Summary
Fotonik bant yapısı, sınırlı elektromanyetik modların fotonik kristal içinde nasıl yayDığını anlamanızı sağlar. Manyetik elementleri içeren fotonik kristallerde, bu tür sınırlı ve rezonanslı optik modlara gelişmiş ve modifiye edilmiş manyeto-optik aktivite eşlik eder. Fourier uzay mikroskobu ile manyeto-optik bant yapısını çıkarmak için bir ölçüm prosedürü tanımladık.
Abstract
Fotonik kristaller, çeşitli sınırlı elektromanyetik modları desteklenebilen periyodik nanoyapılardır. Bu tür sınırlı modlar genellikle ışık-madde etkileşimlerini güçlendiren elektrik alan yoğunluğunun yerel olarak iyileştirilmesi ile birlikte, yüzeyle geliştirilmiş Raman saçılma (SERS) ve yüzey plazmonu gelişmiş algılama gibi uygulamalara olanak sağlar. Manyeto-optik olarak aktif malzemelerin varlığında, yerel alan geliştirmea yol açan anormal manyeto-optik aktivite. Tipik olarak, belirli bir fotonik kristalin sınırlı modları, olayın elektromanyetik radyasyonunun dalga boyu ve insidansı açısına bağlıdır. Bu nedenle, spektral ve açısal olarak çözülmüş ölçümler in tam olarak tanımlamak için yanı sıra kristal manyeto-optik aktivitesi ile ilişkilerini kurmak için gereklidir. Bu makalede, manyeto-optik aktif örnekleri karakterize etmek için fourier düzlemi (arka odak düzlemi) mikroskobunasıl kullanılacağını açıklıyoruz. Bir model sistemi olarak, burada manyeto-optik aktif Au / Co / Au çok katmanlı inşa plazmonik ızgara kullanın. Deneylerde, rendeleme nin üzerine yerinde bir manyetik alan uygularız ve karşılıklı uzay tepkisini ölçer, ızgaranın manyeto-optik tepkisini çeşitli dalga boyları ve olay açıları üzerinden elde ederiz. Bu bilgiler, ızgaranın plazmonik bant yapısının ve açı ve dalga boyuna bağlı manyeto-optik aktivitenin tam bir haritasını oluşturmamızı sağlar. Bu iki görüntü, plazmon rezonanslarının ızgaranın manyeto-optik tepkisi üzerindeki etkisini tam olarak saptamamızı sağlar. Manyeto-optik etkilerin nispeten küçük büyüklüğü, elde edilen optik sinyallerin dikkatli bir şekilde işlenmesini gerektirir. Bu amaçla, elde edilen ham verilerden manyeto-optik yanıt almak için bir görüntü işleme protokolü düzenlenir.
Introduction
Fotonik kristallerde sınırlı elektromanyetik modlar metal / dielektrik arayüzleri veya yüksek kırılma indisi dielektrik nanoyapılar 1 Mie rezonansları etrafında plazon rezonansları gibi farklı kökenleri, çeşitli ortaya çıkabilir1 ,2,3, ve özellikle tanımlanmış frekanslarda görünmesi için tasarlanmış olabilir4,5. Onların varlığı fotonik bant boşlukları6,7,8,güçlü foton lokalizasyonu9, yavaş ışık10 ve Dirac konileri11gibi birçok büyüleyici olaylara yol açar. Fourier düzlem mikroskobu ve spektroskopi, fotonik nanoyapıların karakterizasyonu için temel araçlardır, çünkü içlerinde oluşan sınırlı modların birçok temel özelliğinin yakalanmasını sağlarlar. Fourier uzay mikroskobunda, geleneksel gerçek düzlem görüntülemenin aksine, bilgiler açısal koordinatların işlevi olarak sunulmaktadır12,13. Alternatif olarak arka odak düzlemi (BFP) görüntülemesi olarak bilinir, çünkü örnekten yayılan ışığın açısal ayrışması mikroskop hedefinin arka odak düzleminden kaydedilir. Açısal spektrum, yani, örneğin uzak alan emisyon deseni, ondan yayılan ışığın momentumu ile ilgilidir(k). Özellikle düzlem içi momentumunu (kx,ky)dağılımını temsil eder14.
