Summary
Структура фотонической полосы позволяет понять, как ограниченные электромагнитные режимы распространяются в фотоническом кристалле. В фотонных кристаллах, которые включают магнитные элементы, такие замкнутые и резонансные оптические режимы сопровождаются усиленной и модифицированной магнито-оптической активностью. Мы описываем процедуру измерения для извлечения магнито-оптической структуры полосы с помощью космической микроскопии Фурье.
Abstract
Фотонические кристаллы являются периодическими наноструктурами, которые могут поддерживать различные ограниченные электромагнитные режимы. Такие замкнутые режимы обычно сопровождаются локальным повышением интенсивности электрического поля, что укрепляет взаимодействие световой материи, позволяя приложениям, таким как поверхностное рассеяние Раман (SERS) и улучшение плазмонов поверхности. При наличии магнито-оптически активных материалов, локальное улучшение поля приводит к аномальной магнито-оптической активности. Как правило, ограниченные режимы данного фотонных кристаллов сильно зависят от длины волны и угла частоты инцидента электромагнитного излучения. Таким образом, для их полной идентификации, а также для установления их связи с магнитооптической активностью кристалла необходимы спектральные и угловато-разрешенные измерения. В этой статье мы описываем, как использовать микроскоп Fourier-plane (задний фокусный самолет) для характеристики магнито-оптически активных образцов. В качестве модели системы, здесь мы используем плазмонную решетку, построенную из магнито-оптически активного многослойного Au/Co/Au. В экспериментах мы применяем магнитное поле на решетке на месте и измеряем его ответ на взаимное пространство, получая магнитооптическую реакцию решетки на диапазон длин волн и углов инцидента. Эта информация позволяет нам создать полную карту плазмонной структуры полосы решетки и угла и длины волны зависимой магнито-оптической активности. Эти два изображения позволяют нам определить влияние, которое плазмонные резонансы оказывают на магнито-оптический ответ решетки. Относительно небольшая величина магнитооптических эффектов требует тщательного обработки приобретенных оптических сигналов. С этой целью выкладывается протокол обработки изображений для получения магнитооптического ответа от полученных необработанных данных.
Introduction
Ограниченные электромагнитные режимы в фотонных кристаллах могут возникнуть из различных истоков, таких как плазмонные резонансы вокруг металлических/диэлектрических интерфейсов или резонансы Mie в высокорепрелодействующих индексных диэлектрических наноструктурах1,2,3,и могут быть разработаны, чтобы появиться на специально определенных частотах4,5. Их присутствие приводит к многим увлекательным явлениям, таким как фотонические пробелы полосы6,7,8,сильная локализация фотона9,медленный свет10 и конусы Дирака11. Четырехмерная микроскопия и спектроскопия самолета являются основными инструментами для характеристики фотонных наноструктур, поскольку они позволяют захватывать многие существенные свойства ограниченных режимов, происходящих в них. В космической микроскопии Фурье, в отличие от обычной реальной плоскости изображения, информация представлена как функция угловых координат12,13. Это также известный как задняя фокусная плоскость (BFP) изображения, как угловое разложение света, иссисходяго из образца регистрируется из задней фокусной плоскости микроскопа цели. Угловой спектр, т.е. схема излучения в дальней области образца, связан с импульсом света, исполнимого из него(к). В частности, он представляет свой в плоскости импульс (kx,ky) распределение14.
