Caracterización espectral y magneto-óptica resuelta en ángulo de nanoestructuras fotónicas

Engineering

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Summary

La estructura de la banda fotónica permite comprender cómo se propagan los modos electromagnéticos confinados dentro de un cristal fotónico. En los cristales fotónicos que incorporan elementos magnéticos, estos modos ópticos confinados y resonantes van acompañados de una actividad magneto-óptica mejorada y modificada. Describimos un procedimiento de medición para extraer la estructura de la banda magneto-óptica mediante la microscopía espacial Fourier.

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Kataja, M., Cichelero, R., Herranz, G. Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures. J. Vis. Exp. (153), e60094, doi:10.3791/60094 (2019).

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Abstract

Los cristales fotónicos son nanoestructuras periódicas que pueden soportar una variedad de modos electromagnéticos confinados. Estos modos confinados suelen ir acompañados de una mejora local de la intensidad del campo eléctrico que fortalece las interacciones entre la luz y la materia, lo que permite aplicaciones como la dispersión de Raman (SERS) mejorada en superficie y la sensibilidad mejorada de plasmón superficial. En presencia de materiales magneto-ópticamente activos, la mejora del campo local da lugar a una actividad magneto-óptica anómala. Típicamente, los modos confinados de un cristal fotónico dado dependen fuertemente de la longitud de onda y el ángulo de incidencia de la radiación electromagnética incidente. Por lo tanto, se necesitan mediciones espectrales y resueltas angularmente para identificarlas plenamente, así como para establecer su relación con la actividad magneto-óptica del cristal. En este artículo, describimos cómo utilizar un microscopio de plano de Fourier (plano focal posterior) para caracterizar muestras magnetoópticamente activas. Como sistema de modelos, aquí utilizamos una rejilla plasmónica construida a partir de magneto-ópticamente activo Au/Co/Au multicapa. En los experimentos, aplicamos un campo magnético en la rejilla in situ y medimos su respuesta espacial recíproca, obteniendo la respuesta magneto-óptica de la rejilla en un rango de longitudes de onda y ángulos de incidencia. Esta información nos permite construir un mapa completo de la estructura plasmónica de la banda de la rejilla y el ángulo y la longitud de onda dependiente actividad magneto-óptica. Estas dos imágenes nos permiten precisar el efecto que las resonancias plasmal tienen en la respuesta magneto-óptica de la rejilla. La magnitud relativamente pequeña de los efectos magneto-ópticos requiere un tratamiento cuidadoso de las señales ópticas adquiridas. Con este fin, se establece un protocolo de procesamiento de imágenes para obtener una respuesta magneto-óptica a partir de los datos sin procesar adquiridos.

Introduction

Los modos electromagnéticos confinados en cristales fotónicos pueden surgir de una variedad de orígenes diferentes, tales como resonancias plasmón alrededor de interfaces metálicas/dieléctricas o resonancias Mie en nanoestructuras dieléctricas de alto índice de refracción1,2,3, y pueden ser diseñados para aparecer en frecuencias definidas específicamente4,5. Su presencia da lugar a muchos fenómenos fascinantes como las brechas de banda fotónica6,7,8, fuerte localización de fotones9, luz lenta10 y conos Dirac11. La microscopía de plano y la espectroscopia de Fourier son herramientas básicas para la caracterización de nanoestructuras fotónicas, ya que permiten capturar muchas propiedades esenciales de los modos confinados que se producen en ellas. En la microscopía espacial Fourier, a diferencia de las imágenes planas reales convencionales, la información se presenta como la función de las coordenadas angulares12,13. Alternativamente se conoce como imagen del plano focal posterior (BFP), ya que la descomposición angular de la luz que emana de la muestra se registra desde el plano focal posterior del objetivo del microscopio. El espectro angular, es decir, el patrón de emisión de campo lejano de la muestra está relacionado con el impulso de la luz que emana de ella (ak). En particular, representa su distribución de impulso en plano (kx,ky)14.