Manyeto-optik aktif örneklerde, sınırlı fotonik uyarma varlığı manyeto-optik yanıt 15 önemli ölçüde geliştirme nedengösterilmiştir,16,17,18,19. Manyeto-optik etkiler manyetik alanın karşılıklı geometrisi ve olay elektromanyetik radyasyon bağlıdır. Doğrusal polarize ışık ve bunların terminolojisi için en sık karşılaşılan manyeto-optik geometriler Şekil 1'degösterilmiştir. Burada, yansımada gözlenen iki manyeto-optik efekti keşfetmek için kullanılabilecek bir düzeneği gösteriyoruz: enine ve boylamsal manyeto-optik Kerr efektleri, sırasıyla TMOKE ve LMOKE olarak kısaltılmış. TMOKE, karşıt manyetizasyon durumlarının yansıtıcılarının farklı olduğu bir yoğunluk etkisi, LMOKE ise yansıyan ışık kutuplaşma ekseninin bir dönüşü olarak kendini gösterir. Etkileri ışık insidansı ile ilgili manyetizasyon yönü ile ayırt edilir, LMOKE için, manyetizasyon ışığın dalga vektörü düzlem bileşeni paralel odaklı iken TMOKE için buna enine. Normalde olay ışığı için, ışığın momentumunun her iki düzlem bileşeni de null (kx = ky = 0) ve sonuç olarak her iki etki de sıfırdır. Her iki etkinin de bulunduğu yapılandırmalar kolayca tasarlanabilir. Ancak, veri analizini basitleştirmek için, bu gösteride kendimizi etkilerden sadece birinin mevcut olduğu durumlara, yani TMOKE ile sınırlandırıyoruz.
Manyetofotonik kristallerden yayılan ışığın açısal dağılımını ölçmek için çeşitli optik konfigürasyonlar kullanılabilir. Örneğin, Kalish ve ark.20 ve Borovkova ve ark.21'deböyle bir kurulum, manyeto-optik fenomenler üzerindeki plazmon etkisini ortaya çıkarmak için iletim geometrisinde başarıyla kullanılmıştır. Bir örnek olarak, Kurvits ve ark.22, bazı olası yapılandırmaları bir sonsuz düzeltilmiş objektif lens kullanan bir mikroskop için sunulmaktadır. Şekil 2A'dagösterilen yapılandırmamızda, örnekteki belirli bir noktadan gelen ışığın nesnel mercek tarafından collinear ışınlara yönlendirildiği sonsuz düzeltilmiş bir mercek kullanırız. Şekil 2A'da,örneğin üst kısmından (kesik çizgiler) ve alt (düz çizgiler) ortaya çıkan kirişler şematik olarak tasvir edilir. Daha sonra, bir toplama lens görüntü düzleminde bir görüntü oluşturmak için bu kirişler yeniden odaklamak için kullanılır (IP). Bertrand lens olarak da bilinen ikinci bir lens, daha sonra görüntü düzleminden sonra, odak düzleminde gelen ışığı şekil 2A'da kırmızı, mavi ve siyah olarak gösterilen açısal bileşenlere ayırmak için yerleştirilir. Bu arka odak düzleminden, numunetarafından yayılan ışığın açısal dağılımı bir kamera ile ölçülebilir. Etkili bir şekilde, Bertrand lens ona gelen ışık demeti üzerinde bir Fourier dönüşümü gerçekleştirir. BFP'deki mekansal yoğunluk dağılımı, olay radyasyonunun açısal dağılımına karşılık gelir. Numunenin tam karşılıklı alan yansıtma haritası, numunenin yanıtını toplamak için kullanılan aynı amaç ile aydınlatılarak oluşturulabilir. Gelen ve giden kirişler bir ışın ayırıcı kullanılarak ayrılır. Tam kurulum Şekil 3A'da gösterilmiştir. Bir spektrum elde etmek için, bir tmümkün ışık kaynağı veya monokromatör gereklidir. Ölçüm daha sonra farklı dalga boylarında tekrarlanabilir, standart ışık kaynaklarının spektrumu nedeniyle sonuçların bir kontrol numunesinin yansıtıcılığına göre normalleştirilmesi gerektiğini göz önünde bulundurarak. Bu amaçla, bir ayna veya yüksek bir yansıtıcılık sağlamak için kasıtlı olarak desensiz bırakılmış örnek bir parçası kullanabilirsiniz. Konumlandırmaya yardımcı olmak için, kurulumun şekil 2B'degösterilen örneğin gerçek zamanlı görüntülenmesine olanak tanıyan ek bir optik sistemle nasıl entegre edilebildiğini gösteriyoruz.