В магнито-оптически активных образцах, наличие ограниченных фотонных возбуждений, как было показано, приводит к значительному улучшению магнито-оптического ответа15,16,17,18,19. Магнитно-оптические эффекты зависят от взаимной геометрии магнитного поля и инцидента электромагнитного излучения. Нарисунка на рисунке 1магнитооптические геометрии линейно поляризованного света и их номенклатуры. Здесь мы демонстрируем установку, которая может быть использована для изучения двух магнито-оптических эффектов, которые наблюдаются в отражении: поперечные и продольные эффекты магнито-оптического Керра, сокращенно, соответственно, как TMOKE и LMOKE. TMOKE – это эффект интенсивности, где отражательные эффекты противоположных состояний намагниченности различны, в то время как LMOKE проявляется как вращение оси поляризации отраженного света. Эффекты отличаются ориентацией намагниченности по отношению к заболеваемости светом, где для LMOKE, намагничивание ориентировано параллельно в плоскости компонента вектора волны света пока для TMOKE оно поперечно к ему. Для нормального света инцидента оба в плоскости компоненты импульса света являются нулевыми (kx q ky 0) и, следовательно, оба эффекта равны нулю. Конфигурации, где оба эффекта присутствуют можно легко зачат. Однако, чтобы упростить анализ данных, в этой демонстрации мы ограничиваемся ситуациями, когда присутствует только один из эффектов, а именно TMOKE.
Несколько оптических конфигураций могут быть использованы для измерения углового распределения света, излучаемого из магнитофотонных кристаллов. Например, в Kalish et al.20 и Боровкове и др.21такая установка была успешно использована в геометрии трансмиссии для того, чтобы раскрыть плазмонное влияние на магнитооптические явления. В качестве иллюстрации в Kurvits et al.22некоторые возможные конфигурации представлены для микроскопа, использующему объектив объективной линзы с исправленной бесконечностью. В нашей конфигурации, изображенной на рисунке 2A,мы используем экран из-под исправления бесконечности, где свет, исходящий от данной точки в образце, направлен объективом в коллинеарные лучи. На рисунке 2A,лучи, возникающие сверху (разбитые линии) и нижние (твердые линии) образца схематично изображены. Затем, собирая объектив использован для того чтобы переориентировать эти лучи для того чтобы сформировать изображение на плоскости изображения (IP). Второй объектив, также известный как объектив Бертрана, помещается после плоскости изображения, чтобы отделить входящий свет в фокусной плоскости на угловые компоненты, изображенные на рисунке 2А в красном, синем и черном цвете. Из этой задней фокусной плоскости угловое распределение света, излучаемого образцом, может быть измерено с помощью камеры. Фактически, объектив Bertrand выполняет преобразование Фурье на световом луче, прибосьявающее к нему. Распределение пространственной интенсивности в BFP соответствует угловому распределению излучения инцидента. Полную карту отражения пространства образца можно установить путем освещения образца с той же целью, которая используется для сбора ответа образца. Входящие и исходящие лучи разделены с помощью сплиттера. Полная установка изображена на рисунке 3А. Для получения спектра необходим настраиваемый источник света или монохроматор. Измерение может быть повторено на различных длинах волн, имея в виду, что из-за спектра стандартных источников света, результаты должны быть нормализованы к отражательной части контрольного образца. Для этого можно использовать зеркало или часть образца, который был намеренно оставлен без шаблона, чтобы обеспечить высокую отражательную способность. Чтобы помочь в позиционировании, мы покажем, как интегрировать установку с дополнительной оптической системой, которая позволяет реальной космической визуализации образца, показанного на рисунке 2B.
Теперь мы приступим к созданию метода измерения углового решена магнито-оптического спектра фотонического кристалла, используя в качестве репрезентативного образца, DVD решетки покрыты Au / Co / Au пленки, где наличие ферромагнитного кобальта приводит к значительной магнито-оптической активности23. Периодическое гофрирование dvd решетки позволяет поверхности plasmon поляритон (SPP) резонансы на различных длина волны угол комбинации, которые даны
где n является рефракционным индексом окружающей среды, k0 волновой вектор света в свободном пространстве,0 угол частоты, d периодичность решетки и м является множеством, обозначающим порядок SPP. Вектор волны SPP 
дается где No1 и No2 являются разрешения металлическим слоем и окружающей диэлектрической средой. Из-за толщины многослойной пленки из золота/кобальта можно предположить, что ГЧП возбуждаются только поверх многослойной пленки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Установка установки
- Оптика
ПРИМЕЧАНИЕ: Создайте установку, как показано на рисунке 3А на оптическом столе с достаточной изоляцией вибрации. Чтобы избежать сферических и других аберраций, центр все оптические компоненты (линзы, пинхолы и т.д.) по отношению к лучу. Оптическое расположение показано на рисунке 2 с указанными расстояниями между компонентами.- Направляй свет от источника белого света к монохроматору, чтобы получить монохромный луч света. Подробную информацию о настройке, используемой в этой работе, можно узнать в таблице материалов. Установите монохроматор на длину волны, которая имеет хорошую интенсивность и видимость, например, 550 нм. Длина волны от видимой части спектра облегчает располагание оптических элементов.
