Summary
포토닉 밴드 구조는 제한된 전자기 모드가 포토닉 크리스탈 내에서 전파되는 방식을 이해할 수 있게 해줍니다. 자기 원소를 통합하는 포토닉 크리스탈에서는 밀폐 및 공진 광학 모드와 같은 강화되고 수정된 자기 광학 활동이 수반됩니다. 우리는 푸리에 공간 현미경검사법에 의해 자기 광학 대역 구조를 추출하는 측정 절차를 기술합니다.
Abstract
포토닉 크리스탈은 다양한 밀폐된 전자기 모드를 지원할 수 있는 주기적인 나노 구조입니다. 이러한 제한된 모드는 일반적으로 광물질 상호 작용을 강화하는 전기장 강도의 국부적 향상과 함께 표면 강화 라만 산란(SERS) 및 표면 플라스몬 강화 감지와 같은 응용 프로그램을 가능하게 합니다. 자기 광학 활성 재료가 있는 경우, 국소 현장 개선은 비정상적인 자기 광학 활성을 야기합니다. 전형적으로, 주어진 광결정의 제한된 모드는 입사된 전자기 복사의 파장 및 입사각에 강하게 의존한다. 따라서, 스펙트럼 및 각 해결 측정은 완전히 그들을 식별하고 결정의 자기 광학 활성과의 관계를 확립하는 데 필요합니다. 이 기사에서는 포리에 평면 (후면 초점 평면) 현미경을 사용하여 자기 광학 활성 샘플을 특성화하는 방법을 설명합니다. 모델 시스템으로, 여기에 우리는 자기 광학 활성 Au / Co / Au 다층으로 내장 된 플라스모닉 격자를 사용합니다. 실험에서, 우리는 현장에서 격자에 자기장을 적용하고 그 상호 공간 응답을 측정, 파장과 입사 각도의 범위에 걸쳐 격자의 자기 광학 응답을 획득. 이 정보를 통해 우리는 격자의 플라스모닉 밴드 구조와 각도 및 파장 의존적 자기 광학 활성의 전체 지도를 구축할 수 있습니다. 이 두 이미지는 플라스몬 공진이 격자의 자기 광학 반응에 미치는 영향을 정확히 파악할 수 있게 합니다. 비교적 작은 크기의 자기-광학 효과는 획득한 광 신호를 주의 깊게 처리해야 합니다. 이를 위해 획득된 원시 데이터로부터 자기-광학 반응을 얻기 위한 이미지 프로세싱 프로토콜이 배치된다.
Introduction
포토닉 결정의 제한된 전자기 모드는 금속/유전체 인터페이스 주위의 플라스몬 공진 또는 고굴절률 유전체나노구조체1,2,3,및 구체적으로 정의된 주파수4,5에서나타나도록 설계될 수 있다. 그들의 존재는 포토닉 밴드 갭6,7,8,강한 광자 국소화9,느린 빛10 및 Dirac 콘11과같은 많은 매혹적인 현상을 일으킵니다. 푸리에 평면 현미경 및 분광학은 광나노 구조의 특성화를 위한 기본 도구이며, 광나노구조체에서 발생하는 제한된 모드의 많은 필수 특성을 포착할 수 있습니다. 포리에 공간 현미경검사법에서는, 종래의 실제 평면 영상과는 달리, 정보는 각좌표12,13의함수로서 제시된다. 시료로부터 방출되는 빛의 각 분해가 현미경 의 후초점 평면으로부터 기록됨에 따라 백초점평면(BFP) 이미징으로 대체로 알려져 있다. 각 스펙트럼, 즉, 샘플의 원거리 방출 패턴은 그로부터 방출되는 빛의 운동량(-k)과 관련이 있다. 특히, 그 평면 모멘텀(kx,ky)분포(14)를나타낸다.