En muestras magnetoópticamente activas, se ha demostrado que la presencia de excitaciones fotónicas confinadas da como resultado una mejora considerable de la respuesta magneto-óptica15,16,17,18,19. Los efectos magnetoópticos dependen de la geometría mutua del campo magnético y de la radiación electromagnética incidente. Las geometrías magneto-ópticas más comúnmente encontradas para la luz polarizada linealmente y su nomenclatura se representan en la Figura 1. Aquí, demostramos una configuración que se puede utilizar para explorar dos efectos magneto-ópticos que se observan en la reflexión: efectos de Kerr magnetoópticos transversales y longitudinales, abreviados, respectivamente, como TMOKE y LMOKE. TMOKE es un efecto de intensidad, donde las reflectividades de los estados de magnetización opuestos son diferentes, mientras que LMOKE se manifiesta como una rotación del eje de polarización de luz reflejada. Los efectos se distinguen por la orientación de la magnetización con respecto a la incidencia de luz, donde para LMOKE, la magnetización se orienta paralela al componente plano del vector de onda de la luz mientras que para TMOKE es transversal a ella. Para la luz normalmente incidente, ambos componentes en el plano del impulso de la luz son nulos (kx x ky 0) y, en consecuencia, ambos efectos son cero. Las configuraciones en las que ambos efectos están presentes se pueden concebir fácilmente. Sin embargo, para simplificar el análisis de datos, en esta demostración nos limitamos a situaciones en las que sólo uno de los efectos está presente, a saber, TMOKE.

Se pueden utilizar varias configuraciones ópticas para medir la distribución angular de la luz emitida por los cristales magnetofotónicos. Por ejemplo, en Kalish et al.20 y Borovkova et al.21, tal configuración se utilizó con éxito en la geometría de transmisión para revelar la influencia del plasmón en los fenómenos magneto-ópticos. A modo de ilustración, en Kurvits et al.22, se presentan algunas configuraciones posibles para un microscopio que utiliza una lente objetivo corregida infinitamente. En nuestra configuración, representada en la Figura 2A,utilizamos una lente corregida infinita donde la luz procedente de un punto dado de la muestra es dirigida por la lente objetivo en haces colineales. En la Figura 2A, las vigas que emergen de la parte superior (líneas discontinuas) y la parte inferior (líneas sólidas) de la muestra se representan esquemáticamente. A continuación, se utiliza una lente de recogida para reenfocar estos haces para formar una imagen en el plano de imagen (IP). Una segunda lente, también conocida como lente Bertrand, se coloca después del plano de imagen para separar la luz entrante en su plano focal en componentes angulares, representados en la Figura 2A en rojo, azul y negro. Desde este plano focal posterior, la distribución angular de la luz emitida por la muestra se puede medir con una cámara. Efectivamente, la lente Bertrand realiza una transformación de Fourier en el haz de luz que llega a él. La distribución de intensidad espacial en el BFP corresponde a la distribución angular de la radiación incidente. Se puede establecer un mapa completo de reflectancia espacial recíproca de la muestra iluminando la muestra con el mismo objetivo que se utiliza para recoger la respuesta de la muestra. Las vigas de entrada y salida se separan mediante un divisor de vigas. La configuración completa se representa en la figura 3A. Para obtener un espectro, se necesita una fuente de luz ajustable o un monocromático. La medición se puede repetir a través de diferentes longitudes de onda, teniendo en cuenta que debido al espectro de fuentes de luz estándar, los resultados deben normalizarse a la reflectividad de una muestra de control. Para este propósito, se puede utilizar un espejo o una parte de la muestra que se ha dejado sin patrones a propósito para permitir una alta reflectividad. Para ayudar en el posicionamiento, mostramos cómo integrar la configuración con un sistema óptico adicional que permite la creación de imágenes en el espacio real de la muestra, que se muestra en la Figura 2B.

Procedemos ahora a establecer un método para medir el espectro magneto-óptico resuelto angular de un cristal fotónico, utilizando como muestra representativa, una rejilla de DVD cubierta con una película Au/Co/Au donde la presencia de cobalto ferromagnético da lugar a una considerable actividad magneto-óptica23. La ondulación periódica de la rejilla de DVD permite resonancias de polaritón plasmónico de superficie (SPP) en combinaciones de longitud de onda y ángulo distintas que son dadas por
Equation 1
donde n es el índice de refracción del entorno circundante, k0 el vector de onda de la luz en el espacio libre,0 el ángulo de incidencia, d la periodicidad de la rejilla y m es un entero que denota el orden del SPP. El vector de onda Equation 2 SPP se da por dondelos valoresde 1 y2 son las permitistividades de la capa metálica y el entorno dieléctrico circundante. Debido al grosor de la película multicapa de oro/cobalto, podemos suponer que los SPP sólo se excitan en cima de la película multicapa.