Şimdi bir fotonik kristal açısal çözülmüş manyeto-optik spektrum ölçmek için bir yöntem kurmak için devam, temsili bir örnek olarak kullanarak, ferromanyetik kobalt varlığı önemli manyeto-optik aktivite 23 yol açar bir Au / Co / Au film ile kaplı bir DVDızgara. DVD ızgarasının periyodik olukasyonu, yüzey plazmon polariton (SPP) rezonanslarının farklı dalga boyu-açı kombinasyonlarında
n'nin çevrenin kırılma indisi olduğu yerde, k0 serbest uzayda ışığın dalga vektörü, π0 insidans açısı, d ızgara nın periyodikliği ve m SPP'nin sırasını gösteren bir karşıcıdır. SPP dalga vektörü, 
ε1 ve ε2'nin metalik tabakanın ve çevresindeki dielektrik ortamın izin verdiği durumlarda verilir. Altın/kobalt çok katmanlı filmin kalınlığı nedeniyle, biz SPS sadece çok katmanlı film üstüne heyecanlı olduğunu varsayabiliriz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Kurulumun montajı
- Optik
NOT: Şekil 3A'da tasvir edildiği gibi yeterli titreşim yalıtımı olan optik bir tablo üzerinde kurulum yapın. Küresel ve diğer sapmalardan kaçınmak için, tüm optik bileşenleri (lensler, iğne delikleri vb.) ışınla ilgili olarak ortalar. Optik düzenleme şekil 2'de gösterilen bileşenler arasındaki mesafelerle birlikte gösterilmiştir.- Beyaz ışık kaynağından gelen ışığı monokromatik Bir ışık demeti elde etmek için bir monochromator kılavuzu. Bu çalışmada kullanılan kurulumla ilgili ayrıntılar için Malzemeler Tablosu'na bakın. Monochromator'u 550 nm gibi iyi bir yoğunluk ve görünürlüğe sahip bir dalga boyuna ayarlayın. Spektrumun görünür kısmından gelen bir dalga boyu optik elemanları konumlandırmayı kolaylaştırır.
- Bir kaplin lens kullanarak, çift bir lif Için ışık ve fiber sonlandırma bir amaç ile harmanlama. Kullanılan ışık kaynağına bağlı olarak, bu adım atlanabilir.
- Kirişi doğrusal polarize etmek için kollektör den 250 mm polarize edici yerleştirin ve ışığı mikroskop objektifine yönlendirmek için polarize den 100 mm'lik bir ışın ayırıcı yerleştirin.
NOT: Harmanlanmış kiriş nedeniyle, yukarıda belirtilen bileşenlerin belirtilen konumları ölçüm kurulumunun optiklerini etkilemez ve sadece rehberlik için verilir. - Numuneyi x-y-z çeviri aşaması ve z ekseni etrafında 360 derecelik bir numune döndürme, yani numuneye ışık sıkışma ekseni sağlayan bir dönüş aşaması ile donatılmış numune tutucuya yerleştirin.
- Nesnel merceği, üç yönde hareket etmenizi sağlayan bir çeviri sahnesine monte edin. Bunların en önemlisi, örneğe odaklanmak için gereken z eksenidir.
NOT: Örnek çeviri için gerekli ekipman kullanılan örneklere bağlıdır. Büyük, homojen numuneler el ile konumlandırılabilirken, küçük yararlı alana sahip numuneler özellikle görüntülenen alanı sınırlamak için bir iğne deliği kullanırken daha dikkatli konumlandırma gerektirir (adım 1.1.7.). Örnekten çıkan ışın optikleri şematik olarak Şekil 2'de gösterilmiştir. Sonsuz düzeltilmiş nesnel lens, numunenin her noktasından ortaya çıkan dalga cephelerini doğrusal ışınlara yönlendirir. - Görüntü düzleminde görüntü oluşturmak için ışınları yeniden odaklamak için f = 200 mm (tüp lüzf) ile bir kolektör lensi yerleştirin. Örnekten yayılan ışığın koldüzer yayılımı nedeniyle, kolektör merceği objektif lensten herhangi bir mesafede yerleştirilebilir.