자기 광학 활성 샘플에서 제한된 광 광 흥분의 존재는 자기 광학 반응15,16,17,18,19의상당한 향상을 초래하는 것으로 나타났습니다. 자기 광학 효과는 자기장과 입사 전자기 방사선의 상호 기하학에 따라 달라집니다. 선형 편광 및 명명에 대한 가장 일반적으로 발생하는 자기 광학 형상은 그림 1에설명되어 있습니다. 여기서는 TMOKE 및 LMOKE와 같이 각각 축약된 가로 및 세로 자기 광학 Kerr 효과의 두 가지 자기 광학 효과를 탐색하는 데 사용할 수 있는 설정을 시연합니다. TMOKE는 반대자 자화 상태의 반사도가 다른 강도 효과이며 LMOKE는 반사광 편광 축의 회전으로 나타납니다. 그 효과는 빛 발생률에 대하여 자화의 배향에 의해 구별되며, 여기서 LMOKE의 경우, 자화는 빛의 파형 벡터의 평면 성분에 평행하게 향투하는 반면 TMOKE는 그것에 횡방향이다. 일반적으로 입사라이트의 경우 라이트 모멘텀의 평면 내 구성 요소는 모두 null(kx = ky = 0)이며 결과적으로 두 효과는 모두 0입니다. 두 효과가 모두 존재하는 구성을 쉽게 구상할 수 있습니다. 그러나 데이터 분석을 단순화하기 위해 이 데모에서는 효과 중 하나만 존재하는 상황, 즉 TMOKE로 제한됩니다.
여러 광학 구성을 사용하여 자기 광도 결정에서 방출되는 빛의 각 분포를 측정할 수 있습니다. 예를 들어, Kalish et al.20 및 Borovkova21에서,이러한 설정은 성공적으로 자기 광학 현상에 플라스몬 영향을 공개하기 위해 전송 기하학에 사용되었다. 그림으로, Kurvits 외22에서,몇 가지 가능한 구성은 무한대 보정 된 대물 렌즈를 사용하는 현미경에 대해 제시된다. 그림 2A에묘사된 구성에서 샘플의 지정된 지점에서 나오는 빛이 대물렌즈를 공선 빔으로 향하는 무한대 보정 렌즈를 사용합니다. 도 2A에서샘플의 상단(파선) 및 하단(실선)에서 나오는 빔이 개략적으로 묘사됩니다. 그런 다음 수집 렌즈를 사용하여 이러한 빔을 재초점을 맞추어 이미지 평면(IP)에서 이미지를 형성합니다. 버트랜드 렌즈라고도 하는 두 번째 렌즈는 이미지 평면 다음에 배치되어 초점 평면에서 들어오는 빛을 빨간색, 파란색 및 검은색으로 그림2A에 묘사된 각도 구성요소로 분리합니다. 이 백 포커스 평면에서 샘플에서 방출되는 빛의 각 분포를 카메라로 측정할 수 있습니다. 효과적으로 버트 랜드 렌즈는 도착하는 광선에 푸리에 변환을 수행합니다. BFP의 공간 강도 분포는 입사 방사선의 각 분포에 해당합니다. 샘플의 응답을 수집하는 데 사용되는 것과 동일한 목적으로 샘플을 조명하여 샘플의 전체 상호 공간 반사도를 확립할 수 있습니다. 들어오고 나가는 빔은 빔 스플리터를 사용하여 분리됩니다. 전체 설정은 그림 3A에 표시됩니다. 스펙트럼을 얻으려면 조정 가능한 광원 또는 단색화제가 필요합니다. 그런 다음 표준 광원의 스펙트럼으로 인해 결과를 제어 샘플의 반사도로 정규화해야 한다는 점을 염두에 두고 다양한 파장에 걸쳐 측정을 반복할 수 있습니다. 이를 위해 거울이나 샘플의 일부를 의도적으로 패턴화하지 않은 채 사용하여 높은 반사율을 허용할 수 있습니다. 위치 지정을 지원하기 위해 그림 2B에표시된 샘플의 실제 공간 이미징을 가능하게 하는 추가 광학 시스템과 설정을 통합하는 방법을 보여 줍니다.
이제 우리는 광자성 결정의 각 해결 된 자기 광학 스펙트럼을 측정하는 방법을 확립하기 위해 진행, 대표 샘플로 사용하여, Au / Co / Au 필름으로 덮여 DVD 격자 어디 강자성 코발트의 존재는 상당한 자기 광학활성을 초래한다 23. DVD 격자의 주기적인 주름은 표면 플라스몬 폴라리톤 (SPP) 공진을 통해 주어진 뚜렷한 파장 각 조합으로 가능하게합니다.
