Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

Begrenzte elektromagnetische Modi in photonischen Kristallen können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Ursprünge entstehen, wie Z. Plasmonresonanzen um metall-dielektrische Schnittstellen oder Mie-Resonanzen in dielektrischen Nanostrukturen^mithohem Brechungsindex 1^,2,3, und können so gestaltet werden, dass sie bei speziell definierten Frequenzen^4,5erscheinen. Ihre Anwesenheit führt zu vielen faszinierenden Phänomenen wie photonischen Bandlücken^6,7,8, starke Photon lokalisierung⁹, langsames Licht¹⁰ und Dirac Kegel¹¹. Vierer-Ebenenmikroskopie und Spektroskopie sind grundlegende Werkzeuge zur Charakterisierung photonischer Nanostrukturen, da sie es ermöglichen, viele wesentliche Eigenschaften von eingeschränkten Modi, die in ihnen vorkommen, zu erfassen. In der Fourier-Weltraummikroskopie werden die Informationen im Gegensatz zur herkömmlichen realen Ebenenbildgebung als Funktion der Winkelkoordinaten^12,13dargestellt. Es ist alternativ als Back Focal Plane (BFP) Bildgebung bekannt, da die Winkelzerlegung des lichtausdere Lichts aus der Probe von der hinteren Fokalebene des Mikroskopobjektivs aufgezeichnet wird. Das Winkelspektrum, d.h. das Weitefeld-Emissionsmuster der Probe, hängt mit dem Von ihr ausreichenden Lichtimpuls zusammen (k). Insbesondere stellt es seine in-Plane-Impuls (k_x,k_y) Verteilung¹⁴dar.

In magneto-optisch aktiven Proben hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein von begrenzten photonischen Anregungen zu einer erheblichen Verbesserung der magneto-optischen Reaktion^{15,16,17,18,19}führt. Magnetooptische Effekte hängen von der gegenseitigen Geometrie des Magnetfeldes und der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ab. Die am häufigsten anfallenden magneto-optischen Geometrien für linear polarisiertes Licht und ihre Nomenklatur sind in Abbildung 1dargestellt. Hier zeigen wir ein Setup, mit dem zwei magneto-optische Effekte untersucht werden können, die bei der Reflexion beobachtet werden: transversale und längsmagneto-optische Kerr-Effekte, abgekürzt als TMOKE und LMOKE. TMOKE ist ein Intensitätseffekt, bei dem die Reflexionen der entgegengesetzten Magnetisierungszustände unterschiedlich sind, während sich LMOKE als Drehung der reflektierten Lichtpolarisationsachse manifestiert. Die Effekte unterscheiden sich durch die Ausrichtung der Magnetisierung in Bezug auf den Lichteinfall, wobei bei LMOKE die Magnetisierung parallel zur in-ebenen Komponente des Wellenvektors des Lichts ausgerichtet ist, während sie für TMOKE quer zu ihr ist. Bei normal einfallendem Licht sind beide Komponenten des Lichtimpulses null (k_x = k_y = 0) und folglich sind beide Effekte Null. Konfigurationen, bei denen beide Effekte vorhanden sind, können leicht konzipiert werden. Um die Datenanalyse zu vereinfachen, beschränken wir uns in dieser Demonstration jedoch auf Situationen, in denen nur einer der Effekte vorhanden ist, nämlich TMOKE.

Mehrere optische Konfigurationen können verwendet werden, um die Winkelverteilung des von magnetophotonischen Kristallen emittierten Lichts zu messen. Zum Beispiel wurde in Kalish et al.²⁰ und Borovkova et al.²¹ein solches Setup erfolgreich in der Transmissionsgeometrie eingesetzt, um den Einfluss von Plasmonen auf magneto-optische Phänomene zu enthüllen. Zur Veranschaulichung werden in Kurvits et al.²²einige mögliche Konfigurationen für ein Mikroskop vorgestellt, das eine unendlich korrigierte Objektivlinse verwendet. In unserer Konfiguration, dargestellt in Abbildung 2A, verwenden wir eine unendlich eisern korrigierte Linse, bei der das Licht, das von einem bestimmten Punkt in der Probe kommt, von der Objektivlinse in kollare Strahlen geleitet wird. In Abbildung 2Awerden Balken, die von oben (gestrichelte Linien) und unten (durchgezogene Linien) der Probe auftauchen, schematisch dargestellt. Anschließend wird eine Sammellinse verwendet, um diese Strahlen neu zu fokussieren, um ein Bild auf der Bildebene (IP) zu bilden. Eine zweite Linse, auch Bertrand-Linse genannt, wird dann nach der Bildebene platziert, um das eintreffende Licht an seiner Brennebene in Winkelkomponenten zu trennen, dargestellt in Abbildung 2A in Rot, Blau und Schwarz. Von dieser hinteren Fokusebene aus kann die Winkelverteilung des von der Probe emittierten Lichts mit einer Kamera gemessen werden. Effektiv führt die Bertrand-Linse eine Fourier-Transformation auf dem Lichtstrahl durch, der zu ihr gelangt. Die räumliche Intensitätsverteilung am BFP entspricht der Winkelverteilung der einfallenden Strahlung. Eine vollständige Raumreflexionskarte der Stichprobe kann erstellt werden, indem die Stichprobe mit demselben Ziel beleuchtet wird, das zur Erfassung der Antwort der Stichprobe verwendet wird. Die ein- und ausgehenden Balken werden mit einem Balkensplitter getrennt. Die vollständige Einrichtung ist in Abbildung 3A dargestellt. Um ein Spektrum zu erhalten, wird eine abstimmbare Lichtquelle oder ein Monochromator benötigt. Die Messung kann dann über verschiedene Wellenlängen wiederholt werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass aufgrund des Spektrums der Standardlichtquellen die Ergebnisse auf die Reflektivität einer Kontrollprobe normalisiert werden müssen. Zu diesem Zweck kann man einen Spiegel oder einen Teil der Probe verwenden, der absichtlich ungemustert gelassen wurde, um eine hohe Reflektivität zu ermöglichen. Zur Unterstützung der Positionierung zeigen wir, wie das Setup in ein zusätzliches optisches System integriert werden kann, das eine reale Raumabbildung der Probe ermöglicht, wie in Abbildung 2Bdargestellt.

Wir gehen nun mit der Festlegung eines Verfahrens zur Messung des eckig aufgelösten magneto-optischen Spektrums eines photonischen Kristalls fort, wobei als repräsentative Probe ein DVD-Gitter verwendet wird, das mit einem Au/Co/Au-Film bedeckt ist, bei dem das Vorhandensein von ferromagnetischem Kobalt zu einer erheblichen magneto-optischen Aktivität führt²³. Die periodische Wellung des DVD-Gitters ermöglicht Oberflächen-Plasmonpolariton-Resonanzen (SPP) bei unterschiedlichen Wellenlängen-Winkel-Kombinationen, die durch

wobei n der Brechungsindex der Umgebung, k₀ der Wellenvektor des Lichts im freien Raum,₀ der Einfallswinkel, d die Periodizität des Gitters und m eine ganze Zahl ist, die die Reihenfolge des SPP bezeichnet. Der SPP-Wellenvektor wird angegeben, wobei die Zulassungsbedingungen der metallischen Schicht und der umgebenden dielektrischen Umgebung die Zulassungen sind. Aufgrund der Dicke der Gold/Kobalt-Mehrschichtfolie können wir davon ausgehen, dass SPPs nur auf der Mehrschichtfolie angeregt werden.