Name: spectral and angle-resolved magneto-optical characterization of photonic nanostructures
Uploaded: 2019-11-21T12:30:00
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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).

1. Montaje de la configuración
<ol><li>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.<ol>
<li>Gui...

<ol>
	<li>Bayer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Modes+in+Photonic+Molecules.">Optical Modes in Photonic Molecules.</a> Physical Review Letters. 81 (12), 2582-2585 (1998).</li><li>Blanco, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+synthesis+of+a+silicon+photonic+crystal+with+a+complete+three-dimensional+bandgap+near+1.5+micrometres.">Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres.</a> Nature. 405 (6785), 437 (2000).</li><li>Rybin, M. 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V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magneto-optical+Kerr+effect+enhancement+at+the+Wood's+anomaly+in+magnetoplasmonic+crystals.">Magneto-optical Kerr effect enhancement at the Wood's anomaly in magnetoplasmonic crystals.</a> Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 324 (21), 3516-3518 (2012).</li><li>Kataja, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+lattice+resonances+and+magneto-optical+response+in+magnetic+nanoparticle+arrays.">Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays.</a> Nature Communications. 6, 7072 (2015).</li><li>Kataja, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+plasmonic+lattices+with+tunable+magneto-optical+activity.">Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity.</a> Optics Express. 24 (4), 3652-3662 (2016).</li><li>Kalish, A. 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M., Herranz, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unexpected+large+transverse+magneto-optic+Kerr+effect+at+quasi-normal+incidence+in+magnetoplasmonic+crystals.">Unexpected large transverse magneto-optic Kerr effect at quasi-normal incidence in magnetoplasmonic crystals.</a> Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 476, 54-58 (2019).</li><li>Cichelero, R., Kataja, M., Campoy-Quiles, M., Herranz, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-reciprocal+diffraction+in+magnetoplasmonic+gratings.">Non-reciprocal diffraction in magnetoplasmonic gratings.</a> Optics Express. 26 (26), 34842-34852 (2018).</li><li>Melo, L. G. C., Santos, A. D., Alvarez-Prado, L. M., Souche, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+the+TMOKE+response+using+the+ATR+configuration.">Optimization of the TMOKE response using the ATR configuration.</a> Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 310 (2, Part 3), e947-e949 (2007).</li><li>Regatos, D., Sep&#250;lveda, B., Fari&#241;a, D., Carrascosa, L. G., Lechuga, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suitable+combination+of+noble/ferromagnetic+metal+multilayers+for+enhanced+magneto-plasmonic+biosensing.">Suitable combination of noble/ferromagnetic metal multilayers for enhanced magneto-plasmonic biosensing.</a> Optics Express. 19 (9), 8336-8346 (2011).</li><li>Polisetty, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+magneto-optical+Kerr+setup:+Analyzing+experimental+assemblies+using+Jones+matrix+formalism.">Optimization of magneto-optical Kerr setup: Analyzing experimental assemblies using Jones matrix formalism.</a> Review of Scientific Instruments. 79 (5), 055107 (2008).</li><li>Sato, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+Magneto-Optical+Kerr+Effect+Using+Piezo-Birefringent+Modulator.">Measurement of Magneto-Optical Kerr Effect Using Piezo-Birefringent Modulator.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 20 (12), 2403 (1981).</li></ol>

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 ...

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 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60094/60094equ01.jpg"> 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 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60094/60094equ02.jpg"> 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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Beam splitter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BSW27</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bertrand lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LA1608</td>
			<td>f = 75 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD Camera</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>1500M-GE-TE</td>
			<td>Camera for real space imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collecting lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>ITL200</td>
			<td>f = 200 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collimating lens</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>420640-9800</td>
			<td>Magnification 10x NA 0.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flip mirror</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CCM1-P01/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flip mirror mount</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FM90/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L1-lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LA1986</td>
			<td>f = 125 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L2-lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LA1461</td>
			<td>f = 250 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Objective lens</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>MUE10500</td>
			<td>Magnification 50x NA 0.8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pinhole</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>ID8/M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polarizer</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>GTH10M</td>
			<td>For LMOKE measurements, two polarizers are needed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sCMOS camera</td>
			<td>Andor</td>
			<td>ZYLA-4.2P-USB3</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

spectral and angle-resolved magneto-optical characterization of photonic nanostructures

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.

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 <s...

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Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

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.

