Диссертация (1097826), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Пленка обладает одноосной магнитной анизотропией и лабиринтной доменной структурой в отсутствие внешнего магнитного поля. Ширина полосовых доменов составляет 2,4 мкм, а температура Кюриравна 242ºC. Намагниченность насыщения магнитной пленки 4πMs = 453 Гс,поле коллапса равно 238 Э.
Значение эффективного магнитного поля однооснойанизотропии H k 1600 Э, что означает, что во внешнем магнитном поле в плоскости величиной 1600 Э доменная структура полностью исчезает и пленка однородно намагничивается в плоскости. Удельное вращение Фарадея составляет0,46 o/мкм при длине волны 633 нм.Образец плазмонного кристалла был изготовлен с помощью следующейпроцедуры. После первоначальной очистки пленки феррита-граната в кислородной плазме, на него был нанесен слой золота методом термического осаждения.
Затем, на поверхность золота был осажден методом центрифугированияслой полимера полиметилметакрилата ПММА-950, который является позитивным электронным резистом. Скорость центрифугирования составляла 3000 оборотов в минуту. Линии одномерной решетки были нанесены на площади размером 1 мм2 методом электронно-лучевой литографии (Raithe-Line), используя методику “FBMS”, в которой электронный луч фиксирован, а перемещается рабочая область, на которую наносят рисунок. Затем в золоте была протравлена одномерная решетка методом реактивного ионного травления в плазме аргона.Параметры решетки следующие: период 595 нм, высота решетки 120 нм и ширина щелей 110нм.99 3.5.2. Экспериментальная установка и методика измеренияПри изучении ЭЭК использована следующая экспериментальная установка(рис.
2.9). Источником белого света являлась галогеновая лампа, у которой стабильность по мощности излучения превышает 0,1%. Оптическое излучение галогеновой лампы было заведено в оптический волновод (диаметр сердцевины200 мкм, числовая апертура 0,22). Выходящий из волновода свет далее был коллимирован ахроматическим объективом (1) (фокусное расстояние 300 мм) исфокусирован на образец с помощью второго ахроматического объектива (4) стем же фокусным расстоянием.Рис.
2.9: Схема экспериментальной установки [177].Между двумя ахроматами помещен поляризатор (2), позволяющий контролировать поляризацию света, падающего на образец. Для уменьшения максимального угла светового конуса до уровня ниже 1ᵒ была использована диафрагма (3) диаметром 4 мм, расположенная между двумя ахроматическими объективами. Свет был сфокусирован на образец в пятно диаметром около 300 мкм. Дляпроведения измерений при различных углах падения света образец был установлен на специальном держателе, обеспечивающем вращение относительно100 оси, лежащей в плоскости образца.
Прямо проходящий через образец свет далеебыл вновь коллимирован и сфокусирован с помощью дублета ахроматов (5), (6)на монхроматор с линейной дисперсией 6,28 нм/мм. Полученное спектральноеразложение регистрировалось ПЗС-камерой. В результате спектральное разрешение составило 0,3 нм. Образец был помещен во внешнее магнитное поленапряженностью до 400 мТл, направленное в плоскости образца.
Для созданиямагнитного поля использован электромагнит с системой водяного охлаждения.Измерения проводились при комнатной температуре.3.5.3. Гигантский экваториальный эффект КерраВ отсутствие внешнего магнитного поля магнитная пленка плазмоннойструктуры разбита на домены, намагниченные перпендикулярно плоскостипленки. Для наблюдения экваториального эффекта Керра необходимо поместить структуру во внешнее магнитное поле, направленное в плоскости образцаи перпендикулярно плоскости падения. При этом щели золотой решетки плазмонного кристалла могут быть либо перпендикулярны (рис. 2.10а), либо параллельны плоскости падения света (рис.2.10б).
При этом падающий свет можетбыть либо p-, либо s-поляризован.Результаты измерения коэффициента пропускания в зависимости от энергии фотонов падающего излучения и угла падения для первой конфигурация(рис. 2.10а) представлены на рис. 2.11а. Сравнение с расчетной дисперсионнойдиаграммой для ППП (рис.
2.11б) позволяет связать резонанс Фано (1) нарис. 2.11а с возбуждением ППП из второй плазмонной зоны на границе [воздух]/ [золотая решетка] (u = 1 в уравнении (2.2)), в то же время резонансы Фано (2) и(3) связаны с плазмонными волнами на границе [золотая решетка] / [магнитнаяпленка] (u = ± 2 в уравнении (2.2)). Наконец, пик пропускания (4) может бытьобъяснен возбуждением плазмонной щелевой моды Фабри-Перо. На это указы101 вает слабая зависимость спектрального положения резонансного пика от углападения. Расчет распределения электромагнитного поля в структуре на частотерезонанса (4) также подтверждает это предположение.Рис. 2.10: Плазмонный кристалл, состоящий из периодически перфорированного золотого слоя на поверхности пленки висмут-замещенного феррита-граната,выращенного на подложке гадолиний галлиевого граната.