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Protocol

1. Montaje de la configuración

  1. Óptica
    NOTA: Construya la configuración como se muestra en la Figura 3A en una tabla óptica con suficiente aislamiento de vibración. Para evitar aberraciones esféricas y de otro tipo, centrar todos los componentes ópticos (lentes, agujeros, etc.) con respecto al haz. La disposición óptica se muestra en la Figura 2 con las distancias entre los componentes indicadas.
    1. Guiar la luz desde la fuente de luz blanca a un monocromático para obtener un haz de luz monocromático. Consulte la Tabla de materiales para obtener más información sobre la configuración utilizada en este trabajo. Ajuste el monocromador a una longitud de onda que tenga una buena intensidad y visibilidad, por ejemplo, 550 nm. Una longitud de onda de la parte visible del espectro facilita la colocación de los elementos ópticos.
    2. Usando una lente de acoplamiento, acopla la luz a una fibra y colima con un objetivo en la terminación de la fibra. Dependiendo de la fuente de luz utilizada, este paso puede omitirse.
    3. Coloque un polarizador a 250 mm de la lente de colimación para polarizar linealmente el haz y colocar un divisor de haz a 100 mm del polarizador para guiar la luz a la lente objetivo del microscopio.
      NOTA: Debido a la viga colimada, las posiciones indicadas de los componentes antes mencionados no afectan a la óptica de la configuración de medición y se dan solo para orientación.
    4. Coloque la muestra en el soporte de muestra equipado con una etapa de traslación x-y-z y una etapa de rotación que permita una rotación de muestra de 360 grados alrededor del eje z, es decir, el eje de luz que afecta a la muestra.
    5. Monte la lente objetivo en una etapa de traducción que permita el movimiento en tres direcciones. El más crucial de ellos es el eje z que se necesita para centrarse en la muestra.
      NOTA: El equipo necesario para la traducción de muestras depende de las muestras utilizadas. Las muestras grandes y homogéneas se pueden colocar manualmente, mientras que las muestras con un área útil pequeña requerirán un posicionamiento más cuidadoso, especialmente cuando se utiliza un agujero para limitar el área de la imagen (paso 1.1.7.). La óptica del haz que emerge de la muestra se representa esquemáticamente en la Figura 2. La lente objetivo corregida al infinito dirige los frentes de onda que emergen de cada punto de la muestra en haces colineales.
    6. Coloque una lente colectora con f a 200 mm (lente de tubo), 330 mm desde el objetivo para volver a enfocar los haces para formar una imagen en el plano de la imagen. Debido a la propagación colineal de la luz que emana de la muestra, la lente del colector se puede colocar a cualquier distancia de la lente objetivo.
      NOTA: Como antes, la luz que emerge de la lente objetivo se colima. Sin embargo, la lente del tubo debe colocarse después del divisor de haz.
    7. Coloque un agujero en el plano de imagen a 200 mm de la lente del colector para limitar la región de imagen al área con patrón. Coloque el agujero en el centro de la viga. Si utiliza un agujero, utilice la imagen de espacio real de la muestra para colocarla. Para las muestras donde el área estampada es más grande que el área iluminada por el haz de luz, esto no es necesario.
    8. Coloque una segunda lente con f a 75 mm (lente Bertrand), 120 mm después del plano de imagen para crear una transformación de Fourier de los componentes angulares de la imagen. La transformación se crea en el foco de la segunda lente y se crea una imagen con una cámara científica sCMOS que se coloca a 75 mm de la lente Bertrand.
    9. Sólo para mediciones LMOKE, inserte un polarizador adicional con un ángulo con respecto al primer polarizador entre el divisor de haz y la lente del colector.
  2. Imán
    1. Conecte el imán a una fuente de alimentación y móntelo para que el campo magnético se pueda aplicar en la muestra. Elija si el campo magnético se aplica en la dirección longitudinal, transversal o polar(Figura 1).
  3. Preparación de muestras
    1. Desmontar mecánicamente un disco DVD comercial; posteriormente, la superficie de rejilla expuesta se puede identificar fácilmente debido a sus diferentes propiedades activas. Utilice una cinta adhesiva para pelar los recubrimientos anteriores. Limpiar la superficie, remojarla en etanol durante 10 min. La rejilla ya está lista para recibir un recubrimiento magneto-plasmónico.
      NOTA: Diferentes discos ópticos comerciales como Blu-ray y CDs, pueden necesitar un protocolo de preparación diferente.
    2. Deposite la película metálica en la rejilla expuesta por evaporación de haz de electrones. Para garantizar una rugosidad baja, utilice tasas de evaporación inferiores a 5 o/s.
    3. A partir de una capa adhesiva Cr de 4 nm, deposite capas alternas de oro y cobalto, terminando con una capa de tapado de oro para garantizar la protección contra la oxidación.
      NOTA: Utilizamos el siguiente número de capas y espesores: Cr (4 nm)/Au (16 nm)/[Co (14 nm)/Au (16 nm)] a 4/Co (14 nm)/Au (7 nm).
    4. Realizar microscopía óptica o electrónica(Figura 4A)para verificar las condiciones de la superficie de la muestra, en caso de homogeneidad y defectos bajos proceder con la medición.

