Caractérisation spectrale et optique de la caractérisation spectrale et angle des nanostructures photoniques

Résumé

La structure de la bande photonique permet de comprendre comment les modes électromagnétiques confinés se propagent dans un cristal photonique. Dans les cristaux photoniques qui incorporent des éléments magnétiques, ces modes optiques confinés et résonnants sont accompagnés d'une activité magnéto-optique améliorée et modifiée. Nous décrivons une procédure de mesure pour extraire la structure magnéto-optique de bande par la microscopie d'espace de Fourier.

Résumé

Les cristaux photoniques sont des nanostructures périodiques qui peuvent supporter une variété de modes électromagnétiques confinés. Ces modes confinés sont généralement accompagnés d'une amélioration locale de l'intensité du champ électrique qui renforce les interactions lumière-matière, permettant des applications telles que la diffusion Raman (SERS) améliorée par surface et la détection améliorée du plasmon de surface. En présence de matériaux magnéto-optiques actifs, l'amélioration du champ local donne lieu à une activité magnéto-optique anormale. Typiquement, les modes confinés d'un cristal photonique donné dépendent fortement de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence du rayonnement électromagnétique incident. Ainsi, des mesures spectrales et angulaires sont nécessaires pour les identifier pleinement ainsi que pour établir leur relation avec l'activité magnéto-optique du cristal. Dans cet article, nous décrivons comment utiliser un microscope de Quatre-plan (plan focal arrière) pour caractériser des échantillons magnéto-optiquement actifs. En tant que système modèle, nous utilisons ici une grille plasmonique construite à partir de magnéto-optiquement active Au/Co/Au multicouche. Dans les expériences, nous appliquons un champ magnétique sur la grille in situ et mesurons sa réponse spatiale réciproque, obtenant la réponse magnéto-optique de la grille sur une gamme de longueurs d'onde et d'angles d'incident. Cette information nous permet de construire une carte complète de la structure de la bande plasmonique de la grille et de l'angle et de la longueur d'onde dépendant de l'activité magnéto-optique. Ces deux images nous permettent d'identifier l'effet que les résonances plasmonontes ont sur la réponse magnéto-optique de la grille. L'ampleur relativement faible des effets magnéto-optiques nécessite un traitement minutieux des signaux optiques acquis. À cette fin, un protocole de traitement d'image pour obtenir la réponse magnéto-optique des données brutes acquises est établi.

Introduction

Les modes électromagnétiques confinés dans les cristaux photoniques peuvent provenir d'une variété d'origines différentes, telles que les résonances plasmon autour des interfaces métal/diélectrique ou les résonances Mie dans les nanostructures diélectriques à indice réfractif élevé^1,2^,3, et peuvent être conçus pour apparaître à des fréquences spécifiquement définies^4,5. Leur présence donne lieu à de nombreux phénomènes fascinants tels que les lacunes bande photonique^6,7,8, forte localisation photon⁹, lumière lente¹⁰ et Cônes Dirac¹¹. La microscopie et la spectroscopie de plan De plus sont des outils de base pour caractériser les nanostructures photoniques car elles permettent de capturer de nombreuses propriétés essentielles des modes confinés qui s'y trouvent. Dans la microscopie spatiale de Fourier, par opposition à l'imagerie classique de plan réel, l'information est présentée comme la fonction des coordonnées angulaires^12,13. Il est également connu sous le nom de plan focal arrière (BFP) imagerie que la décomposition angulaire de la lumière émanant de l'échantillon est enregistrée à partir du plan focal arrière de l'objectif du microscope. Le spectre angulaire, c'est-à-dire le modèle d'émission de champ éloigné de l'échantillon est lié à l'élan de la lumière qui en émane(k). En particulier, il représente son élan dans l'avion (k_x,k_y)distribution¹⁴.

