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Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen
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Summary November 21st, 2019
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Die photonische Bandstruktur ermöglicht es zu verstehen, wie sich eingegrenzte elektromagnetische Modi in einem photonischen Kristall ausbreiten. In photonischen Kristallen, die magnetische Elemente enthalten, werden solche eingeschränkten und resonanzförmigen optischen Modi von einer verbesserten und modifizierten magneto-optischen Aktivität begleitet. Wir beschreiben ein Messverfahren zur Extraktion der magneto-optischen Bandstruktur durch Fourier Raummikroskopie.
Transcript
Photonische Bandstrukturen kartieren die Dispersionsverhältnisse der eingegrenzenden elektromagnetischen Modi in einem photonischen Kristall und sind mit verbesserten Licht-Materie-Wechselwirkungen wie magneto-optischen Effekten verbunden. Unsere Methode ermöglicht die Abbildung magnetooptischer Effekte im wechselseitigen Raum des photonischen Kristalls, so dass wir direkt untersuchen können, wie Magnetisierung eine photonische Reaktion verändert. Magnetooptische Kristalle sind für ihre nicht-gegenseitigen optischen Eigenschaften interessant.
Während wir diese Technik mit einem einfachen Plasmonischen Gitter demonstrieren werden, ist es auf viele andere Arten von photonischen Kristallen anwendbar. Eine besondere Herausforderung dieser Technik ist, dass die magneto-optischen Effekte in der Regel sehr schwach sind, so dass Sie besonders vorsichtig sein müssen, um sicherzustellen, dass jedes Rauschen minimiert wird. Beginnen Sie mit dem Aufbau des Setups auf einem optischen Tisch mit ausreichender Vibrationsisolierung.
Die Optik des Strahls, der aus der Probe hervorgeht, sollte wie angegeben mit der unendlich korrigierten Objektivlinse eingerichtet werden, die Wellenfronten leitet, die von jedem Punkt der Probe in kollineare Strahlen entstehen. Platzieren Sie eine Kollektorlinse mit einem f von 200 Millimetern 330 Millimeter vom Objektiv, um die Strahlen neu zu fokussieren, um ein Bild auf der Bildebene zu bilden. Legen Sie einen Flip-Spiegel nach der Bildebene ein, um eine reale Raumbildgebung der Probe zu ermöglichen, und legen Sie eine L1-Linse mit einem f von 125 Millimetern ein, sodass die Bildebene im Fokus steht.
Legen Sie eine L2-Linse mit einem f von 250 Millimetern in einem Abstand von 135 Millimetern von L1. Platzieren Sie eine Kamera 210 Millimeter vom L2-Objektiv entfernt, um ein vergrößertes Bild der Bildebene zu erfassen, und bewegen Sie das L1- und L2-Objektiv, bis ein Loch, das in der Bildebene platziert ist, in einem guten Fokus auf die CCD-Kamera liegt. Platzieren Sie ein Loch in die Bildebene bei Bedarf 200 Millimeter von der Kollektorlinse entfernt, um den abgebildeten Bereich auf einen kleinen, gemusterten Bereich zu beschränken. Platzieren Sie ein Bertrand-Objektiv mit einem F von 75 Millimetern 120 Millimeter nach der Bildebene, um eine Fourier-Transformation der Winkelkomponenten des Bildes zu erzeugen und eine Kamera 75 Millimeter vom Bertrand-Objektiv zu platzieren.
Mit einem kleinen Tropfen Silberfarbe montieren Sie die Probe, ein kommerzielles DVD-Gitter, das mit magnetoplasmonischem Gold-Kobalt-Gold-Film bedeckt ist, auf den Probenhalter. Platzieren Sie die Probe zwischen den Polen eines Elektromagneten und bewegen Sie dann die Objektivlinse in Richtung der Probe, bis die Probe in der CCD-Kamera im guten Fokus ist. Um eine optische Reflektivitätsmessung unter Verwendung des realen Raumbildes der Probe durchzuführen, positionieren Sie den Lichtfleck über einem reflektierenden, unpatternierten Abschnitt der Probe und kippen Sie den Spiegel, um die hintere Brennebene des Mikroskops zu visualisieren.