여기서 n은 주변 환경의 굴절률, k0 자유 공간에서 빛의 파동 벡터, θ0 입사각, 격자 및 m의 주기성은 SPP의 순서를 나타내는 정수이다. SPP 웨이브 벡터는 
θ1 및 θ2가 금속 층과 주변 유전체 환경의 허용도인 위치에 의해 주어집니다. 금/코발트 다층 필름의 두께로 인해, 우리는 SP가 다층 필름의 상단에 흥분한다고 가정 할 수 있습니다.
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Protocol
1. 설치 장착
- 광학
참고: 충분한 진동 절연이 있는 광학 테이블에 그림 3A에 설명된 대로 설정을 빌드합니다. 구면 및 기타 수차를 방지하려면 빔과 관련하여 모든 광학 부품(렌즈, 핀홀 등)을 중심으로 합니다. 광학 배열은 표시된 구성 요소 간의 거리와 함께 그림 2에 표시됩니다.- 백색 광원에서 단색 광으로 빛을 안내하여 단색 광빔을 얻습니다. 이 작업에 사용된 설정에 대한 자세한 내용은 재료 표를 참조하십시오. 단색화기를 강도와 가시성이 좋은 파장(예: 550 nm)으로 설정합니다. 스펙트럼의 가시적인 부분에서 파장을 사용하면 광학 요소를 쉽게 배치할 수 있습니다.
- 커플링 렌즈를 사용하여 빛을 섬유에 결합하고 섬유 종단시 목표와 충돌시. 사용된 광원에 따라 이 단계는 생략될 수 있습니다.
- 시준 렌즈에서 250mm 의 편광기를 배치하여 빔을 선형으로 편광하고 편광판에서 100mm 빔 스플리터를 배치하여 빛을 현미경 대물 렌즈로 안내합니다.
참고: 시준된 빔으로 인해 위에서 언급한 부품의 표시된 위치는 측정 설정의 광학에 영향을 미치지 않으며 안내를 위해서만 제공됩니다. - x-y-z 변환 단계가 장착된 샘플 홀더에 샘플을 놓고 z축, 즉 시료에 충돌하는 빛의 축을 중심으로 360도 샘플 회전을 가능하게 하는 회전 단계를 배치합니다.
- 세 방향으로 움직일 수 있는 변환 단계에 대물 렌즈를 장착합니다. 이 중 가장 중요한 것은 샘플에 초점을 맞추는 데 필요한 z축입니다.
참고: 샘플 번역에 필요한 장비는 사용된 샘플에 따라 다릅니다. 크고 균일한 샘플은 수동으로 배치될 수 있으며, 유용한 영역이 작은 샘플은 특히 핀홀을 사용하여 이미지 영역을 제한할 때 보다 신중한 위치 지정이 필요합니다(1.1.7단계). 샘플에서 나오는 빔의 광학은 도 2에 개략적으로 도시되어 있습니다. 무한대 보정 대물 렌즈는 시료의 각 지점에서 나오는 파동 을 공선 빔으로 향합니다. - f = 200mm(튜브 렌즈)의 컬렉터 렌즈를 배치하고, 대물렌즈에서 330mm를 배치하여 빔을 다시 초점을 맞추어 이미지 평면에서 이미지를 형성합니다. 샘플에서 방출되는 빛의 동선 전파로 인해 컬렉터 렌즈는 대물 렌즈로부터 임의의 거리에 배치할 수 있습니다.
참고: 이전과 마찬가지로 대물렌즈에서 나오는 빛이 시준됩니다. 그러나 튜브 렌즈는 빔 스플리터 후에 배치되어야합니다. - 컬렉터 렌즈에서 200mm의 이미지 평면에 핀홀을 배치하여 이미지 영역을 패턴 영역으로 제한합니다. 핀홀을 빔의 중심에 놓습니다. 핀홀을 사용하는 경우 샘플의 실제 공간 이미지를 사용하여 배치합니다. 패턴 영역이 라이트 빔에 의해 조명되는 영역보다 큰 샘플의 경우 필요하지 않습니다.
