp is.

Plaats een L2-lens met een f van 250 millimeter op een afstand van 135 millimeter van L1. Plaats een camera 210 millimeter van de L2-lens om een vergroot beeld van het beeldvlak vast te leggen en de L1-en L2-lens te verplaatsen totdat een gaatje in het beeldvlak is in goede focus op de CCD-camera. Plaats een gaatje in het beeldvlak op 200 millimeter van de collectorlens als dat nodig is om het afgebeelde gebied te beperken tot een klein gebied met patroon. Plaats een Bertrand lens met een f van 75 millimeter 120 millimeter na het beeldvlak om een Fourier transformatie van de hoekige componenten van het beeld te creëren en plaats een camera 75 millimeter van de Bertrand lens.

Met behulp van een kleine druppel zilververf, monteer het monster, een commerciële DVD rooster bedekt met magnetoplasmonische goud-kobalt-goud-film, op de monsterhouder. Plaats het monster tussen de polen van een elektromagneet en beweeg de objectieve lens naar het monster totdat het monster in goede focus is in de CCD-camera. Om een optische reflectiviteitsmeting uit te voeren, plaatst u met behulp van het afbeelding in de reële ruimte van het monster de lichtvlek op een reflecterend, niet-patroongedeelte van het monster en spiegelt u de spiegel om het achterste brandpuntsvlak van de microscoop te visualiseren.

Selecteer het gebied van het achterste brandpuntsvlak dat overeenkomt met de polarisatietoestand van belang en selecteer een interessegebied als een rechtlijnige dwarsdoorsnede van het doelachterbrandpuntvlak langs de as dat overeenkomt met de transversale magneto-optische polarisatie. Klik op Normalisatiespectrum meten om het spectrum van de lichtbron te meten. Aangezien elke golflengte een 1D-set gegevenspunten oplevert, wordt het volledige spectrum van de lichtbron opgeslagen als een 2D-tensor waarin elk gegevenspunt een combinatie van golflengte en hoek vertegenwoordigt.

Met behulp van de real-space afbeelding van het monster, plaats de lichtbron over de fotonische kristal van belang en schakel terug naar de achterkant brandpuntsvlak, ervoor te zorgen dat de plasmon modi zichtbaar zijn als donkere lijnen oversteken van de achterkant brandpuntsvlak. Met dezelfde interesse- en meetinstellingen klikt u op Reflectiespectrum meten om het reflectiespectrum van het fotonische kristal te meten. Om een magneto-optische meting uit te voeren, begin met het meten van een hysterese lus met behulp van een hoek en golflengte waarvan bekend is dat ze overeenkomen met een goede magneto-optische respons.

Selecteer met behulp van de hysterese lus het bereik van magnetische velden om te lus. Voor ferromagnetische monsters, lus de velden van een volledig verzadigde toestand naar een tegengestelde verzadigde toestand, uitbreiding van het bereik comfortabel over het verzadigingsveld. Ten slotte meet de intensiteit die door het monster wordt weerspiegeld op elk gedefinieerd magnetisch veldpunt, waarbij u naar wens over meerdere lussen wordt herhaald.

Elk golflengte- en magnetisatiepunt levert één enkele, 1D-array aan numerieke gegevens op waarvoor elk punt van de array overeenkomt met een bepaalde hoek. Om rekening te houden met de spectrale variatie in de lichtbronintensiteit, normaliseert u het verkregen spectrum door het spectrum van de lichtbron. Dit levert een 2D-reeks getallen op van nul tot één waarvoor men overeenkomt met volledig reflecterend en nul overeenkomt met volledig absorptieve omstandigheden.

Voor gegevensanalyse wijst u met behulp van de hystereselus van het monster elk gemeten frame toe aan een van de verzadigde toestanden of aan de tussenliggende toestand, vervolgens de gemeten intensiteiten voor de tussenliggende toestanden verwijderen en de verzadigde intensiteiten afzonderlijk aftrekken voor elk hoek- en golflengtegegevenspunt. In deze figuur, een scanning elektronenmicroscoop micrograaf van een commerciële DVD rooster bedekt met een goud-kobalt-goud meerlaags kan worden waargenomen. Hier kan de optische en magneto-optische spectra van het rooster worden waargenomen.

De lijnen tonen de plasmon dispersie relaties berekend uit vergelijking een en komen overeen met een opvallende dip in reflectiviteit die het gevolg is van het incident straling wordt omgezet in SVP's en verdreven via ohmic demping. In het magneto-optische spectrum van het plasmonische rooster gaan de plasmonlijnen gepaard met een toename van magneto-optische activiteit die abrupt omkeert aan het oppervlak plasmon polariton. De vorm van de lijn kan worden verklaard door het feit dat de magnetisatie lichtjes de oppervlakteplasmon polariton excitatievoorwaarden verandert, wat in twee verschillende oppervlakteplasmon polaritons voor tegenovergestelde magnetisatiestaten resulteert.

Vanwege de geringe omvang van de magneto-optische effecten moet het magnetisch veld worden toegepast in situ die elke golflengte op dat moment meet om een optimale signaal-ruisverhouding te garanderen. Deze opstelling kan worden gebruikt voor een verscheidenheid aan magneto-optische technieken, bijvoorbeeld voor Kerr-microscopie om de dominante structuur van magnetische materialen te bestuderen. We hebben de magneto-optische effecten in diffractie bestudeerd door de hoekige verspreiding van het invallende licht te beperken om de diffracted stralen in het achterste brandpuntsvlak te observeren.