- Используя соединительный объектив, соедините свет к волокну и сопутствоваем его с целью на прекращении волокна. В зависимости от используемого источника света этот шаг может быть опущен.
- Поместите поляризатор 250 мм от коллимирующего объектива, чтобы линейно поляризовать луч и поместите сплиттер пучка 100 мм от поляризатора, чтобы направить свет к объективу микроскопа объективной.
ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за коллимированного луча указанные позиции вышеупомянутых компонентов не влияют на оптику установки измерения и даются только для наведения. - Поместите образец на держатель образца, оснащенный этапом перевода x-y-z и этапом вращения, который обеспечивает 360-градусное вращение образца вокруг оси z, т.е. ось света, посягающего на образец.
- Установите объектив объективной линзы на этапе перевода, что позволяет движение в трех направлениях. Наиболее важным из них является z-оси, которая необходима для фокусировки на образец.
ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимое оборудование для перевода образцов зависит от используемых образцов. Большие однородные образцы могут быть расположены вручную, в то время как образцы с небольшой полезной площадью потребуют более тщательного позиционирования, особенно при использовании пинхола для ограничения изображенной области (шаг 1.1.7.). Оптика луча, вытекающая из образца, схематично изображена на рисунке 2. Исправленная объективной линзой бесконечности направляет волновые фронты, возникающие из каждой точки образца, в коллинеарные лучи. - Поместите коллекторский объектив с f й 200 мм (трубка объектив), 330 мм от цели, чтобы перефокусировать лучи, чтобы сформировать изображение на плоскости изображения. Благодаря коллинеарного распространения света, исссцирующегося из образца, линза коллектора может быть размещена на любом расстоянии от объектива цели.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как и прежде, свет, возникающий из объективного объектива, коллимируется. Тем не менее, трубка объектив должен быть помещен после сплиттера пучка. - Поместите пинхол в плоскость изображения на 200 мм от объектива коллектора, чтобы ограничить изображенную область узорчатой областью. Поместите пинхол в центре луча. При использовании пинхола используйте реальное космическое изображение образца, чтобы позиционировать его. Для образцов, где узорчатая площадь больше, чем область, освещенная лучом света, это не обязательно.
- Поместите второй объектив с f 75 мм (объектив Бертран), 120 мм после плоскости изображения, чтобы создать Фурье преобразование угловых компонентов изображения. Преобразование создается в фокусе второго объектива и изображением с помощью научной камеры sCMOS, которая находится 75 мм от объектива Bertrand.
- Для измерений LMOKE вставьте дополнительный поляризатор с углом по отношению к первому поляризатору между сплиттером луча и объективом коллектора.
- Магнит
- Подключите магнит к источнику питания и установите его так, чтобы магнитное поле можно было нанести на образец. Выберите, применяется ли магнитное поле в продольном, поперечном или полярном направлении(рисунок 1).
- Подготовка образцов
- Механически демонтировать коммерческий DVD-диск; впоследствии экспонируемая поверхность решетки может быть легко идентифицирована из-за ее диффрапактивной приличия. Используйте клеевую ленту, чтобы очистить предыдущие покрытия. Очистите поверхность, замочите ее в этаноле в течение 10 минут. Решетка теперь готова к получению магнито-плазмонного покрытия.