- f = 75mm(버트랜드 렌즈)로 두 번째 렌즈를 배치하고, 이미지 평면 후 120mm를 배치하여 이미지의 각 구성요소의 푸리에 변환을 만듭니다. 변환은 두 번째 렌즈의 초점에 생성되고 버트 랜드 렌즈에서 75mm 배치되는 과학 적인 sCMOS 카메라로 이미지화됩니다.
- LMOKE 측정의 경우 빔 스플리터와 컬렉터 렌즈 사이의 첫 번째 편광판에 대해 각도가 있는 추가 편광판을 삽입합니다.
- 자석
- 자석을 전원 공급 장치에 연결하고 시료에 자기장을 적용할 수 있도록 장착합니다. 자기장이 세로 방향, 횡단 또는 극지 방향으로 적용되는지 여부를선택합니다(그림 1).
- 샘플 준비
- 상업용 DVD 디스크를 기계적으로 분해하는 것; 이어서 노출된 격자 표면은 회절 적 재화로 인해 쉽게 식별 할 수 있습니다. 점착 테이프를 사용하여 이전 코팅을 벗깁니다. 표면을 청소하고 에탄올에 10 분 동안 담가 둡니다. 격자는 이제 자기 플라스모닉 코팅을 받을 준비가 되었습니다.
참고: 블루레이 및 CD와 같은 상용 광학 디스크는 다른 준비 프로토콜이 필요할 수 있습니다. - 전자 빔 증발에 의해 노출 된 격자에 금속 필름을 증착. 낮은 거칠기를 보장하려면 증발 속도를 5 Å/s보다 작게 사용하십시오.
- 4 nm Cr 접착제 층으로 시작하여 금과 코발트 층을 번갈아 가며 산화로부터 보호하기 위해 골드 캡핑 층으로 마무리합니다.
참고 : 우리는 다음과 같은 레이어 와 두께를 사용 : Cr (4 nm)/ Au (16 nm)/[Co (14 nm)/Au (16 nm)] × 4 / Co (14 nm)/Au (7 nm). - 광학 또는 전자 현미경 검사법(그림4A)을수행하여 시료 표면 상태를 확인하며, 균질성과 낮은 결함이 있는 경우 측정을 진행합니다.
- 상업용 DVD 디스크를 기계적으로 분해하는 것; 이어서 노출된 격자 표면은 회절 적 재화로 인해 쉽게 식별 할 수 있습니다. 점착 테이프를 사용하여 이전 코팅을 벗깁니다. 표면을 청소하고 에탄올에 10 분 동안 담가 둡니다. 격자는 이제 자기 플라스모닉 코팅을 받을 준비가 되었습니다.
2. 측정 절차
- 샘플 위치 지정
참고 : 예시 샘플로, 우리는 자성 Au / Co / Au 필름으로 덮여 DVD 격자를 측정합니다. 격자의 주기적인 주름으로 인해, SP는 파면 파장에 따라 발생의 특정 각도에서 흥분 될 수있다.- 은 페인트의 작은 방울을 사용하여 샘플 홀더에 샘플을 장착합니다. 은색 페인트를 10분 동안 건조시고 말립니다.
- 샘플의 실제 공간 이미징을 활성화하려면 이미지 평면 옆에 플립 미러를 삽입합니다. 이미지 평면이 초점에 있도록 f = 125mm의 렌즈 L1을 삽입하고 L1에서 135mm 거리에서 f = 250mm로 L2를 배치합니다.
- 마지막으로 L2에서 210mm의 전하 결합 장치(CCD) 카메라를 배치하여 이미지 평면의 확대된 이미지를 캡처합니다. 렌즈 L1과 L2를 CCD 카메라에 초점을 맞추고 이미지 평면에 핀홀이 놓일 때까지 이동합니다.
- 샘플이 CCD 카메라에서 초점이 맞을 때까지 대물 렌즈를 샘플 쪽으로 이동합니다.