Dans les échantillons magnéto-optiquement actifs, la présence d'excitations photoniques confinées a été montrée pour avoir comme conséquence l'amélioration considérable de la réponse magnéto-optique^{15,16,17,18,19}. Les effets magnéto-optiques dépendent de la géométrie mutuelle du champ magnétique et du rayonnement électromagnétique incident. Les géométries magnéto-optiques les plus couramment rencontrées pour la lumière polarisée linéairement et leur nomenclature sont représentées dans la figure 1. Ici, nous démontrons une configuration qui peut être utilisée pour explorer deux effets magnéto-optiques qui sont observés dans la réflexion: transversal et longitudinal magnéto-optique effets Kerr, abrégé, respectivement, comme TMOKE et LMOKE. TMOKE est un effet d'intensité, où les réflectivités des états de magnétisation opposés sont différentes tandis que LMOKE se manifeste comme une rotation de l'axe de polarisation de la lumière réfléchie. Les effets se distinguent par l'orientation de la magnétisation par rapport à l'incidence de la lumière, où pour LMOKE, la magnétisation est orientée parallèlement à la composante plan dans le vecteur d'onde de la lumière tandis que pour TMOKE il est transversal à elle. Pour la lumière incidente normale, les deux composants de l'élan de lumière sont nuls (k_x k_y et 0) et, par conséquent, les deux effets sont nuls. Les configurations où les deux effets sont présents peuvent être facilement conçues. Cependant, pour simplifier l'analyse des données, dans cette démonstration, nous nous limitons à des situations où un seul des effets est présent, à savoir TMOKE.

Plusieurs configurations optiques peuvent être utilisées pour mesurer la distribution angulaire de la lumière émise par les cristaux magnétophotoniques. Par exemple, dans Kalish et coll.²⁰ et Borovkova et^{al. 21}, une telle configuration a été utilisée avec succès dans la géométrie de transmission pour dévoiler l'influence du plasmon sur les phénomènes magnéto-optiques. À titre d'illustration, dans Kurvits et coll.²², certaines configurations possibles sont présentées pour un microscope qui utilise une lentille objective corrigée à l'infini. Dans notre configuration, représentée dans la figure 2A, nous utilisons une lentille corrigée à l'infini où la lumière provenant d'un point donné dans l'échantillon est dirigée par la lentille objective dans les faisceaux collinear. Dans la figure 2A, les poutres émergeant du haut (lignes pointillées) et le fond (lignes solides) de l'échantillon sont représentés schématiquement. Ensuite, une lentille de collecte est utilisée pour recentrer ces faisceaux pour former une image au plan d'image (IP). Une deuxième lentille, également connue sous le nom de lentille Bertrand, est ensuite placée après le plan d'image pour séparer la lumière entrante à son plan focal en composants angulaires, représentés dans la figure 2A en rouge, bleu et noir. À partir de ce plan focal arrière, la distribution angulaire de la lumière émise par l'échantillon peut être mesurée à l'aide d'une caméra. En effet, l'objectif Bertrand effectue une transformation Fourier sur le faisceau lumineux qui y arrive. La répartition de l'intensité spatiale au BFP correspond à la distribution angulaire du rayonnement incident. Une carte complète de la réflectoflage de l'espace réciproque de l'échantillon peut être établie en illuminant l'échantillon avec le même objectif qui est utilisé pour recueillir la réponse de l'échantillon. Les faisceaux entrants et sortants sont séparés à l'aide d'un séparateur de faisceaux. La configuration complète est représentée dans la figure 3A. Pour obtenir un spectre, une source lumineuse réglable ou un monochromator est nécessaire. La mesure peut ensuite être répétée sur différentes longueurs d'onde, en gardant à l'esprit qu'en raison du spectre des sources lumineuses standard, les résultats doivent être normalisés à la réflectivité d'un échantillon témoin. À cette fin, on peut utiliser un miroir ou une partie de l'échantillon qui a été délibérément laissé sans motif pour permettre une réflectivité élevée. Pour faciliter le positionnement, nous montrons comment intégrer la configuration à un système optique supplémentaire qui permet l'imagerie de l'espace réel de l'échantillon, illustrée dans la figure 2B.

Nous procédons maintenant à l'établissement d'une méthode pour mesurer le spectre magnéto-optique résolu angulaire d'un cristal photonique, en utilisant comme échantillon représentatif, une grille DE DVD recouverte d'un film Au/Co/Au où la présence de cobalt ferromagnetic donne lieu à une activité magnéto-optique considérable²³. L'ondulation périodique de la grille DVD permet des résonances de polariton de plasmon de surface (SPP) à des combinaisons distinctes de longueur d'onde-angle qui sont données par

où n est l'indice de réfraction de l'environnement environnant, k₀ le vecteur d'onde de la lumière dans l'espace libre,₀ l'angle d'incidence, d la périodicité de la grille et m est un entier dénotant l'ordre du SPP. Le vecteur d'onde SPP est donné par l'endroit où _les permis de la couche métallique et de l'environnement diélectrique environnant sont les permis. En raison de l'épaisseur du film multicouche or/cobalt, nous pouvons supposer que les SPP ne sont excités qu'au-dessus du film multicouche.