NOT: Daha önce olduğu gibi objektif lensten çıkan ışık harmanlanır. Ancak, tüp lens ışın ayırıcı sonra yerleştirilmelidir. - Görüntülenen bölgeyi desenli alanla sınırlamak için kollektör merceğinden 200 mm'lik görüntü düzlemine bir iğne deliği yerleştirin. İğne deliğini Kirişin ortasına yerleştirin. Bir iğne deliği kullanıyorsanız, onu konumlandırmak için örneğin gerçek boşluk görüntüsünü kullanın. Desenli alanın ışık demeti ile aydınlatılan alandan daha büyük olduğu örnekler için bu gerekli değildir.
- Görüntünün açısal bileşenlerinin Fourier dönüşümü oluşturmak için görüntü düzleminden 120 mm sonra, f = 75 mm (Bertrand lens) ile ikinci bir lens yerleştirin. Transform, ikinci lensin odağında oluşturulur ve Bertrand lensten 75 mm uzaklıkta bulunan bilimsel bir sCMOS kamera ile görüntülenir.
- Yalnızca LMOKE ölçümleri için, Kiriş ayırıcısı ile kollektör lensi arasındaki ilk polarize göre açıyla ek bir polarize yerleştirin.
- Mıknatıs
- Mıknatısı bir güç kaynağına bağlayın ve manyetik alanın numuneye uygulanabilmesi için monte edin. Manyetik alanın uzunlamasına, transversal veya kutup yönünde uygulanıp uygulanmadığını seçin (Şekil 1).
- Numune hazırlama
- Ticari bir DVD diski mekanik olarak sökmek; daha sonra maruz ızgara yüzeyi kolayca diffractive uygunluğu nedeniyle tespit edilebilir. Önceki kaplamaları soymak için yapışkan bant kullanın. Yüzeyi temizleyin, 10 dakika etanol içinde bekletin. Izgara artık manyeto-plazmonik kaplama almaya hazırdır.
NOT: Blu-ray ve CD'ler gibi farklı ticari optik diskler, farklı bir hazırlık protokolü gerekebilir. - Metal filmi elektron ışını buharlaşması ile maruz kalan ızgaraüzerine yatırın. Pürüzlülüğü düşük sağlamak için, 5 Å/s'den küçük buharlaşma hızlarını kullanın.
- 4 nm Cr yapışkan tabakası ile başlayarak, oksidasyondan koruma sağlamak için altın kaplama tabakası ile biten, alternatif altın ve kobalt katmanları yatırın.
NOT: Aşağıdaki katman ve kalınlık sayılarını kullandık: Cr (4 nm)/Au (16 nm)/[Co (14 nm)/Au (16 nm)] × 4/Co (14 nm)/Au (7 nm). - Homojenlik ve düşük kusurdurumunda numune yüzey koşullarını doğrulamak için optik veya elektron mikroskobu(Şekil 4A)yapın.
- Ticari bir DVD diski mekanik olarak sökmek; daha sonra maruz ızgara yüzeyi kolayca diffractive uygunluğu nedeniyle tespit edilebilir. Önceki kaplamaları soymak için yapışkan bant kullanın. Yüzeyi temizleyin, 10 dakika etanol içinde bekletin. Izgara artık manyeto-plazmonik kaplama almaya hazırdır.
2. Ölçüm prosedürü
- Örnek konumlandırma
NOT: Açıklayıcı bir örnek olarak, magnetoplasmonic Au / Co / Au film ile kaplı bir DVD ızgara ölçecektir. Izgaranın periyodik oluklanması nedeniyle, SPP'ler dalga ucu dalga boyuna bağlı olarak belirli insidansı açılarında heyecanlanabilirler.- Küçük bir damla gümüş boya kullanarak numuneyi numune tutucuya monte edin. Gümüş boya 10 dakika kuru olsun.
- Örneğin gerçek alan görüntüsünü etkinleştirmek için görüntü düzleminden sonra bir flip ayna sıyrık takın. Görüntü düzleminin odakta olması için f = 125 mm'lik bir l1 lens takın ve L1'e 135 mm mesafede f = 250 mm ile L2 yerleştirin.
- Son olarak, görüntü düzleminin büyütülmüş bir görüntüsünü yakalamak için L2'den 210 mm'lik şarjlı bir cihaz (CCD) kamera yerleştirin. CcD kameraya iyi odaklanarak görüntü düzlemine yerleştirilen iğne deliği kadar lensler L1 ve L2 taşıyın.
- Objektif lensi, örnek CCD kamerada iyi bir odak alana kadar örneğe doğru hareket ettirin.