2. Procedimiento de medición

  1. Posicionamiento de la muestra
    NOTA: Como muestra ilustrativa, mediremos una rejilla de DVD cubierta con película magnetoplasmónica Au/Co/Au. Debido a la ondulación periódica de la rejilla, los SPP se pueden excitar en ciertos ángulos de incidencia basados en la longitud de onda del frente de onda.
    1. Monte la muestra en el soporte de la muestra con una pequeña gota de pintura plateada. Deje secar la pintura plateada durante 10 min.
    2. Inserte un espejo de volteo después del plano de imagen para habilitar la creación de imágenes de espacio real de la muestra. Inserte una lente L1 con f a 125 mm de modo que el plano de la imagen esté enfocado y coloque L2 con f a 250 mm a una distancia de 135 mm de L1.
    3. Finalmente coloque una cámara de dispositivo acoplado a carga (CCD) de 210 mm desde L2 para capturar una imagen ampliada del plano de imagen. Mueva las lentes L1 y L2 hasta que el agujero colocado en el plano de imagen se enfoque bien en la cámara CCD.
    4. Mueva la lente objetivo hacia la muestra hasta que la muestra esté enfocada en la cámara CCD.
  2. Medición de la reflectividad óptica
    1. Usando la imagen de espacio real de la muestra, coloque el punto de luz sobre una parte reflectante (sin patrón) de la muestra. Gire el espejo de volteo para ver el BFP del microscopio.
      NOTA: Aquí, para la rejilla de DVD utilizamos la película metálica continua en el borde del disco DVD.
    2. Seleccione el área del plano focal posterior que corresponde al estado de polarización deseado. La relación entre polarización y posición en el plano focal posterior se muestra en la Figura 3B. Seleccione un área de interés (AOI) como una sección transversal rectangular del plano focal posterior objetivo (rectángulo azul en la Figura 3C)a lo largo del eje que corresponde a la polarización TM.
      NOTA: En el software de instrumentación utilizado en este manuscrito, esto se logra seleccionando la AOI utilizando los selectores de cursor. A continuación, el software promedia las intensidades a lo largo de la dimensión corta del rectángulo y trata el espectro resultante como una matriz 1D de datos donde cada punto de datos corresponde a un ángulo de emisión diferente de la muestra. En las rejillas plasmónicas, sólo la luz polarizada TM, es decir, la radiación EM con campo eléctrico perpendicular a las ranuras de rejilla, puede excitar las resonancias plasmal. Por lo tanto, dependiendo de la orientación de la rejilla, es necesario seleccionar el estado de polarización correcto eligiendo un segmento vertical u horizontal del BFP.
    3. Mida el espectro de la fuente de luz haciendo clic en Medir espectro de normalización, que se utilizará más adelante para normalizar los datos de reflectividad medidos. A medida que cada longitud de onda produce un conjunto 1D de puntos de datos, el espectro completo de la fuente de luz se guarda como un tensor 2D donde cada punto de datos representa una combinación de longitud de onda y ángulo.
    4. Usando de nuevo la imagen del espacio real de la muestra, coloque la fuente de luz sobre el cristal fotónico de interés. Al volver a BFP, asegúrese de que los modos de plasmón sean visibles como líneas oscuras que cruzan el plano focal posterior. Las líneas se mueven a medida que se modifica la longitud de onda de la luz incidente.
    5. Usando la misma AOI y los mismos ajustes de medición(es decir, tiempos de exposición, número de promedios), mida el espectro de reflexión del cristal fotónico haciendo clic en Medir espectro de reflexión .
    6. Para tener en cuenta la variación espectral en la intensidad de la fuente de luz, normalice el espectro obtenido por el espectro de la fuente de luz. Esto producirá una matriz 2D de números de 0 a 1 donde 1 corresponde a condiciones totalmente reflectantes y 0 a condiciones totalmente absorbentes.
  3. Medición magneto-óptica
    1. Iniciar la medición magneto-óptica midiendo un bucle de histéresis utilizando un ángulo y una longitud de onda que se sabe que corresponden a una buena respuesta magneto-óptica, por lo general estas condiciones se pueden encontrar cerca de las excitaciones SPP. Para ello, elija un pequeño AOI cerca de las excitaciones SPP y mida un solo bucle.
      NOTA: El análisis de datos necesario para cuantificar la actividad magneto-óptica depende del tipo de magnetismo que exhibe la muestra. Aquí, asumimos una respuesta ferromagnética y tratamos los resultados en consecuencia. La respuesta dia magnética o paramagnética es esencialmente lineal al campo magnético aplicado y se puede cuantificar como cambio en las propiedades ópticas por unidad de campo magnético aplicada. Los materiales ferromagnéticos presentan una permisitividad no lineal que requiere una consideración adicional al definir la respuesta magneto-óptica (véase la figura 3D). El TMOKE se define como un cambio en la intensidad reflejada como Equation 2 la función del campo magnético aplicado, es decir, donde I(M) es la intensidad reflejada por la muestra en el estado de magnetización M.
    2. Usando el bucle de histéresis medido en 2.3.1., elija el rango de campos magnéticos para bucle. Para muestras ferromagnéticas, recorro los campos de un estado completamente saturado a un estado excesivamente saturado, extendiendo el rango cómodamente sobre el campo de saturación. Más tarde, utilice los puntos medidos en estado saturado para analizar y eliminar cualquier contribución dia o paramagnética que pueda ser verificada por su contribución lineal.
    3. Por último, mida la intensidad reflejada por la muestra en cada punto de campo magnético definido, repitiendo en varios bucles si lo desea. Cada longitud de onda y punto de magnetización producen una sola matriz 1D de datos numéricos (es decir, intensidad de luz medida) donde cada punto de la matriz corresponde a un ángulo determinado.