Protocole

1. Montage de la configuration

1. Optique
   REMARQUE : Construire la configuration telle qu'elle est représentée dans la figure 3A sur une table optique avec un isolement vibratoire suffisant. Pour éviter les aberrations sphériques et autres, centrez tous les composants optiques (lentilles, trous d'épingle, etc.) en ce qui concerne le faisceau. L'arrangement optique est indiqué à la figure 2 avec les distances entre les composants indiquées.
   1. Guidez la lumière de la source de lumière blanche à un monochromator pour obtenir un faisceau de lumière monochromatique. Consultez la Table des Matériaux pour plus de détails sur la configuration utilisée dans ce travail. Définir le monochromator sur une longueur d'onde qui a une bonne intensité et visibilité, par exemple, 550 nm. Une longueur d'onde de la partie visible du spectre facilite la position des éléments optiques.
   2. À l'aide d'une lentille d'accouplement, couplez la lumière à une fibre et collimatez-la avec un objectif à la terminaison de fibre. Selon la source de lumière utilisée, cette étape peut être omise.
   3. Placez un polariseur à 250 mm de la lentille de collimating pour polariser linéairement le faisceau et placez un séparateur de faisceau à 100 mm du polariseur pour guider la lumière vers la lentille objective du microscope.
      REMARQUE : En raison du faisceau collimé, les positions indiquées des composants mentionnés ci-dessus n'affectent pas l'optique de la configuration de mesure et sont données juste pour le guidage.
   4. Placez l'échantillon sur le support de l'échantillon équipé d'une phase de traduction x-y-z et d'une phase de rotation qui permet une rotation de l'échantillon à 360 degrés autour de l'axe Z, c'est-à-dire de l'axe de lumière empiéchant sur l'échantillon.
   5. Montez l'objectif sur une phase de traduction qui permet le mouvement dans trois directions. Le plus crucial d'entre eux est l'axe z qui est nécessaire pour se concentrer sur l'échantillon.
      REMARQUE : L'équipement requis pour la traduction d'échantillons dépend des échantillons utilisés. De grands échantillons homogènes peuvent être placés manuellement tandis que les échantillons avec une petite zone utile nécessiteront un positionnement plus prudent, en particulier lors de l'utilisation d'un sténopé pour limiter la zone d'image (étape 1.1.7.). L'optique du faisceau émergeant de l'échantillon est représentée schématiquement dans la figure 2. La lentille objective corrigée à l'infini dirige les fronts d'ondes émergeant de chaque point de l'échantillon en faisceaux collineaires.
   6. Placez une lentille de collecteur avec f 200 mm (objectif tube), à 330 mm de l'objectif de recentrer les faisceaux pour former une image au plan d'image. En raison de la propagation collinear de la lumière émanant de l'échantillon, l'objectif collecteur peut être placé à n'importe quelle distance de la lentille objective.
      REMARQUE : Comme auparavant, la lumière émergeant de l'objectif est collimated. Cependant, la lentille du tube doit être placée après le séparateur de faisceau.
   7. Placez un sténopé dans le plan d'image à 200 mm de l'objectif de collecteur pour limiter la région d'image à la zone à motifs. Placez le trou d'épingle au centre de la poutre. Si vous utilisez un sténopé, utilisez l'image réelle de l'échantillon pour le positionner. Pour les échantillons où la zone à motifs est plus grande que la zone éclairée par le faisceau lumineux, ce n'est pas nécessaire.
   8. Placez une deuxième lentille avec f 75 mm (objectif Bertrand), 120 mm après le plan d'image pour créer une transformation Fourier des composants angulaires de l'image. La transformation est créée au centre de la deuxième lentille et représentée avec une caméra scientifique sCMOS qui est placée 75 mm de l'objectif Bertrand.
   9. Pour les mesures LMOKE seulement, insérez un polariseur supplémentaire avec un angle par rapport au premier polariseur entre le séparateur de faisceau et l'objectif de collecteur.
2. Aimant
   1. Connectez l'aimant à une alimentation électrique et montez-le de sorte que le champ magnétique puisse être appliqué sur l'échantillon. Choisissez si le champ magnétique est appliqué dans la direction longitudinale, transversale ou polaire (figure 1).
3. Préparation de l'échantillon
   1. Démonter mécaniquement un disque DVD commercial; par la suite, la surface de grille exposée peut être facilement identifiée en raison de ses convenances diffractives. Utilisez un ruban adhésif pour peler les revêtements précédents. Nettoyer la surface, la tremper dans de l'éthanol pendant 10 min. La grille est maintenant prête à recevoir un revêtement magnéto-plasmonique.
      REMARQUE : Différents disques optiques commerciaux comme Blu-ray et CD, peuvent avoir besoin d'un protocole de préparation différent.
   2. Déposez le film métallique sur le râpage exposé par évaporation par faisceau d'électrons. Pour assurer une faible rugosité, utilisez des taux d'évaporation inférieurs à 5 euros/s.
   3. En commençant par une couche adhésive Cr de 4 nm, déposez des couches alternées d'or et de cobalt, en terminant par une couche de plafonnement d'or pour assurer une protection contre l'oxydation.
      REMARQUE: Nous avons utilisé le nombre suivant de couches et d'épaisseurs: Cr (4 nm)/Au (16 nm)/[Co (14 nm)/Au (16 nm)] - 4/Co (14 nm)/Au (7 nm).
   4. Effectuer une microscopie optique ou électronique (figure 4A) pour vérifier les conditions de surface de l'échantillon, en cas d'homogénéité et de faibles défauts procéder à la mesure.