- Optik yansıtıcılık ölçümü
- Numunenin gerçek uzay görüntüsünü kullanarak, ışık noktasını numunenin yansıtıcı (desensiz) bir parçasının üzerine yerleştirin. Mikroskobun BFP'sini görmek için flip aynayı çevirin.
NOT: Burada DVD ızgarası için DVD diskin kenarında sürekli metalik film kullanıyoruz. - İstenilen kutuplaşma durumuna karşılık gelen arka odak düzleminin alanını seçin. Polarizasyon ile arka odak düzlemindeki konum arasındaki ilişki Şekil 3B'degösterilmiştir. TM-polarizasyona karşılık gelen eksen boyunca nesnel arka odak düzleminin dikdörtgen kesiti (Şekil 3C'dekimavi dikdörtgen) olarak ilgi alanı (AOI) seçin.
NOT: Bu el yazmasında kullanılan enstrümantasyon yazılımında imleç seçicileri kullanılarak AOI seçilerek elde edilir. Yazılım daha sonra dikdörtgenin kısa boyutu boyunca yoğunlukları ortalamalar ve her veri noktası örnek farklı bir emisyon açısına karşılık gelen bir 1D veri dizisi olarak ortaya çıkan spektrum davranır. Plazmonik ızgaralarda, sadece TM-polarize ışık, yani, Elektrik alanı ızgara oluklar dik EM radyasyon, plazmon rezonansları heyecanlandırabilir. Bu nedenle, ızgara yönlendirmebağlı olarak, ya BFP dikey veya yatay bir dilim seçerek doğru polarizasyon durumu seçmek için gereklidir. - Ölçülen yansıtma verilerini normalleştirmek için daha sonra kullanılacak olan Normalleştirme spektrumunu ölç'etıklayarak ışık kaynağının spektrumunu ölçün. Her dalga boyu 1B veri noktası kümesi ni verdikçe, ışık kaynağının tam spektrumu, her veri noktasının dalga boyu ve açı nın bir birleşimini temsil ettiği bir 2B tensör olarak kaydedilir.
- Numunenin gerçek uzay görüntüsünü tekrar kullanarak, ışık kaynağını ilginin fotonik kristalinin üzerine yerleştirin. BFP'ye geri dönerken, plazmon modlarının arka odak düzleminden geçen koyu çizgiler gibi görünür olduğundan emin olun. Olay ışığının dalga boyu değiştirildiğinde çizgiler hareket ettirilir.
- Aynı AOI ve ölçüm ayarlarını (yani pozlama süreleri, ortalama sayısı) kullanarak, fotonik kristalin yansıma spektrumuna ölçün.
- Işık kaynağı yoğunluğundaki spektral değişimi hesaba katmak için, elde edilen spektrumu ışık kaynağının tayfı ile normalleştirin. Bu, 0'dan 1'e kadar 2B sayı dizisi ve 1'in tam yansıtıcı ve 0'ın tam absorptive koşullarına karşılık geldiği bir dizi sayı verir.
- Numunenin gerçek uzay görüntüsünü kullanarak, ışık noktasını numunenin yansıtıcı (desensiz) bir parçasının üzerine yerleştirin. Mikroskobun BFP'sini görmek için flip aynayı çevirin.
- Manyeto-optik ölçüm
- Manyeto-optik ölçümü, iyi bir manyeto-optik tepkiye karşılık gelen bir açı ve dalga boyu kullanarak histerezis döngülerini ölçerek başlatın, genellikle bu koşullar SPP uyarmalarına yakın bulunabilir. Bunu yapmak için, SPP uyarma yakın küçük bir AOI seçin ve tek bir döngü ölçmek.
NOT: Manyeto-optik aktiviteyi ölçmek için gereken veri analizi, numunenin sergilediği manyetizmanın türüne bağlıdır. Burada ferromanyetik bir yanıt varsayıyoruz ve sonuçları buna göre değerlendiriyoruz. Dia veya paramanyetik tepki, uygulanan manyetik alana esasen doğrusaldır ve uygulanan manyetik alan birimi başına optik özelliklerdeki değişiklik olarak ölçülebilir. Ferromanyetik malzemeler manyeto-optik yanıtı tanımlarken ek önem gerektiren doğrusal olmayan bir izin gösterir (Bkz. Şekil 3D). TMOKE, uygulanan manyetik alanın işlevi olarak yansıyan yoğunluktaki değişim olarak tanımlanır, yani,
I(M) manyetizasyon durumundaki numunenin yansıttığı yoğunluktür. - 2.3.1.olarak ölçülen histeresis döngüsü kullanılarak, döngü için manyetik alanların aralığını seçin. Ferromanyetik numuneler için, alanları tam doygun bir durumdan ters doymuş bir duruma döndürün ve aralığı doygunluk alanı üzerinde rahatça genişletin. Daha sonra, doğrusal katkıları ile doğrulanabilir herhangi bir dia veya paramanyetik katkıları analiz etmek ve kaldırmak için doymuş durumda ölçülen noktaları kullanın.