ПРИМЕЧАНИЕ: Различные коммерческие оптические диски, как Blu-Ray и компакт-диски, возможно, потребуется другой протокол подготовки. - Депозит металлической пленки на открытой решетке путем испарения электронного луча. Для обеспечения низкой шероховатости используйте скорость испарения меньше 5 к/с.
- Начиная с 4 нм Cr клеевого слоя, депозит чередующихся золотистого и кобальтового слоев, заканчивая с золотым укупорки слоя для обеспечения защиты от окисления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мы использовали следующее количество слоев и толщины: Cr (4 нм)/Au (16 нм)/Ко (14 нм)/Au (16 нм)» 4/Co (14 нм)/Au (7 нм). - Выполните оптическую или электронную микроскопию(рисунок 4А)для проверки условий поверхности образца, в случае однородности и низких дефектов приступить к измерению.
- Механически демонтировать коммерческий DVD-диск; впоследствии экспонируемая поверхность решетки может быть легко идентифицирована из-за ее диффрапактивной приличия. Используйте клеевую ленту, чтобы очистить предыдущие покрытия. Очистите поверхность, замочите ее в этаноле в течение 10 минут. Решетка теперь готова к получению магнито-плазмонного покрытия.
2. Процедура измерения
- Позиционирование образцов
ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве иллюстративного образца, мы будем измерять DVD решетки покрыты магнитоплазмонных Au / Co / Au фильма. Из-за периодического гофрирования решетки, САУ могут возбуждаться под определенным углом заболеваемости в зависимости от длины волны.- Установите образец на держатель образца, используя небольшую каплю серебряной краски. Пусть серебряная краска высохнет в течение 10 мин.
- Вставьте флип-зеркало после плоскости изображения, чтобы обеспечить реальное космическое изображение образца. Вставьте объектив L1 с f й 125 мм, так что изображение плоскости находится в фокусе и место L2 с f й 250 мм на расстоянии 135 мм от L1.
- Наконец, поместите заряд-связанные устройства (CCD) камеры 210 мм от L2 для захвата увеличенное изображение плоскости изображения. Перемещение линзы L1 и L2 до пинхол помещены в плоскости изображения в хорошем фокусе на ccD камеры.
- Переместите объектив объективного объектива к образцу до тех пор, пока образец не будет в хорошем фокусе в камере CCD.
- Измерение оптической отражательной способностью
- Используя реальное космическое изображение образца, расположите световое пятно над отражающей (неузорчатой) частью образца. Переверните флип-зеркало, чтобы увидеть BFP микроскопа.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь, для DVD-решетки мы используем непрерывную металлическую пленку на краю диска DVD. - Выберите область задней фокусной плоскости, которая соответствует желаемому состоянию поляризации. Взаимосвязь между поляризовыванием и положением в задней фокусной плоскости показана на рисунке 3B. Выберите область интереса (AOI) в виде прямоугольного сечения объективного задней фокусной плоскости (синий прямоугольник на рисунке 3C)вдоль оси, которая соответствует ТМ-поляризации.
ПРИМЕЧАНИЕ: В программном обеспечении приборов, используемом в этой рукописи, это достигается путем выбора AOI с помощью селекторов курсора. Программное обеспечение затем усредняет интенсивность вдоль короткого измерения прямоугольника и рассматривает полученный спектр как 1D массив данных, где каждая точка данных соответствует другому углу выбросов образца. В плазмонных решетках только ТМ-поляризованный свет, т.е. ЭМ-излучение с электрическим полем, перпендикулярно решетке, может возбуждать плазмонные резонансы. Таким образом, в зависимости от ориентации решетки, необходимо выбрать правильное состояние поляризации, выбрав вертикальный или горизонтальный срез BFP. - Измерьте спектр источника света, нажав спектр нормализации измерения,который будет использоваться позже для нормализации измеренных данных отражения. Поскольку каждая длина волны дает 1D набор точек данных, весь спектр источника света сохраняется как 2D тензор, где каждая точка данных представляет собой сочетание длины волны и угла.