2. Procédure de mesure

1. Positionnement de l'échantillon
   REMARQUE : À titre d'échantillon d'illustration, nous mesurerons une grille DVD recouverte d'un film magnétotoplasmonic Au/Co/Au. En raison de l'ondulation périodique de la grille, SPPs peut être excité à certains angles d'incidence en fonction de la longueur d'onde front de mer.
   1. Monter l'échantillon sur le support de l'échantillon à l'aide d'une petite goutte de peinture argentée. Laisser sécher la peinture argentée pendant 10 min.
   2. Insérez un miroir flip après le plan d'image pour permettre l'imagerie spatiale réelle de l'échantillon. Insérez une lentille L1 avec f 125 mm de sorte que le plan d'image est au point et placez L2 avec f 250 mm à 135 mm de distance de L1.
   3. Enfin placer un dispositif couplé de charge (CCD) caméra 210 mm de L2 pour capturer une image agrandie du plan d'image. Déplacez les lentilles L1 et L2 jusqu'à ce que le trou d'épingle placé dans le plan d'image en bonne mise au point sur la caméra CCD.
   4. Déplacez l'objectif vers l'échantillon jusqu'à ce que l'échantillon soit bien mis au point dans la caméra CCD.
2. Mesure optique de réflectivité
   1. À l'aide de l'image réelle de l'échantillon, placez la tache lumineuse sur une partie réfléchissante (non modelée) de l'échantillon. Retournez le miroir pour voir le BFP du microscope.
      REMARQUE: Ici, pour le DVD-grating nous utilisons le film métallique continu au bord du disque DVD.
   2. Sélectionnez la zone du plan focal arrière qui correspond à l'état de polarisation souhaité. La relation entre la polarisation et la position dans le plan focal arrière est indiquée dans la figure 3B. Sélectionnez une zone d'intérêt (AOI) comme section transversale rectangulaire du plan focal arrière objectif (rectangle bleu dans la figure 3C) le long de l'axe qui correspond à la polarisation TM.
      REMARQUE : Dans le logiciel d'instrumentation utilisé dans ce manuscrit, cela est réalisé en sélectionnant l'AOI à l'aide des sélecteurs de curseur. Le logiciel fait ensuite la moyenne des intensités le long de la dimension courte du rectangle et traite le spectre résultant comme un tableau 1D de données où chaque point de données correspond à un angle d'émission différent de l'échantillon. Dans les grilles plasmoniques, seule la lumière polarisée TM, c'est-à-dire le rayonnement EM avec champ électrique perpendiculaire aux rainures râpeuses, peut exciter les résonances plasmon. Ainsi, en fonction de l'orientation de la grille, il est nécessaire de sélectionner l'état de polarisation correct en choisissant soit une tranche verticale ou horizontale du BFP.
   3. Mesurer le spectre de la source lumineuse en cliquant sur Spectre de normalisation de la mesure,qui sera utilisé plus tard pour normaliser les données de réflectivité mesurées. Comme chaque longueur d'onde donne un ensemble 1D de points de données, le spectre complet de la source lumineuse est enregistré comme un tenseur 2D où chaque point de données représente une combinaison de longueur d'onde et d'angle.
   4. En utilisant à nouveau l'image de l'espace réel de l'échantillon, positionner la source de lumière sur le cristal photonique d'intérêt. Lorsque vous revenez à BFP, assurez-vous que les modes plasmon sont visibles sous forme de lignes sombres traversant le plan focal arrière. Les lignes se déplacent lorsque la longueur d'onde de la lumière incidente est modifiée.
   5. En utilisant les mêmes paramètres d'AOI et de mesure (c.-à-d., temps d'exposition, nombre de moyennes), mesurez le spectre de réflexion du cristal photonique en cliquant sur Le spectre de réflexion de mesure.
   6. Pour tenir compte de la variation spectrale de l'intensité de la source lumineuse, normalisez le spectre obtenu par le spectre de la source lumineuse. Cela donnera un tableau 2D de nombres de 0 à 1 où 1 correspond à des conditions entièrement réfléchissantes et 0 à entièrement absorptive.
3. Mesure magnéto-optique
   1. Démarrer la mesure magnéto-optique en mesurant une boucle d'hystérèse à l'aide d'un angle et d'une longueur d'onde qui sont connus pour correspondre à une bonne réponse magnéto-optique, généralement ces conditions peuvent être trouvées près des excitations SPP. Pour ce faire, choisissez un petit AOI près des excitations SPP et mesurez une seule boucle.
      REMARQUE : L'analyse de données nécessaire pour quantifier l'activité magnéto-optique dépend du type de magnétisme que l'échantillon présente. Ici, nous supposons une réponse ferromagnetic et traitons les résultats en conséquence. La réponse dia- ou paramagnetic est essentiellement linéaire au champ magnétique appliqué et peut être quantifiée comme changement dans les propriétés optiques par unité de champ magnétique appliquée. Les matériaux ferromagnétiques présentent une permistivité non linéaire qui nécessite une considération supplémentaire lors de la définition de la réponse magnéto-optique (voir la figure 3D). Le TMOKE est défini comme un changement dans l'intensité réfléchie comme la fonction du champ magnétique appliqué, c'est-à-dire, où I(M) est l'intensité réfléchie par l'échantillon à l'état de magnétisation M.
   2. En utilisant la boucle d'hystérenis mesurée en 2.3.1., choisissez la gamme de champs magnétiques à boucler. Pour les échantillons ferromagnetic, bouclez les champs d'un état entièrement saturé à un état de saturation opposé, étendant la gamme confortablement sur le champ de saturation. Plus tard, utilisez les points mesurés dans l'état saturé pour analyser et supprimer toute contribution dia- ou paramagnetic qui peut être vérifiée par leur contribution linéaire.
   3. Enfin, mesurez l'intensité réfléchie par l'échantillon à chaque point de champ magnétique défini, en répétant sur plusieurs boucles si désiré. Chaque point de longueur d'onde et de magnétisation donne un seul réseau 1D de données numériques (c.-à-d. l'intensité lumineuse mesurée) où chaque point du tableau correspond à un angle particulier.

