フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

フォトニック結晶中の閉じ込められた電磁モードは、金属/誘電界の周りのプラズモン共鳴や、高屈折率誘電体ナノ^{構造体1、2、3}の三重共鳴など、さまざまな起源から生じることができ、具体的に定義された^{周波数4、5}で現るように設計することができる。彼らの存在は、フォトニックバンド^{ギャップ6、7、8、}強い光子局在^化9、スロー^ライト10およびディラック^コーン11などの多くの魅力的な現象を生み出す。フーリエ平面顕微鏡法および分光法は、光ナノ構造体の特性評価のための基本的なツールであり、それらに存在する閉じ込められたモードの多くの重要な特性を捕捉することを可能にします。フーリエ空間顕微鏡では、従来の実平面イメージングとは対照的に、その情報は角^座標12,13の関数として提示される。試料から発する光の角分解が顕微鏡目的の背焦点面から記録されるものとして、逆焦点面(BFP)撮像として別として知られている。角スペクトル、すなわち、試料の遠視野発光パターンは、そこから発する光の運動量(>k)に関連している。特に、その面内運動量(k_x,ky)^分布14を表す。

光磁気活性試料において、限られた光度励起の存在は、光磁気^{応答15、16、17、18、19}の相当な増強をもたらすことが示されている。磁気光学効果は、磁場の相互幾何学的形状と入射電磁放射に依存します。直線偏光とその命名法に対して最も一般的に遭遇する磁気光学幾何学を図1に示す。ここでは、TMOKEおよびLMOKEとして、それぞれ省略された横磁気および縦磁気光学カー効果の2つの光磁気効果を調べるために使用できるセットアップを示します。TMOKEは、LMOKEが反射光偏光軸の回転として現れる一方で、対向磁化状態の反射率が異なる強度効果である。効果は、光の発生率に対する磁化の向きによって区別され、LMOKEの場合、磁化はTMOKEに対しては逆である間、光の波ベクトルの平面成分に平行に向けられている。通常の入射光の場合、光の運動量の面内成分は両方とも null (k_x = k_y = 0) であり、その結果、両方の効果はゼロになります。両方の効果が存在する構成は容易に考えることができる。ただし、データ分析を簡略化するために、このデモでは、効果の 1 つだけ、つまり TMOKE が存在する状況に限定します。

磁気フォトニック結晶から放出される光の角度分布を測定するために、いくつかの光学構成を使用できます。例えば、カリッシュ^ら20やボロフコヴァ^ら21では、このような設定が光磁気現象に対するプラズモンの影響を明らかにするために伝送幾何学に使用された。図として、Kurvits et al.²²では、無限補正された対物レンズを使用する顕微鏡用にいくつかの可能な構成が提示されています。図 2Aに示す構成では、サンプル内の特定の点から来る光が対物レンズによって同線図線ビームに向けられる無限補正レンズを使用します。図 2Aでは、サンプルの上端から現れた梁 (破線) と下 (実線) が模式的に示されています。次いで、収集レンズを使用してこれらのビームを再焦点化し、画像平面(IP)で画像を形成する。次に、ベルトランレンズとも呼ばれる第2のレンズをイメージプレーンの後に配置し、焦点面の入射光を赤、青、黒で図2Aに示す角度成分に分離します。この背面焦点面から、試料から放出される光の角度分布をカメラで測定することができる。実質的に、ベルトランレンズはそれに到着する光線にフーリエ変換を実行します。BFP での空間強度分布は、入射放射の角度分布に対応します。サンプルの完全な相互空間反射率マップは、サンプルの応答を収集するために使用されるのと同じ目的でサンプルを照らすことによって確立することができる。出入りビームはビームスプリッタを使用して分離される。完全なセットアップを図 3A に示します。スペクトルを得るためには、調整不可能な光源またはモノクロメータが必要です。その後、測定を異なる波長で繰り返すことができ、標準光源のスペクトルに起因して、結果を制御サンプルの反射率に正規化する必要があることを念頭に置いておきます。この目的のために、ミラーまたは意図的にパターン化されていないサンプルの一部を使用して、高い反射率を可能にすることができます。位置決めを支援するために、図2Bに示すように、サンプルの実空間イメージングを可能にする追加の光学系とセットアップを統合する方法を示します。

次に、フォトニック結晶の角分解磁気光学スペクトルを測定する方法の確立に進み、代表的な試料として、強磁性コバルトの存在が相当な磁気光学活性を生じるAu/Co/Auフィルムで覆われたDVDグレーティング^を用いる。DVDグレーティングの周期的な凝集は、によって与えられる明確な波長角度の組合せの表面プラズモンポラリトン(SPP)共鳴を可能にする

ここでnは周囲環境の屈折率、k0は自由空間における光の波ベクトル、θ0の入射角、d格子の周期性、mはSPPの順序を示す整数である。SPP波ベクトルは、ε1およびε2が金属層および周囲の誘電体環境の許可値であるところによって与えられる。金/コバルト多層フィルムの厚さのために、我々はSPが多層フィルムの上にのみ興奮していると仮定することができます。