- 광학 반사도 측정
- 샘플의 실제 공간 이미지를 사용하여 점등 지점을 샘플의 반사(패턴이 없는) 부분에 배치합니다. 플립 미러를 뒤집어 현미경의 BFP를 확인합니다.
참고 : 여기, DVD 격자에 대한 우리는 DVD 디스크의 가장자리에 연속 금속 필름을 사용합니다. - 원하는 편광 상태에 해당하는 후면 초점 평면의 영역을 선택합니다. 후초점 평면의 편광과 위치 간의 관계는 그림 3B에나와 있습니다. TM 편광에 해당하는 축을 따라 목표 백 포커스 평면(그림3C의파란색 직사각형)의 직사각형 단면으로 관심 영역(AOI)을 선택합니다.
참고: 이 원고에 사용되는 계측 소프트웨어에서는 커서 선택기를 사용하여 AOI를 선택하여 이 작업을 수행합니다. 그런 다음 소프트웨어는 사각형의 짧은 차원을 따라 강도를 평균화하고 결과 스펙트럼을 각 데이터 포인트가 샘플의 다른 방출 각도에 해당하는 데이터의 1D 배열로 처리합니다. 플라스모닉 격자에서는 TM 편광, 즉 격자 홈에 수직인 전기장을 가진 EM 방사만이 플라스몬 공명을 자극할 수 있습니다. 따라서 격자 방향에 따라 BFP의 수직 또는 수평 슬라이스를 선택하여 올바른 편광 상태를 선택해야 합니다. - 나중에 측정된 반사도 데이터를 정규화하는 데 사용되는 정규화 값 측정을클릭하여 광원의 스펙트럼을 측정합니다. 각 파장이 1D 데이터 포인트 세트를 생성할 때 광원의 전체 스펙트럼은 각 데이터 요소가 파장과 각도의 조합을 나타내는 2D 텐서로 저장됩니다.
- 샘플의 실제 공간 이미지를 다시 사용하여 광원을 관심 있는 포토닉 크리스탈 위에 배치합니다. BFP로 다시 전환할 때는 플라스몬 모드가 후면 초점 면을 가로지르는 어두운 선으로 표시되는지 확인합니다. 입사광의 파장이 수정되면 선이 이동합니다.
- 동일한 AOI 및 측정 설정(예: 노출 시간, 평균 수)을 사용하여 반사 스펙트럼 측정을클릭하여 포토닉 크리스탈의 반사 스펙트럼을 측정합니다.
- 광원 강도의 스펙트럼 변동을 고려하려면 광원의 스펙트럼에 따라 얻은 스펙트럼을 정규화합니다. 이렇게 하면 0에서 1까지의 2D 배열의 숫자가 생성되며 여기서 1은 완전히 반사되고 0은 완전히 흡수 조건에 해당합니다.
- 샘플의 실제 공간 이미지를 사용하여 점등 지점을 샘플의 반사(패턴이 없는) 부분에 배치합니다. 플립 미러를 뒤집어 현미경의 BFP를 확인합니다.
- 자기 광학 측정
- 좋은 자기-광학 반응에 대응하는 것으로 알려진 각도 및 파장을 이용하여 히스테리시스 루프를 측정함으로써 자기 광학 측정을 시작하며, 보통 이러한 조건은 SPP 여기에 가깝게 발견될 수 있다. 이렇게 하려면 SPP 여기 근처의 작은 AOI를 선택하고 단일 루프를 측정합니다.
참고: 자기-광학 활동을 정량화하는 데 필요한 데이터 분석은 샘플이 나타내는 자기의 유형에 따라 달라집니다. 여기서, 우리는 강자성 반응을 가정하고 그에 따라 결과를 취급한다. Dia- 또는 파라마그네틱 응답은 기본적으로 적용된 자기장에 선형이며 적용된 자기장 단위당 광학 적 특성의 변화로 정량화될 수 있습니다. 강자성 물질은 자기-광학 반응을 정의할 때 추가적인 고려가 필요한 비선형 허용도를 나타낸다(도 3D참조). TMOKE는 적용된 자기장의 함수로서 반사 된 강도의 변화로 정의됩니다, 즉,
I (M)는 자화 상태 M에서 샘플에 의해 반사되는 강도입니다. - 2.3.1.에서 측정된 히스테리시스 루프를 사용하여 루프할 자기장의 범위를 선택합니다. 강자성 시료의 경우 필드를 완전히 포화 상태에서 반대로 채도가 낮은 상태로 루프하여 채도 필드 위로 범위를 편안하게 확장합니다. 나중에 포화 상태에서 측정된 점을 사용하여 선형 기여로 확인할 수 있는 모든 디아 또는 파라마그네틱 기여도를 분석하고 제거합니다.