3. Análisis de datos

  1. Usando el bucle de histéresis de la muestra medida en el paso 2.3.1, asigne cada fotograma medido en el paso 2.3.3. a cualquiera de los estados saturados o al estado intermedio(Figura 3C).
  2. Deseche los fotogramas intermedios y calcule la Equation 2 actividad magneto-óptica a partir de las intensidades medidas, donde las operaciones se llevan a cabo por separado para cada punto de datos angular y de longitud de onda.
    NOTA: Como TMOKE se expresa como un cambio de intensidad relativo, los resultados no tienen que normalizarse en el espectro de la lámpara.
  3. Si la muestra presenta una gran actividad paramagnética (o más raramente diamagnética) que necesita restarse para una comparación fiable entre los estados magnéticos saturados, reste la contribución lineal derivada de la actividad para- o diamagnética línea (de nuevo, pixelwise por separado para cada ángulo y punto de longitud de onda) en los puntos medidos en la saturación y eliminar la contribución lineal.

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Representative Results

La Figura 4A muestra un microscopio electrónico de barrido (SEM) micrográfico de una rejilla de DVD comercial cubierta con Au/Co/Au multicapa que se utilizó una muestra de demostración en nuestros experimentos. Sus espectros ópticos y magneto-ópticos se muestran en la Figura 4B,C respectivamente. Los detalles sobre la fabricación de muestras se presentan en otros lugares23. Las líneas negras de la Figura 4A,B muestran las relaciones de dispersión de plasmón calculadas a partir de la ecuación 1. La permisitividad de la multicapa Au/Co/Au se toma del archivo de datos suplementarios 1 en Cichelero et al.24, donde se midió una multicapa similar utilizando elipsometría espectroscópica. Se supone que la periodicidad de la rejilla es de 740 nm. Las líneas de dispersión calculadas corresponden a una inmersión visible en la reflectividad en la Figura 4A que resulta de la radiación incidente que se convierte en SPPs y se disipa a través de amortiguación ohmica.