- Son olarak, tanımlanan her manyetik alan noktasında numunenin yansıttığı yoğunluğu ölçün, istenirse birden fazla döngü üzerinde tekrarlayın. Her dalga boyu ve manyetizasyon noktası, dizinin her bir noktasının belirli bir açıya karşılık geldiği tek bir 1D sayısal veri dizisi (yani ölçülen ışık yoğunluğu) verir.
- Manyeto-optik ölçümü, iyi bir manyeto-optik tepkiye karşılık gelen bir açı ve dalga boyu kullanarak histerezis döngülerini ölçerek başlatın, genellikle bu koşullar SPP uyarmalarına yakın bulunabilir. Bunu yapmak için, SPP uyarma yakın küçük bir AOI seçin ve tek bir döngü ölçmek.
I(M) manyetizasyon durumundaki numunenin yansıttığı yoğunluktür.3. Veri analizi
- 2.3.1 adımda ölçülen numunenin histeriz döngüsü kullanılarak, adım 2.3.3'te ölçülen her kareyi atayın. doymuş hallerden biri veya ara duruma(Şekil 3C).
- Ara kareleri atın ve manyeto-optik aktiviteyi ölçülen
yoğunluklardan hesaplayın, burada işlemler her açısal ve dalga boyu veri noktası için ayrı ayrı yürütülür.
NOT: TMOKE göreceli yoğunluk değişimi olarak ifade edilirken, sonuçların lamba spektrumuna normalleştirilmesi gerekmez. - Örnek, doymuş manyetik durumlar arasında güvenilir bir karşılaştırma için çıkarılabilen büyük paramanyetik (veya daha nadiren diyamanyetik) aktivite gösteriyorsa, para veya diyamanyetik aktiviteden kaynaklanan doğrusal katkıyı doygunlukta ölçülen noktalarda (yine, her açı ve dalga boyu noktası için ayrı ayrı piksel olarak) çizgi ve doğrusal katkıyı kaldırın.
yoğunluklardan hesaplayın, burada işlemler her açısal ve dalga boyu veri noktası için ayrı ayrı yürütülür.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 4A, deneylerimizde bir gösteri örneği kullanılan Au/Co/Au çok katmanlı ticari bir DVD ızgarasının taramalı elektron mikroskobu (SEM) mikrografını göstermektedir. Optik ve manyeto-optik spektrumları sırasıyla Şekil 4B,C'de gösterilmiştir. Örnek imalatı ile ilgili ayrıntılar başka bir yerde sunulmaktadır23. Şekil 4A,B'deki siyah çizgiler, denklem 1'den hesaplanan plazmon dağılım ilişkilerini gösterir. Au/Co/Au çok katmanlı izin, benzer bir çok katmanlı spektroskopik elipzom kullanılarak ölçülen Cichelero ve ark.24'teki Ek Veri Dosyası 1'den alınmıştır. Isrelemenin periyodik sayısı 740 nm olarak kabul edilir. Hesaplanan dağılım çizgileri, olayradyasyonunsa kanala dönüştürülmesi ve ohmik sönümleme yoluyla dağılmasısonucu oluşan Şekil 4A'daki yansıtıcılıkta dikkat çekici bir düşüşe karşılık gelmektedir.
Arka odak düzlemindeki piksel konumları(Şekil 3C)ile emisyon açısı arasındaki ilişki şu şekilde kurulabilir: Amacın ışığı kabul edebileceğimaksimum açı formülle verilir ve sayısal diyafram na = 0.8 ve çevresindeki ortamın kırılma indisi (hava, n = 1) bağlıdır. Bu, Fourier düzleminin ışıklı alanının uç noktalarına karşılık gelen açıdır. Aralarındaki pikseller doğrusal bir şekilde bir sayı atanabilir –NA'dan +NA'ya konumlarındaki sayısal diyaframaçıklığını yansıtan ve karşılık gelen açıbu sayının ters sinüsü tarafından verilir (gerekirse n ile bölünür).