- 마지막으로 정의된 각 자기장 점에서 샘플이 반사하는 강도를 측정하여 원하는 경우 여러 루프를 반복합니다. 각 파장 및 자화 점은 배열의 각 점이 특정 각도에 해당하는 수치 데이터의 단일 1D 배열(즉, 측정된 광 강도)을 산출합니다.
- 좋은 자기-광학 반응에 대응하는 것으로 알려진 각도 및 파장을 이용하여 히스테리시스 루프를 측정함으로써 자기 광학 측정을 시작하며, 보통 이러한 조건은 SPP 여기에 가깝게 발견될 수 있다. 이렇게 하려면 SPP 여기 근처의 작은 AOI를 선택하고 단일 루프를 측정합니다.
I (M)는 자화 상태 M에서 샘플에 의해 반사되는 강도입니다.3. 데이터 분석
- 2.3.1단계에서 측정된 시료의 히스테리시스 루프를 사용하여, 2.3.3단계에서 측정된 각 프레임을 할당한다. 포화 상태 중 하나 또는 중간상태(그림 3C)로이동합니다.
- 중간 프레임을 폐기하고 각 및 파장 데이터 포인트에
대해 작업이 별도로 수행되는 측정된 강도에서 자기-광학 활동을 계산합니다.
참고: TMOKE가 상대 강도 변화로 표현되기 때문에 결과를 램프 스펙트럼으로 정규화할 필요가 없습니다. - 샘플이 포화 자기 상태 간의 신뢰할 수 있는 비교를 위해 빼야 하는 큰 파라마그네틱(또는 더 드물게, 직경자성) 활성을 제시하는 경우, 파라마그네틱 활성또는 다이자기 활성에서 발생하는 선형 기여도를 채도에서 측정된 포인트에 대해 선(다시 각 각도 및 파장 점에 대해 픽셀 단위로) 선형 기여도를 제거합니다.
대해 작업이 별도로 수행되는 측정된 강도에서 자기-광학 활동을 계산합니다.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
도 4A는 실험에서 데모 샘플을 사용한 Au/Co/Au 다층으로 덮인 상업용 DVD 격자의 주사 전자 현미경(SEM) 현미경을 나타낸다. 광학 및 자기 광학 스펙트럼은 각각 그림 4B,C에 표시됩니다. 샘플 제조에 대한 자세한 내용은다른 곳에서 23. 그림 4A,B의 검정선은 수학식 1에서 계산된 플라스몬 분산 관계를 보여줍니다. Au/Co/Au 다층의 허용도는 시첼로 외24의 보충 데이터 파일 1에서 가져온 것으로, 분광 성 타원계를 사용하여 유사한 다층을 측정했습니다. 격자의 주기성은 740 nm로 가정된다. 계산된 분산선은 도4A의 반사도에서 눈에 띄는 딥에 해당하며, 이는 입사 방사선이 SP로 변환되고 오믹 댐핑을 통해 소멸된 결과로 발생합니다.
후초점 평면의 픽셀 위치와 방출각도 사이의 관계는 다음과 같이 확립될 수 있습니다: 목표가 빛을 받아들일 수 있는 최대 각도 θmax는 수식에 의해 주어지며, 주위 매체의 수치 조리개 NA = 0.8 및 굴절률(air, n=1)에 따라 달라집니다. 이것은 푸리에 평면의 조명 영역의 극단에 해당하는 각도입니다. 이들 사이의 픽셀은 선형 방식으로 숫자를 할당할 수 있습니다 –NA 에서 +NA 그 위치에 숫자 조리개를 반영하고 해당 각도는 다음이 숫자의 역 사에 의해 주어진다 (필요한 경우 n으로 분할).