3. Analyse des données

1. À l'aide de la boucle d'hystérie de l'échantillon mesurée à l'étape 2.3.1, attribuez chaque image mesurée à l'étape 2.3.3. à l'un ou l'autre des états saturés ou à l'état intermédiaire (figure 3C).
2. Jetez les cadres intermédiaires et calculez l'activité magnéto-optique à partir des intensités mesurées par , où les opérations sont effectuées séparément pour chaque point de données angulaire et longueur d'onde.
   REMARQUE : Comme TMOKE est exprimé comme un changement relatif d'intensité, les résultats n'ont pas besoin d'être normalisés au spectre de lampe.
3. Si l'échantillon présente une activité paramagnétique (ou plus rarement diamagnétique) qui doit être soustraite pour une comparaison fiable entre les états magnétiques saturés, soustrayez la contribution linéaire résultant de l'activité para- ou diamagnétique en adaptant un ligne (encore une fois, pixelwise séparément pour chaque angle et point de longueur d'onde) sur les points mesurés à la saturation et supprimer la contribution linéaire.

Résultats

La figure 4A montre un microscope électronique à balayage (SEM) micrographe d'un dvd commercial recouvert de multicouches Au/Co/Au qui a été utilisé un échantillon de démonstration dans nos expériences. Ses spectres optiques et magnéto-optiques sont représentés dans la figure 4B,C respectivement. Les détails sur la fabrication de l'échantillon sont présentés ailleurs²³. Les lignes noires de...

Discussion

Nous avons introduit une configuration de mesure et un protocole pour obtenir des spectres magnéto-optiques résolus angulaires de cristaux optiques. En particulier, le cas des matériaux ferromagnetic, qui nécessite une analyse supplémentaire des données pour tenir compte de la perméabilité non linéaire du matériau, a été présenté. La spectroscopie magnéto-optique résolue angulaire présente un avantage supplémentaire par rapport aux méthodes non-angulaires résolues que les modes confinés peuvent être...

matériels

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