La relación entre las posiciones de píxeles en el plano focal posterior(Figura 3C)y el ángulo de emisión se puede establecer de la siguiente manera: el ángulo máximo de la temperaturamáxima en la que el objetivo puede aceptar la luz se da por la fórmula y depende de la apertura numérica NA a 0,8 y el índice de refracción del medio circundante (aire, n a 1). Este es el ángulo que corresponde a los extremos de la zona iluminada del plano de Fourier. Los píxeles entre ellos se les puede asignar un número de una manera lineal de –NA a +NA que refleja la apertura numérica en su posición y su ángulo correspondiente es dado por el seno inverso de este número (dividido por n si es necesario).

La Figura 4C representa el espectro magneto-óptico de la rejilla plasmónica. Aquí, las líneas de plasmón van acompañadas de un aumento de la actividad magneto-óptica que se invierte abruptamente en el SPP. La forma de la línea se puede explicar por el hecho de que la magnetización cambia ligeramente las condiciones de excitación SPP, lo que resulta en dos SPPs diferentes para estados de magnetización opuestos. Cuando las reflectividades de los dos estados ligeramente desplazados se restan entre sí, se obtiene una forma de línea derivada característica15,16,17. Los anchos de línea de plasmón de las resonancias plasmal, así como los espectros magneto-ópticos resultantes dependen en gran medida de los parámetros de material del metal multicapa25,26.

Observamos que debido a la geometría de la rejilla, el eje magnético fácil está orientado a lo largo de la rejilla en sí y se necesitan campos magnéticos muy grandes para saturarlo fuera de este plano, por esta razón las mediciones LMOKE no son factibles con esta muestra en particular.

Figure 1
Figura 1: Geometrías diferentes donde se pueden observar efectos magneto-ópticos.
Los efectos de Kerr magnetoópticos polares (A), longitudinal (B) y transversales (C) se observan en reflexión, mientras que los efectos Faraday (D) y Voigt (E) se producen en la transmisión a través de un medio magnetizado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Configuración óptica.
(A) Representación esquemática de la propagación de la luz en la configuración microscópica del plano de Fourier. Los distintos componentes angulares (representados con rayos rojos, negros y azules) están separados espacialmente en el plano focal posterior. (B) Representación esquemática de la propagación de la luz en el microscopio espacial real. Las lentes L1 y L2 forman un telescopio que imágenes en el plano de imagen a la cámara. Las distancias entre los componentes de la tabla óptica se resaltan debajo de cada configuración. Los números rojos indican que la distancia es crítica para la formación de imágenes. Las distancias están en milímetros. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Microscopio espacial Fourier y mediciones.
(A) Componentes del microscopio espacial Fourier. (B) Representación esquemática de los estados de polarización de la luz centrada en el objetivo. El incidente linealmente (a lo largo de la dirección X) la luz polarizada afecta a la muestra como TE- y TM-polarizada dependiendo de la parte del objetivo donde se origina el rayo. (C) Intensidad en el plano focal posterior del microscopio a 600 nm al medir la rejilla del DVD. Las líneas de absorción negras indican resonancias SPP que también son visibles en la Figura 4B,C. AOI se puede elegir como el rectángulo azul para medir la respuesta a la luz polarizada TM o rojo para TE-polarizado. (D) Lazo de histéresis esquemática de un material ferromagnético que demuestra la respuesta no lineal típica a los campos magnéticos aplicados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Mediciones en una muestra de rejilla de DVD.
(A) Micrografía SEM de una rejilla de DVD comercial cubierta con Au/Co/Au multicapa. Reflectividad resuelta angular (B) y mapa de actividad magneto-óptica (C) de la rejilla de DVD con periodicidad de 740 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Hemos introducido una configuración de medición y un protocolo para obtener espectros magnetoópticos resueltos angularmente de cristales ópticos. En particular, se ha establecido el caso de los materiales ferromagnéticos, que requiere un análisis de datos adicional para tener en cuenta la permeabilidad no lineal del material. La espectroscopia magneto-óptica resuelta angular presenta una ventaja adicional sobre los métodos resueltos no angulares de que los modos confinados pueden identificarse más fácilmente a medida que aparecen como bandas claramente definidas en espectros ópticos y magnetoópticos. El enfoque que mostramos aquí se puede adaptar fácilmente a varios tipos de cristales fotónicos y no se limita a las resonancias de plasmón superficial.