Şekil 4C plazmonik ızgaranın manyeto-optik spektrumunu tasvir eder. Burada, plazmon hatları aniden SPP tersine manyeto-optik aktivite bir artış eşlik ediyor. Çizgi şekli, manyetizasyon un SPP uyarma koşullarını biraz değiştirmesi ve böylece karşıt manyetizasyon durumları için iki farklı SP'ye yol açtığı gerçeğiyle açıklanabilir. Biraz yerinden edilmiş iki devletin yansımaları birbirlerinden çıkarıldığında, karakteristik bir türev çizgi şekli elde edilir15,16,17. Plazmon rezonanslarının plazmon çizgi genişlikleri ve ortaya çıkan manyeto-optik spektrumlar metal çok katmanlı25,26malzeme parametrelerine güçlü bağlıdır.
Isırık geometrisi nedeniyle manyetik kolay eksenin ızgaranın kendisi boyunca yönlendirilmiş olduğunu ve bu düzlemden dışarı yatmak için çok büyük manyetik alanlara ihtiyaç duyulduğunu, bu nedenle LMOKE ölçümlerinin bu örnekle mümkün olmadığını not ediyoruz.
Şekil 1: Manyeto-optik etkilerin gözlemlenebildiği farklı geometriler.
Polar (A), uzunlamasına (B) ve enine (C)manyeto-optik Kerr etkileri yansımada gözlenirken, Faraday (D) ve Voigt (E) etkileri manyetize ortamdan iletimde meydana gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Optik kurulum.
(A) Fourier düzlemmikroskobik kurulumışık yayılımı şematik tasviri. Farklı açısal bileşenler (kırmızı, siyah ve mavi ışınlarla betimlenmiştir) arka odak düzleminde mekansal olarak ayrılır. (B) Gerçek uzay mikroskobundaki ışık yayılımının şematik tasviri. L1 ve L2 lensleri, görüntü düzleminde kameraya doğru görüntüleyen bir teleskop oluşturur. Optik tablodaki bileşenler arasındaki mesafeler her kurulumun altında vurgulanır. Kırmızı sayılar, mesafenin görüntü oluşumu için kritik olduğunu gösterir. Mesafeler milimetre cinsinden. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Fourier uzay mikroskobu ve ölçümleri.
(A) Fourier uzay mikroskobunun bileşenleri. (B) Işığın kutuplaşma durumlarının şematik tasviri nesnel odaklıdır. Olay doğrusal (x-yönü boyunca) polarize ışık, ışığın kaynağı olan nesnel parçaya bağlı olarak hem TE- hem de TM-polarize olarak numuneüzerinde durarak. (C) DVD ızgarasını ölçerken mikroskobun arka odak düzleminde λ = 600 nm'deki yoğunluk. Siyah ezme çizgileri Şekil 4B,C'dede görülebilen SPP rezonanslarını gösterir. AOI, TE-polarize için TM polarize ışığa veya kırmızıya tepkiyi ölçmek için mavi dikdörtgen olarak seçilebilir. (D) Uygulanan manyetik alanlara tipik doğrusal olmayan yanıtı gösteren ferromanyetik bir malzemenin şematik histeresis döngüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: DVD ızgara örneğinde ölçümler.
(A) Au / Co / Au çok katmanlı ile kaplı ticari bir DVD ızgara SEM mikrograf. Açısal çözünmüş yansıtıcılık (B) ve manyeto-optik aktivite haritası(C)740 nm periyodik olarak DVD ızgarası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Optik kristallerin açısal çözümlü manyeto-optik spektrumlarını elde etmek için bir ölçüm kurulumu ve protokolü tanıttık. Özellikle, malzemenin doğrusal olmayan geçirgenliğini hesaba katmak için ek veri analizi gerektiren ferromanyetik malzemelerin durumu ortaya konulmuştur. Açısal çözülmüş manyeto-optik spektroskopi, hem optik hem de optik spektrumlarda açıkça tanımlanmış bantlar olarak görünen sınırlı modların daha kolay tanımlanabildiği açısal olmayan çözümlenmiş yöntemlere göre ek bir avantaj sunar. Burada gösterdiğimiz yaklaşım fotonik kristallerin çeşitli adapte edilebilir ve yüzey plazmon rezonansları ile sınırlı değildir.