- Используя снова реальное изображение пространства образца, положение источника света над фотон кристаллом интереса. При переключении обратно в BFP, убедитесь, что режимы плазмон видны как темные линии, пересекающие заднюю фокусную плоскость. Линии движутся по мере изменения длины волны света инцидента.
- Используя те же параметры AOI и измерения (т.е. время экспозиции, количество средних), измеряйте спектр отражения фотонных кристаллов, нажав спектр отражения измерения.
- Чтобы учесть спектральные изменения интенсивности источника света, нормализуем полученный спектр по спектру источника света. Это даст 2D массив чисел от 0 до 1, где 1 соответствует полностью отражающей и 0 полностью абсоративных условиях.
- Используя реальное космическое изображение образца, расположите световое пятно над отражающей (неузорчатой) частью образца. Переверните флип-зеркало, чтобы увидеть BFP микроскопа.
- Магнитооптическое измерение
- Начните магнито-оптическое измерение путем измерения петли гистерезсс с помощью угла и длины волны, которые, как известно, соответствуют хорошей магнито-оптической реакции, как правило, эти условия могут быть найдены близко к sPP возбуждения. Для этого выберите небольшой AOI вблизи возбуждений SPP и измерьте один цикл.
ПРИМЕЧАНИЕ: Анализ данных, необходимый для количественной оценки магнито-оптической активности, зависит от типа магнетизма, который проявляет образец. Здесь мы берем на себя ферромагнитную реакцию и относимся к результатам соответствующим образом. Диа- или парамагнитной реакции по существу линейной прикладного магнитного поля и может быть количественно, как изменение оптических свойств на прикладной единицы магнитного поля. Ферромагнитные материалы обладают нелинейной беспределом, которая требует дополнительного рассмотрения при определении магнито-оптического ответа (см. рисунок 3D). TMOKE определяется как изменение отраженной интенсивности как функция прикладного
магнитного поля, т.е. когда I(M) является интенсивность, отраженная образцом при состоянии намагниченности M. - Используя петлю гистереза, измеренную в 2.3.1., выберите диапазон магнитных полей для цикла. Для ферромагнитных образцов цикл поля от полностью насыщенного состояния до противоположнонасыщенного состояния, расширяя диапазон комфортно над полем насыщения. Позже используйте точки, измеренные в насыщенном состоянии, для анализа и удаления любых диа- или парамагнитных вкладов, которые могут быть проверены их линейным вкладом.
- Наконец, измерьте интенсивность, отраженную в образце в каждой определенной точке магнитного поля, повторяя при желании несколько петель. Каждая длина волны и точка намагничивания дают единый 1D массив численных данных (т.е. измеренную интенсивность света), где каждая точка массива соответствует определенному углу.
- Начните магнито-оптическое измерение путем измерения петли гистерезсс с помощью угла и длины волны, которые, как известно, соответствуют хорошей магнито-оптической реакции, как правило, эти условия могут быть найдены близко к sPP возбуждения. Для этого выберите небольшой AOI вблизи возбуждений SPP и измерьте один цикл.
магнитного поля, т.е. когда I(M) является интенсивность, отраженная образцом при состоянии намагниченности M.3. Анализ данных
- Используя цикл гистерезы образца, измеренного на шаге 2.3.1, присвоите каждый кадр, измеренный на шаге 2.3.3. в любом из насыщенных состояний или в промежуточном состоянии(рисунок 3C).
- Откажитесь от промежуточных кадров и вычислите магнито-оптическую активность из измеренной интенсивности по
, где операции выполняются отдельно для каждой угловой и длины волны данных точки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как TMOKE выражается как относительная интенсивность изменения, результаты не должны быть нормализованы для спектра лампы. - Если в образце представлена большая парамагнитная (или реже диамагнетная) активность, которую необходимо вычесть для надежного сравнения насыщенных магнитных состояний, вычесть линейный вклад, возникающий в результате пара- или диамагнитной активности, линия (опять же, pixelwise отдельно для каждого угла и длины волны точки) на точки, измеренные при насыщении и удалить линейный вклад.