그림 4C는 플라스모닉 격자의 자기 광학 스펙트럼을 도시한다. 여기서, 플라스몬 라인은 SPP에서 갑자기 역전되는 자기 광학 활성의 증가를 수반한다. 선 모양은 자화가 SPP 여기 조건을 약간 변경하여 반대 자화 상태에 대해 두 개의 서로 다른 SP를 생성한다는 사실에 의해 설명 될 수 있습니다. 두 약간 변위된 상태의 반사도가 서로 빼면, 특징적인 미분선 형상이15,16,17을수득한다. 플라스몬 공진의 플라스몬 라인폭뿐만 아니라 생성된 자기-광학 스펙트럼은 금속다층(25,26)의재료 파라미터에 강하게 의존한다.
우리는 격자의 기하학적으로 인해, 자기 쉬운 축은 격자 자체를 따라 방향과 매우 큰 자기장이이 평면에서 포화하는 데 필요한, 이러한 이유로 LMOKE 측정이 특정 샘플과 함께 가능하지 않다는 것을 유의하십시오.
그림 1: 자기 광학 효과를 관찰할 수 있는 다른 형상.
폴라(A),세로(B)및 횡방향(C) 자성 광학 커 효과는 반사에서 관찰되고 패더데이(D)와 Voigt(E) 효과는 자화 매체를 통한 투과에서 발생한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 광학 설정.
(A)푸리에 평면 현미경 설정에서 빛 전파의 회로도 묘사. 뚜렷한 각 구성 요소(빨간색, 검은색 및 파란색 광선으로 묘사)는 후면 초점 평면에서 공간적으로 분리됩니다. (B)실제 공간 현미경에서 광 전파의 개략적 묘사. 렌즈 L1과 L2는 카메라로 이미지 평면에서 이미지 망원경을 형성한다. 광학 테이블의 구성 요소 간의 거리는 각 설정 아래에 강조 표시됩니다. 빨간색 숫자는 거리가 이미지 형성에 매우 중요하다는 것을 나타냅니다. 거리는 밀리미터입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 포리에 공간 현미경 및 측정.
(A)포리에 공간 현미경의 구성 요소. (B)목적에 초점을 맞춘 빛의 편광 상태를 개략적으로 묘사한다. 입사는 선형(x 방향을 따라) 광선이 시작되는 목적의 부분에 따라 TE-및 TM 편광으로 시료에 충돌합니다. (C)DVD 격자를 측정할 때 λ = 600 nm에서 현미경의 후면 초점 평면에서의 강도. 검은 색 흡수 선은 그림 4B, C에서볼 수있는 SPP 공명을 나타냅니다. AOI는 TE 편광에 대한 TM 편광에 대한 응답을 측정하기 위해 파란색 사각형으로 선택하거나 빨간색으로 선택할 수 있습니다. (D)적용된 자기장에 대한 전형적인 비선형 반응을 보여주는 강자성 물질의 회로도 히스테리시스 루프. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: DVD 격자 샘플에 대한 측정값입니다.
(A)Au/Co/Au 다층으로 덮인 상업용 DVD 격자의 SEM 현미경 그래프. 740 nm의 주기성을 가진 DVD 격자의 각 해결 반사도(B)및 자기 광학 활동맵(C). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
우리는 광학 결정의 각 해결 된 자기 광학 스펙트럼을 얻기 위해 측정 설정 및 프로토콜을 도입했습니다. 특히, 재료의 비선형 투과성을 설명하기 위해 추가적인 데이터 분석이 필요한 강자성 물질의 경우, 배치되었다. 각 성 해결 된 자기 광학 분광법은 광학 및 자기 광학 스펙트럼 모두에서 명확하게 정의 된 밴드로 나타날 때 제한된 모드가 더 쉽게 식별 될 수있는 비 각도 해결 방법에 비해 추가 이점을 제공합니다. 여기서 우리가 보여주는 접근법은 다양한 종류의 포토닉 크리스탈에 쉽게 적응할 수 있으며 표면 플라스몬 공명에 국한되지 않습니다.