Teknik için en yaygın değişiklik uzunlamasına ve / veya kutupKerr etkilerini ölçmek için adaptasyon olacaktır, bu yoğunluk etkileri yerine polarizasyon rotasyonu olarak tezahür. Polarizasyon dönüşünü ölçmek için, kamerada algılanan yoğunluğu polarizasyon dönüşüyle orantılı hale getirmek için ışın ayırıcısı ile kollektör merceği arasına ek bir polarizatör yerleştirilmelidir. Bu polarize 45 ° açıda manyeto-optik sinyal27maksimize etmek için örnek ışık olayının polarizasyon ile yerleştirilmelidir.
Ölçüm tekniğindeki yaygın tuzaklar, bir manyetik alan uygulandığında hareket edebilmek için numunenin yanlış monte edilebilmektedir. Bu, numune tutucuda demir gibi manyetik metal kullanılarak daha da ağırlaştırılabilir. Küçük vidalar gibi küçük miktarlardaki manyetik metaller bile manyeto-optik etkiyi tamamen maskeleyen hareketlere neden olabilir. Hareketli bir örnek genellikle "muz benzeri" yanlış histeresis döngüsünde sonuçlanır. Bu nedenle, numunenin montajı ve ölçümlerden önce sıkıca yerinde olduğundan emin olmak için uygun özenin alınması gerekir. Numunenin doğru montajını doğrulamak için, histerezis döngülerinin iyi sinyalle sonuçlanması ve şeklinin beklendiği gibi olduğunu ve örnek hareketi veya diğer sapmalardan herhangi bir aserin bulunmadığını doğrulayan bir dalga boyu/açı kombinasyonu kullanılarak ölçülmesi önerilir.
Histerezis döngüsünün ölçümü bir dizi uygulanan manyetik alan üzerinde döngü gerektirdiğinden, ölçüm biraz zaman alır. Kaynağın yoğunluk seviyesi zaman içinde sabit değilse, ölçülen histerezis döngülerini etkileyen güç sürüklenmesini önlemek için manyetik alan hızlı bir şekilde döngüye girmelidir. Tipik olarak, kaynak güç seviyeleri histeresis döngüsünden daha yavaş sürüklenir, bu koşullar altında bile TMOKE kontrastını ölçmeyi mümkün kılar. Sinyal gürültülüyse ve ortalama daha fazla gerekirse, ortalama, her manyetik alan noktasındaki kare sayısı yerine ölçülen döngü lerin sayısı artırılarak gerçekleştirilebilir.
Bu teknik, manyetik alanın yerinde uygulanmasına dayanır. Ferromanyetik malzemeler genellikle uygulanan manyetik alanların yokluğunda manyetizasyon durumlarını korurken, manyeto-optik etkilerin küçük büyüklüğü nedeniyle, manyetizasyon sonuçlarının manipüle edilememesi için numunenin çıkarılması örneklememanizasyon tersine çevirmeden önceki yle aynı konuma yeniden yerleştirme de güçlük.
Burada sunduğumuz yöntem hassas algılama ekipmanları ve kararlı ışık kaynaklarına dayanmaktadır. Uzunlamasına veya polar Kerr yapılandırmasında standart manyeto-optik Kerr spektrometresi, bir fotoelastik modülatör genellikle sinyal-gürültü oranını artırmak ve birbirinden rotasyon ve eliptik bileşenleri ayırmak için kullanılır27,28. Ancak, bir fotoelastik modülatör modülasyon frekansı genellikle bir mikroskop kamera ile kullanımı çok zor hale getirir 50 kHz daha fazladır. Bu nedenle, Fourier uzay manyeto-optik mikroskobu için mümkün olan en iyi sinyal-gürültü oranını elde etmek için, iyi stabilite ile kameralar ve ışık kaynaklarına yatırım yapmak gereklidir.
Uzunlamasına ve polar manyeto-optik ölçümlerde, kameradaki ışık olayının yoğunluğu, önüne yerleştirilen çapraz polarize nedeniyle büyük ölçüde azalır, bu da çok daha zayıf olanları tespit etmek için gerekli kamera ekipmanına ek gereksinimler getirir. Sinyal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
İspanya Ministerio de Economía y Competitividad projelerinin Mali Desteğini kabul ediyoruz MAT2017-85232-R (AEI/FEDER,UE), Severo, Ochoa (SEV-2015-0496) ve Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), CNPq – Brezilya tarafından ve Avrupa Komisyonu tarafından (Marie Skłodowska-Curie IF EMPHASIS - 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).