, где операции выполняются отдельно для каждой угловой и длины волны данных точки.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 4А показан сканирующий электронный микроскоп (SEM) микрограф коммерческой DVD решетки, покрытой многослойной Au/Co/Au, которая использовалась демонстрационным образцом в наших экспериментах. Его оптические и магнито-оптические спектры показаны на рисунке 4B,C соответственно. Подробная информация о образце изготовления представлены в другом месте23. Черные линии на рисунке 4A,B показывают отношения дисперсии плазмонов, рассчитанные из уравнения 1. Разрешение многослойности Au/Co/Au взято из дополнительного файла данных 1 в Cichelero et al.24, где аналогичный многослойный измерялся с помощью спектроскопической эллипсометрии. Периодичность решетки составляет 740 нм. Рассчитанные линии дисперсии соответствуют заметному падению отражательной способностью на рисунке 4А, которое является результатом излучения, которое преобразуется в СМП и рассеивается с помощью охмического демпфирования.
Взаимосвязь между пиксельными позициями в задней фокусной плоскости(рисунок 3С)и угол излучения может быть установлена следующим образом: максимальный угол имакс, при котором цель может принимать свет, дается по формуле и зависит от численной диафрагмы NA 0,8 и рефракционного индекса окружающей среды (воздух, n no 1). Это угол, который соответствует крайностям освещенной области плоскости Фурье. Пикселям между ними может быть присвоено число линейным образом от -NA доNA, который отражает численное отверстие в их положении, и их соответствующий угол затем дается обратной синус этого числа (разделенный на n при необходимости).
На рисунке 4С изображен магнитооптический спектр плазмонной решетки. Здесь плазмонные линии сопровождаются увеличением магнитооптической активности, которая резко разворачивается на ГЭС. Форма линии может быть объяснена тем фактом, что намагничивание слегка изменяет условия возбуждения SPP, что приводит к подветренным SPP для противоположных состояний намагниченности. Когда отражаемые два слегка смещенных государства вычитаются друг из друга, характерная производная форма линии получается15,16,17. Плазменные линейные ширины плазмонных резонансов, а также результирующая магнито-оптическая спектра сильно зависят от материальных параметров металлического многослойного25,26.
Мы отмечаем, что из-за геометрии решетки, магнитная легкая ось ориентирована вдоль решетки себя и очень большие магнитные поля необходимы, чтобы насытить его из этой плоскости, по этой причине измерения LMOKE не представляется возможным с этой конкретной выборки.
Рисунок 1: Различные геометрии, где можно наблюдать магнито-оптические эффекты.
Полярные (A), продольные (B) и поперечные (C) магнито-оптические эффекты Керр наблюдаются в отражении в то время как Фарадей (D) и Voigt (E) эффекты происходят в передаче через намагнинную среду. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Оптическая установка.
(A) Схематическое изображение распространения света в микроскопической установке плоскости Фурье. Отдельные угловые компоненты (изображенные красными, черными и синими лучами) пространственно разделены на задней фокусной плоскости. (B) Схематическое изображение распространения света в реальном космическом микроскопе. Линзы L1 и L2 образуют телескоп, который изображения на плоскости изображения к камере. Расстояния между компонентами на оптической таблице подсвечиваются ниже каждой установки. Красные цифры указывают на то, что расстояние имеет решающее значение для формирования изображения. Расстояние в миллиметрах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Четырехкратный космический микроскоп и измерения.