Wählen Sie den Bereich der hinteren Fokusebene aus, der dem Polarisationszustand von Interesse entspricht, und wählen Sie einen Interessenbereich als einen hinteren Querschnitt der objektiven Rückfokusebene entlang der Achse aus, der der querenmagneto-optischen Polarisation entspricht. Klicken Sie auf Normalisierungsspektrum messen, um das Spektrum der Lichtquelle zu messen. Da jede Wellenlänge einen 1D-Satz von Datenpunkten ergibt, wird das gesamte Spektrum der Lichtquelle als 2D-Tensor gespeichert, in dem jeder Datenpunkt eine Kombination aus Wellenlänge und Winkel darstellt.
Positionieren Sie die Lichtquelle mithilfe des realen Raumbildes der Probe über dem photonischen Kristall von Interesse, und wechseln Sie zurück zur hinteren Brennebene, um sicherzustellen, dass die Plasmonmodi als dunkle Linien sichtbar sind, die die hintere Brennebene kreuzen. Klicken Sie mithilfe der gleichen Interessenbereiche und Messeinstellungen auf Reflexionsspektrum messen, um das Reflexionsspektrum des photonischen Kristalls zu messen. Um eine magneto-optische Messung durchzuführen, beginnen Sie mit der Messung einer Hystereseschleife unter Verwendung eines Winkels und einer Wellenlänge, von der bekannt ist, dass sie einer guten magneto-optischen Reaktion entspricht.
Wählen Sie mithilfe der Hystereseschleife den Bereich der zu schleifenden Magnetfelder aus. Bei ferromagnetischen Proben werden die Felder von einem vollständig gesättigten Zustand in einen entgegengesetzten gesättigten Zustand geschleift, wodurch der Bereich bequem über das Sättigungsfeld erweitert wird. Messen Sie schließlich die von der Probe reflektierte Intensität an jedem definierten Magnetfeldpunkt, wobei sie sich über mehrere Schleifen wie gewünscht wiederholt.
Jeder Wellenlängen- und Magnetisierungspunkt ergibt ein einzelnes 1D-Array numerischer Daten, für das jeder Punkt des Arrays einem bestimmten Winkel entspricht. Um die spektrale Variation in der Lichtquellenintensität zu berücksichtigen, normalisieren Sie das erhaltene Spektrum durch das Spektrum der Lichtquelle. Dies ergibt ein 2D-Array von Zahlen von Null zu eins, für das man vollständig reflektierend und Null voll absorptiven Bedingungen entspricht.
Weisen Sie für die Datenanalyse unter Verwendung der Hystereseschleife der Probe jeden gemessenen Rahmen entweder den gesättigten Zuständen oder dem Zwischenzustand zu, verwerfen Sie dann die gemessenen Intensitäten für die Zwischenzustände und subtrahieren die gesättigten Intensitäten für jeden Winkel- und Wellenlängendatenpunkt separat. In dieser Abbildung kann ein Rasterelektronenmikroskop eines kommerziellen DVD-Gitters beobachtet werden, das mit einer Gold-Kobalt-Gold-Multischicht bedeckt ist. Hierkönnen die optischen und magneto-optischen Spektren des Gitters beobachtet werden.
Die Linien zeigen die aus Gleichung eins berechneten Plasmondispersionsverhältnisse und entsprechen einem auffälligen Rückgang der Reflektivität, der sich daraus ergibt, dass die einfallende Strahlung in SPPs umgewandelt und durch ohmsche Dämpfung abgeführt wird. Im magneto-optischen Spektrum des Plasmonengitters werden die Plasmonlinien von einer Zunahme der magneto-optischen Aktivität begleitet, die sich abrupt an der Oberfläche des Plasmonpolaritons umkehrt. Die Form der Linie lässt sich dadurch erklären, dass die Magnetisierung die Oberflächen-Plasmon-Polariton-Anregungsbedingungen leicht verändert, was zu zwei unterschiedlichen Oberflächenplasmonpolaritionen für entgegengesetzte Magnetisierungszustände führt.
Aufgrund der geringen Größe der magneto-optischen Effekte muss das Magnetfeld in situ angewendet werden, um jede Wellenlänge zu messen, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten. Dieses Setup kann für eine Vielzahl von magneto-optischen Techniken verwendet werden, zum Beispiel für die Kerr-Mikroskopie, um die dominante Struktur magnetischer Materialien zu untersuchen. Wir haben die magneto-optischen Effekte in der Beugung untersucht, indem wir die Winkelausbreitung des einfallenden Lichts einschränkten, um die diffracted Strahlen in der hinteren Fokalebene zu beobachten.
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