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

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Las estructuras de banda fotónicas mapeen las relaciones de dispersión de los modos electromagnéticos confinados en un cristal fotónico y se asocian con interacciones mejoradas de materia lumínica, como los efectos magneto-ópticos. Nuestro método permite el mapeo de los efectos magneto-ópticos en el espacio recíproco del cristal fotónico para que podamos estudiar directamente cómo la magnetización modifica una respuesta fotónica. Los cristales magnetoópt ópticos son interesantes por sus propiedades ópticas no recíprocas.Si bien demostraremos esta técnica con una simple rejilla plasmónica, es aplicable a muchos otros tipos de cristales fotónicos. Un desafío particular de esta técnica es que los efectos magneto-ópticos son típicamente muy débiles por lo que tienes que tener especial cuidado para asegurarte de que cualquier ruido se minimiza. Comience construyendo la configuración en una mesa óptica con suficiente aislamiento de vibración.La óptica del haz que emerge de la muestra debe configurarse como se indica con los frentes de onda de dirección de lente objetivo corregidos con infinito que emergen de cada punto de la muestra en haces colineales. Coloque una lente colectora con una f de 200 milímetros a 330 milímetros del objetivo para reenfocar las vigas para formar una imagen en el plano de la imagen. Inserte un espejo de volteo después del plano de imagen para habilitar la toma de imágenes en el espacio real de la muestra e inserte una lente L1 con una f de 125 milímetros para que el plano de la imagen esté enfocado.Coloque una lente L2 con una f de 250 milímetros a una distancia de 135 milímetros de L1. Coloque una cámara a 210 milímetros de la lente L2 para capturar una imagen magnificada del plano de imagen y mueva la lente L1 y L2 hasta que un agujero colocado en el plano de imagen esté en buen estado de atención en la cámara CCD. Coloque un agujero en el plano de imagen a 200 milímetros desde la lente del colector según sea necesario para limitar la región con la imagen a un área pequeña y con patrones. Coloque una lente Bertrand con una f de 75 milímetros 120 milímetros después del plano de imagen para crear una transformación Fourier de los componentes angulares de la imagen y coloque una cámara a 75 milímetros de la lente Bertrand.Usando una pequeña gota de pintura plateada, monte la muestra, una rejilla comercial de DVD cubierta con oro magnetoplasmónico-cobalto-oro-película, en el soporte de la muestra. Coloque la muestra entre los polos de un electroimán y, a continuación, mueva la lente objetivo hacia la muestra hasta que la muestra esté bien enfocada en la cámara CCD. Para realizar una medición de reflectividad óptica, utilizando la imagen del espacio real de la muestra, coloque el punto de luz sobre una sección reflectante y sin vaciar de la muestra y voltee el espejo para visualizar el plano focal posterior del microscopio.Seleccione el área del plano focal posterior que corresponde al estado de polarización de interés y seleccione un área de interés como sección transversal rectilínea del plano focal posterior objetivo a lo largo del eje que corresponde a la polarización magneto-óptica transversal. Haga clic en Medir espectro de normalización para medir el espectro de la fuente de luz. 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 en el que cada punto de datos representa una combinación de longitud de onda y ángulo.Usando la imagen del espacio real de la muestra, coloque la fuente de luz sobre el cristal fotónico de interés y cambie de nuevo al plano focal posterior, asegurando que los modos de plasmón sean visibles como líneas oscuras que cruzan el plano focal posterior. Utilizando las mismas áreas de interés y configuración de medición, haga clic en Medir espectro de reflexión para medir el espectro de reflexión del cristal fotónico. Para realizar una medición magneto-óptica, comience midiendo un bucle de histéresis utilizando un ángulo y una longitud de onda que se sabe que corresponden a una buena respuesta magneto-óptica.Usando el bucle de histéresis, seleccione el rango de campos magnéticos para bucle. Para muestras ferromagnéticas, coloque los campos desde un estado completamente saturado hasta un estado de saturación opuesta, extendiendo el rango cómodamente sobre el campo de saturación. Finalmente mida la intensidad reflejada por la muestra en cada punto de campo magnético definido, repitiendo sobre múltiples bucles como desee.Cada longitud de onda y punto de magnetización producirá una única matriz 1D de datos numéricos para los que cada punto de la matriz corresponde a un ángulo determinado. 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 cero a uno para el cual uno corresponde a totalmente reflectante y cero corresponde a condiciones de absorción completa.Para el análisis de datos, utilizando el bucle de histéresis de la muestra, asigne cada fotograma medido a cualquiera de los estados saturados o al estado intermedio, luego deseche las intensidades medidas para los estados intermedios y reste las intensidades saturadas por separado para cada punto de datos angular y de longitud de onda. En esta figura, se puede observar un micrografo de microscopio electrónico de barrido de una rejilla de DVD comercial cubierta con una multicapa de oro-cobalto-oro. Aquí se pueden observar los espectros ópticos y magneto-ópticos de la rejilla.Las líneas muestran las relaciones de dispersión del plasomo calculadas a partir de la ecuación uno y corresponden a una inmersión visible en la reflectividad que resulta de la radiación incidente que se convierte en SPPs y se disipa a través de amortiguación ohmica. En el espectro magneto-óptico de la rejilla plasmónica, las líneas de plasmon se acompañan de un aumento de la actividad magneto-óptica que se invierte abruptamente en la superficie plasmon polariton. La forma de la línea se puede explicar por el hecho de que la magnetización cambia ligeramente las condiciones de excitación de polariton de plasmón superficial, lo que resulta en dos polaritones de plasmon de superficie diferentes para estados de magnetización opuestos.Debido a la pequeña magnitud de los efectos magneto-ópticos, el campo magnético debe aplicarse in situ mid measuring each wavelength at the time para garantizar una relación señal-ruido óptima. Esta configuración se puede utilizar para una variedad de técnicas magneto-ópticas, por ejemplo, para la microscopía Kerr para estudiar la estructura dominante de los materiales magnéticos. Hemos estudiado los efectos magneto-ópticos en la difracción restringiendo la propagación angular de la luz incidente para observar los haces difractados en el plano focal posterior.

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