(A) Компоненты космического микроскопа Фурье. (B) Схематическое изображение поляризации состояний света сосредоточены цели. Инцидент линейно (вдоль x-направления) поляризованный свет посягает на образец как TE- и TM-поляризованный в зависимости от части цели, где луч возникает. (C) Интенсивность на задней фокусной плоскости микроскопа на 600 нм при измерении dvd решетки. Черные абсорбционные линии указывают на резонансы SPP, которые также видны на рисунке 4B,C. AOI может быть выбран в качестве синего прямоугольника для измерения реакции на ТМ-поляризованный свет или красный для TE-поляризованных. (D) Схематический ислестерис петля ферромагнитного материала, демонстрирующая типичную нелинейную реакцию на прикладные магнитные поля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Измерения на образце на грательной решетке DVD.
(A) SEM микрограф коммерческой решетки DVD покрыты Au/ Co / Au многослойной. Угловая регулятивная отражательная способность(B)и магнито-оптическая карта активности (C) DVD решетки с периодичностью 740 нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы ввели установку измерения и протокол для получения угловато-разрешенных магнито-оптических спектров оптических кристаллов. В частности, был изложен случай ферромагнитных материалов, требующих дополнительного анализа данных для учета нелинейной проницаемости материала. Угловая решенная магнитооптическая спектроскопия представляет собой дополнительное преимущество перед неугловыми решенными методами, что ограниченные режимы могут быть более легко идентифицированы, поскольку они выглядят как четко определенные полосы как в оптических, так и в магнито-оптических спектрах. Подход, который мы здесь показываем, может быть легко адаптирован к различным видам фотонных кристаллов и не ограничивается поверхностными плазмонными резонансами.
Наиболее распространенной модификацией метода будет его адаптация для измерения продольных и/или полярных эффектов Керра, которые проявляются как вращение поляризации, а не эффекты интенсивности. Для измерения вращения поляриза, дополнительный поляризатор должен быть помещен между пучком сплиттер и объектив коллектора, чтобы сделать интенсивность обнаружена на камеру пропорционально вращению полярификализации. Этот поляризатор должен быть помещен под углом 45 "с поляризацией светового инцидента на образце, чтобы максимизировать магнито-оптический сигнал27.
Общие подводные камни в методе измерения включают неправильное монтаж образца, чтобы он мог двигаться при применении магнитного поля. Это может быть усугублено с помощью магнитного металла, таких как железо в образце держателя. Даже небольшое количество магнитных металлов, таких как небольшие винты может привести к движениям, которые маскируют магнито-оптический эффект полностью. Движущийся образец приводит, как правило, в "банано-как" неправильный цикл истерики. Таким образом, надлежащий уход должен быть принят при монтаже образца и убедившись, что он твердо на месте до измерений. Для подтверждения правильного монтажа образца рекомендуется измерять петли исеразиса с помощью комбинации длины волны/угла, которая, как известно, приводит к хорошему сигналу, и подтвердить, что его форма, как и ожидалось, и что никаких артефактов из движения образца или других аберраций нет.
Поскольку измерение петли истерики требует циклов по ряду прикладного магнитного поля, измерение занимает некоторое время. Если уровень интенсивности источника не стабилен с течением времени, магнитное поле должно быть зациклено быстро, чтобы избежать дрейфа мощности, влияющих на измеренные петли истерики. Как правило, уровни энергии источника дрейфуют медленнее, чем цикл истерики может быть измерен, что позволяет измерить контраст TMOKE даже в этих условиях. Если сигнал шумный и требуется больше усреднения, усреднение может быть реализовано за счет увеличения количества измеренных циклов, а не количества кадров в каждой точке магнитного поля.
Этот метод опирается на применение магнитного поля на месте. В то время как ферромагнитные материалы обычно поддерживают состояние намагничества в отсутствие прикладных магнитных полей, из-за небольшой величины магнито-оптических эффектов, удаление образца для манипулирования намагничиванием приводит к отказу из-за трудность повторного вставки образца в точно такое же положение, как это было до разворота намагнигализации.
