Caracterização magneto-óptica espectral e de ângulo-resolvido de nanoestruturas fotônicas

Estruturas de banda fotônica mapeiam as relações de dispersão dos modos eletromagnéticos confinados em um cristal fotônico e estão associadas a interações aprimoradas de matéria-luz, como efeitos magneto-ópticos. Nosso método permite o mapeamento de efeitos magneto-ópticos no espaço recíproco do cristal fotônico para que possamos estudar diretamente como a magnetização modifica uma resposta fotônica. Cristais magneto-ópticos são interessantes por suas propriedades ópticas não recíprocas.

Embora vamos demonstrar esta técnica com uma simples grade plasmônica, é aplicável a muitos outros tipos de cristais fotônicos. Um desafio particular desta técnica é que os efeitos magneto-ópticos são tipicamente muito fracos, então você tem que tomar cuidado extra para ter certeza de que qualquer ruído é minimizado. Comece construindo a configuração em uma mesa óptica com isolamento de vibração suficiente.

A óptica do feixe emergindo da amostra deve ser configurada conforme indicado com a lente objetiva corrigida pelo infinito direcionando frentes de onda emergindo de cada ponto da amostra em feixes collineares. Coloque uma lente coletora com uma f de 200 milímetros a 330 milímetros do objetivo de refocar os feixes para formar uma imagem no plano de imagem. Insira um espelho de 1 flip após o plano de imagem para permitir imagens em espaço real da amostra e insira uma lente L1 com um f de 125 milímetros para que o plano de imagem esteja em foco.

Coloque uma lente L2 com uma f de 250 milímetros a uma distância de 135 milímetros de L1. Coloque uma câmera a 210 milímetros da lente L2 para capturar uma imagem ampliada do plano de imagem e mova a lente L1 e L2 até que um orifício colocado no plano de imagem esteja em bom foco na câmera CCD. Coloque um orifício no plano de imagem a 200 milímetros da lente coletora conforme necessário para limitar a região imagem a uma pequena área padronizada. Coloque uma lente Bertrand com um f de 75 milímetros 120 milímetros após o plano de imagem para criar uma transformação Fourier dos componentes angulares da imagem e coloque uma câmera a 75 milímetros da lente Bertrand.

Usando uma pequena gota de tinta prateada, monte a amostra, uma grade de DVD comercial coberta com magnetoplasmônico ouro-cobalto-ouro-filme, no suporte de amostra. Coloque a amostra entre os polos de um eletroímã e mova a lente objetiva em direção à amostra até que a amostra esteja em bom foco na câmera CCD. Para realizar uma medição de refletividade óptica, usando a imagem de espaço real da amostra, posicione o ponto de luz sobre uma seção reflexiva e sem despacho da amostra e gire o espelho para visualizar o plano focal traseiro do microscópio.

Selecione a área do plano focal traseiro que corresponde ao estado de polarização de interesse e selecione uma área de interesse como uma seção retilíline do plano focal de volta objetivo ao longo do eixo que corresponde à polarização magneto-óptica transversal. Clique em Medir o Espectro de Normalização para medir o espectro da fonte de luz. Como cada comprimento de onda produz um conjunto 1D de pontos de dados, o espectro completo da fonte de luz é salvo como um tensor 2D no qual cada ponto de dados representa uma combinação de comprimento de onda e ângulo.

Usando a imagem de espaço real da amostra, posicione a fonte de luz sobre o cristal fotônico de interesse e mude de volta para o plano focal traseiro, garantindo que os modos plasmon sejam visíveis como linhas escuras cruzando o plano focal traseiro. Usando as mesmas áreas de interesse e configurações de medição, clique em Medir o Espectro de Reflexão para medir o espectro de reflexão do cristal fotônico. Para realizar uma medição magneto-óptica, comece medindo um loop de histerese usando um ângulo e comprimento de onda que são conhecidos por corresponder a uma boa resposta magneto-óptica.

Usando o laço de histerese, selecione a gama de campos magnéticos para loop. Para amostras ferromagnéticas, enrole os campos de um estado totalmente saturado para um estado ao contrário, ampliando o alcance confortavelmente sobre o campo de saturação. Por fim, meça a intensidade refletida pela amostra em cada ponto de campo magnético definido, repetindo-se sobre múltiplos loops conforme desejado.

Cada comprimento de onda e ponto de magnetização produzirão uma única matriz 1D de dados numéricos para os quais cada ponto da matriz corresponde a um ângulo específico. Para explicar a variação espectral na intensidade da fonte de luz, normalize o espectro obtido pelo espectro da fonte de luz. Isso produzirá uma matriz 2D de números de zero a um para o qual corresponde a plena reflexão e zero corresponde a condições totalmente absortivas.

Para análise de dados, utilizando o laço de histerese da amostra, atribua cada quadro medido a qualquer um dos estados saturados ou ao estado intermediário, depois descarte as intensidades medidas para os estados intermediários e subtraia as intensidades saturadas separadamente para cada ponto de dados angular e de comprimento de onda. Nesta figura, pode-se observar um micrografo de microscópio eletrônico de varredura de uma grade de DVD comercial coberta com uma multicamadas ouro-cobalto-ouro. Aqui pode ser observado o espectro óptico e magneto-óptico da grade.

As linhas mostram as relações de dispersão de plasmon calculadas a partir da primeira equação e correspondem a uma notável queda na reflexividade que resulta da radiação incidente sendo convertida em SPPs e dissipada através de amortecimento. No espectro magneto-óptico da grade plasmônica, as linhas de plasmon são acompanhadas por um aumento na atividade magneto-óptica que abruptamente se inverte na superfície plasmon polariton. A forma da linha pode ser explicada pelo fato de que a magnetização altera ligeiramente as condições de excitação de plasmon polariton da superfície, resultando em dois polaritons de plasmon de superfície diferentes para estados de magnetização opostos.

Devido à pequena magnitude dos efeitos magneto-ópticos, o campo magnético precisa ser aplicado in situ medindo cada comprimento de onda no momento para garantir a relação sinal-ruído ideal. Esta configuração pode ser usada para uma variedade de técnicas magneto-ópticas, por exemplo, para a microscopia kerr estudar a estrutura dominante de materiais magnéticos. Estudamos os efeitos magneto-ópticos na difração restringindo a propagação angular da luz do incidente para observar os feixes difracionados no plano focal traseiro.