La modificación más común de la técnica sería su adaptación para medir los efectos longitudinales y/o polares de Kerr, que se manifiestan como rotación de polarización en lugar de efectos de intensidad. Para medir la rotación de polarización, se debe colocar un polarizador adicional entre el divisor de haz y la lente del colector para que la intensidad detectada en la cámara sea proporcional a la rotación de polarización. Este polarizador debe colocarse en un ángulo de 45o con la polarización del incidente de luz en la muestra para maximizar la señal magneto-óptica27.

Los escollos comunes en la técnica de medición incluyen el montaje incorrecto de la muestra para que pueda moverse cuando se aplica un campo magnético. Esto puede agravarse mediante el uso de metal magnético como el hierro en el soporte de la muestra. Incluso pequeñas cantidades de metales magnéticos como tornillos pequeños pueden dar lugar a movimientos que enmascaran por completo el efecto magneto-óptico. Una muestra en movimiento resulta típicamente en un bucle de histéresis incorrecta "similar a un plátano". Por lo tanto, se debe tener el cuidado adecuado en el montaje de la muestra y asegurarse de que esté firmemente en su lugar antes de las mediciones. Para confirmar el montaje adecuado de la muestra, se recomienda medir los bucles de histéresis utilizando una combinación de longitud de onda/ángulo que se sabe que da lugar a una buena señal y para confirmar que su forma es la esperada y que no hay artefactos del movimiento de la muestra u otras aberraciones.

Como la medición del bucle de histéresis requiere bucles sobre un rango de campo magnético aplicado, la medición toma algún tiempo. Si el nivel de intensidad de la fuente no es estable con el tiempo, el campo magnético debe ser en bucle rápidamente para evitar la deriva de potencia que afecta a los bucles de histéresis medidos. Típicamente, los niveles de potencia de la fuente se desvían más lentamente que un bucle de histéresis, lo que permite medir el contraste TMOKE incluso en estas condiciones. Si la señal es ruidosa y se necesita más promediación, el promedio se puede realizar aumentando el número de bucles medidos en lugar del número de fotogramas en cada punto de campo magnético.

Esta técnica se basa en la aplicación in situ del campo magnético. Mientras que los materiales ferromagnéticos suelen mantener su estado de magnetización en ausencia de campos magnéticos aplicados, debido a la pequeña magnitud de los efectos magneto-ópticos, la eliminación de la muestra para manipular la magnetización resulta en un fallo debido a la dificultad de reinsertar la muestra exactamente en la misma posición que era antes de la inversión de la magnetización.

El método que hemos presentado aquí se basa en equipos de detección sensibles y fuentes de luz estables. En la espectrometría de Kerr magneto-óptica estándar en configuración longitudinal o polar de Kerr, a menudo se utiliza un modulador fotoelástico para mejorar la relación señal-ruido y para separar los componentes de rotación y elíptica entre sí27,28. Sin embargo, la frecuencia de modulación de un modulador fotoelástico es típicamente más de 50 kHz, lo que hace que sea muy difícil de usar con una cámara de microscopio. Por lo tanto, para obtener la mejor relación señal-ruido posible para un microscopio magneto-óptico de espacio Fourier, es necesario invertir en cámaras y fuentes de luz con buena estabilidad.

En las mediciones magneto-ópticas longitudinales y polares, la intensidad del incidente de luz en la cámara se reduce considerablemente debido al polarizador cruzado colocado delante de ella, lo que pone requisitos adicionales en el equipo de la cámara necesario para detectar el mucho más débil Señal.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Reconocemos el apoyo financiero del Ministerio de Economía y Competitividad a través de los proyectos MAT2017-85232-R (AEI/FEDER,UE), Severo, Ochoa (SEV-2015-0496) y por la Generalitat de Catalunya (2017, SGR 1377), por el CNPq – Brasil, y por la Comisión Europea (Marie Sk-odowska-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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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