Метод, который мы представили здесь, опирается на чувствительное оборудование обнаружения и стабильные источники света. В стандартной магнито-оптической спектроме Керр спектрометрии в продольной или полярной конфигурации Керр, фотоэуластичный модулятор часто используется для повышения соотношения сигнала к шуму и отделить вращение и эллиптивность компонентов друг от друга27,28. Тем не менее, частота модуляции фотоэластичного модулятора, как правило, более 50 кГц, что делает его очень трудно использовать с микроскопом камеры. Поэтому, чтобы получить наилучшее соотношение сигнала к шуму для магнито-оптического микроскопа Fourier, необходимо инвестировать в камеры и источники света с хорошей стабильностью.
В продольных и полярных магнитооптических измерениях интенсивность световых происшествий на камере значительно снижается из-за поставленного перед ней скрещенного поляризатора, что предъявляет дополнительные требования к оборудованию камеры, необходимому для обнаружения гораздо слабее Сигнал.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Мы признаем финансовую поддержку со стороны испанского министра и Компетивидад через проекты MAT2017-85232-R (AEI/FEDER,UE), Северо, Очоа (SEV-2015-0496) и Генеральный генералитет Каталонии (2017, SGR 1377), CNPq - Бразилия, и Европейской комиссии (Мари Склодовска-Кюри ИФ ЭММЕМ - DLV-748429).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Bayer, M., et al. Optical Modes in Photonic Molecules. Physical Review Letters. 81 (12), 2582-2585 (1998).
- 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).
- Rybin, M. V., et al. High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators. Physical Review Letters. 119 (24), 243901 (2017).
- Joannopoulos, J. D., Villeneuve, P. R., Fan, S. Photonic crystals. Solid State Communications. 102 (2), 165-173 (1997).
- Englund, D., Fushman, I., Vuckovic, J. General recipe for designing photonic crystal cavities. Optics Express. 13 (16), 5961-5975 (2005).
- Yablonovitch, E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Physical Review Letters. 58 (20), 2059-2062 (1987).
- Yablonovitch, E. Photonic band-gap structures. JOSA B. 10 (2), 283-295 (1993).
- Noda, S., Tomoda, K., Yamamoto, N., Chutinan, A. Full Three-Dimensional Photonic Bandgap Crystals at Near-Infrared Wavelengths. Science. 289 (5479), 604-606 (2000).
- John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Physical Review Letters. 58 (23), 2486-2489 (1987).
- Krauss, T. F. Slow light in photonic crystal waveguides. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (9), 2666-2670 (2007).
- 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).
- Wagner, R., Heerklotz, L., Kortenbruck, N., Cichos, F. Back focal plane imaging spectroscopy of photonic crystals. Applied Physics Letters. 101 (8), 081904 (2012).
- 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).
- Vasista, A. B., Sharma, D. K., Kumar, G. V. P. Fourier Plane Optical Microscopy and Spectroscopy. Digital Encyclopedia of Applied Physics. , 1-14 (2019).
- 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).
- Belotelov, V. I., et al. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. Nature Nanotechnology. 6 (6), 370 (2011).
- 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).
- Kataja, M., et al. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays. Nature Communications. 6, 7072 (2015).
- Kataja, M., et al. Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity. Optics Express. 24 (4), 3652-3662 (2016).
- Kalish, A. N., et al. Magnetoplasmonic quasicrystals: an approach for multiband magneto-optical response. Optica. 5 (5), 617-623 (2018).
- 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).
- Kurvits, J. A., Jiang, M., Zia, R. Comparative analysis of imaging configurations and objectives for Fourier microscopy. JOSA A. 32 (11), 2082-2092 (2015).
- 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).
- Cichelero, R., Kataja, M., Campoy-Quiles, M., Herranz, G. Non-reciprocal diffraction in magnetoplasmonic gratings. Optics Express. 26 (26), 34842-34852 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sato, K. Measurement of Magneto-Optical Kerr Effect Using Piezo-Birefringent Modulator. Japanese Journal of Applied Physics. 20 (12), 2403 (1981).