이 기법에 대한 가장 일반적인 수정은 강도 효과보다는 편광 회전으로 나타나는 세로 및/또는 극성 커 효과를 측정하는 적응입니다. 편광 회전을 측정하려면 빔 스플리터와 컬렉터 렌즈 사이에 편광기를 추가로 배치하여 편광 회전에 비례하여 카메라에서 검출된 강도를 만들어야 합니다. 이러한 편광판은 자기-광신호(27)를최대화하기 위해 시료상에서 빛의 분광과 함께 45° 각도로 배치되어야 한다.
측정 기술의 일반적인 함정에는 자기장이 적용될 때 이동할 수 있도록 시료를 잘못 장착하는 것이 포함됩니다. 이는 샘플 홀더에 철과 같은 자기 금속을 사용하여 악화될 수 있습니다. 작은 나사와 같은 소량의 자기 금속조차도 자기 광학 효과를 완전히 가리는 움직임을 초래할 수 있습니다. 움직이는 샘플은 일반적으로 "바나나와 같은" 잘못된 히스테리시스 루프를 생성합니다. 따라서 시료를 장착하고 측정 전에 시료가 제자리에 단단히 고정되어 있는지 확인하는 데 적절한 주의를 기울여야 합니다. 시료의 적절한 장착을 확인하려면 좋은 신호를 초래하는 것으로 알려진 파장/각도 조합을 사용하여 히스테리시스 루프를 측정하고 그 모양이 예상대로 되어 있는지, 샘플 이동 또는 기타 수차의 아티팩트가 존재하지 않는지 확인하는 것이 좋습니다.
히스테리시스 루프의 측정에는 적용된 자기장 범위에 대한 반복이 필요하므로 측정에는 다소 시간이 걸립니다. 소스의 강도 수준이 시간이 지남에 따라 안정적이지 않은 경우, 자기장은 측정 된 히스테리시스 루프에 영향을 미치는 전력 드리프트를 피하기 위해 신속하게 루프되어야한다. 일반적으로 소스 전력 레벨은 히스테리시스 루프보다 더 느리게 표류하므로 이러한 조건에서도 TMOKE 대비를 측정할 수 있습니다. 신호가 시원하고 평균화가 필요한 경우 각 자기장 포인트의 프레임 수가 아닌 측정된 루프 수를 늘려 평균을 실현할 수 있습니다.
이 기술은 현장에서 자기장을 적용하는 데 의존합니다. 강자성 물질은 일반적으로 자기장이 없는 상태에서 자화 상태를 유지하지만, 자성 광학 효과의 작은 크기로 인해 자화를 조작하기 위한 샘플을 제거하면 자화 반전 전과 정확히 동일한 위치에 샘플을 다시 삽입하는 어려움.
우리가 여기에서 제시한 방법은 민감한 검출 장비와 안정적인 광원에 의존합니다. 표준 자기 광학 커 분광계에서 세로 또는 극성 커 구성에서 광탄성 변조기는 종종 신호 대 잡음 비율을 향상시키고 서로27,28에서회전 및 타원 성 구성 요소를 분리하는 데 사용됩니다. 그러나 광탄성 변조기의 변조 빈도는 일반적으로 50kHz 이상이기 때문에 현미경 카메라로 사용하기가 매우 어렵습니다. 따라서, 푸리에 공간 자기 광학 현미경에 대한 최상의 신호 대 잡음 비를 얻기 위해, 좋은 안정성카메라와 광원에 투자 할 필요가있다.
종방향 및 극성 자기 광학 측정에서 카메라의 빛 입사 강도는 이전에 배치된 교차 편광판으로 인해 크게 감소되어 훨씬 약한 것을 감지하는 데 필요한 카메라 장비에 추가 요구 사항이 있습니다. 신호.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
우리는 프로젝트 MAT2017-85232-R (AEI / FEDER, UE), 세베로, Ochoa (SEV-2015-0496) 및 일반 카탈루냐 (2017, SGR 1377), CNPq에 의해 – 브라질, 유럽 공동에 의해 (마리 Skłodowska-퀴리 강조 - 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
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