Рассмотрены случаи,когда плоскость падения света перпендикулярна (а) или параллельна (б) щелямзолотой решетки. (в) Изображение золотой решетки, полученное с помощьюсканирующего электронного микроскопа. Параметры перфорированного слоязолота: период d =594 нм, ширина щелей r = 110 нм, и толщина золотой решетки h = 120 нм.ЭЭК в случае наблюдения в проходящем свете определяется величиной δ всоответствие с выражением (2.22). Результаты измерения показаны на рис.2.11б.
Вне резонансов абсолютное значение δ очень мало и не превышает порогчувствительности, достижимый в эксперименте (~10-3). Численный расчет даетδ =2·10-4 ÷ 8·10-4 в зависимости от длины волны. На этом фоне наблюдаются102 выраженные положительный и отрицательный пики, при котором δ достигаетзначений до 1,5·10-2. Коэффициент усиления эффекта Керра в резонансе по отношению к нерезонансному случаю составляет около 20 - 100. По сравнению снепокрытой пленкой феррита-граната (δ ~ 10-5, как предсказывает электромагнитное моделирование), коэффициент усиления составляет 103.Рис. 2.11: Зависимости экспериментально измеренного коэффициента пропускания Т (а), а также полученной экспериментально (б) и теоретически (г) величины экваториального эффекта Керра δ от энергии фотона падающего света иугла падения. (в) Дисперсионная диаграмма для ППП, рассчитанная в приближении пустой решетки.
Зеленые прямые показывают дисперсию падающего излучения при различных углах падения. Плоскость падения света перпендикулярна щелям решетки, свет p-поляризован. Внешнее магнитное поле в плоскости образца 200 мТл.103 Следует отметить, что в данном эксперименте использована магнитнаяпленка с относительно малой концентрации висмута. Для ферритов-гранатов сполным замещением редкоземельных ионов ионами висмута (Bi3Fe5O12) удельное вращение Фарадея составляет около 6° на длине волны λ = 630 нм, что в 13раз больше, чем в данном случае. Поскольку величина эффекта пропорциональна удельному вращению Фарадея, для пленок с полным замещением висмутом δможет превышать 0,2.Частоты резонансного увеличения ЭЭК соответствуют частотам возбуждения ППП на границе [золотая решетка] / [магнитная пленка] (ср.
рис. 2.11(а) и2.11(б)).3.5.4. Наблюдение экваториального эффекта Керра как метод для исследованияспектров поверхностных плазмоновСпектры ЭЭК, измеренные при различных углах падения, приведены нарис. 2.12. При нормальном падении эффект равен нулю (рис. 2.12(а), зеленаякривая). Это может быть объяснено, в частности, тем, что при нормальном падении перемагничивание пленки сводится к повороту всей системы на 180° относительно нормали к поверхности. Если же световая волна падает на структуру под некоторым углом, то перемагничивание структуры уже не сводится к повороту на 180° и состояния системы с намагниченностями +M и M оказываются не эквивалентными.
Это проявляется даже при небольшом отклонении отнормального падения. При угле падения θ = 0,8° в районе плазмонного резонанса δ достигает 10-2. В этом случае в спектре пропускания возбуждаются дваблизких по частоте резонанса Фано, связанных с ППП, распространяющимися впротивоположных направлениях. При этом амплитуды резонансов Фано сильноразличаются, что приводит к ненулевому эффекту.104 Рис. 2.12: Спектры коэффициента оптического пропускания (черная кривая), экваториального эффекта Керра (красная и зеленая кривые) и производной T (синяя точечная линия), измеренные при различных углах падения: (a) θ = 0º(зеленая кривая) and θ = 0,8º (красная кривая); (б) θ = 5º; (в) θ = -10º (зеленаякривая) и θ = 10º (красная кривая); (г) θ = 8º.
Внешнее магнитное поле равно200 мТл. Плоскость падения перпендикулярна щелям плазмонного кристалла(см. рис. 2.10a). Падающий свет имеет p-поляризацию.Вместе с тем в районе других особенностей спектра коэффициента пропускания (пик пропускания при λ = 675 нм и минимум пропускания при λ = 623 нм)наблюдаемый ЭЭК отсутствует. Это находится в хорошем согласии с вышесказанным и свидетельствует о разной чувствительности ЭЭК к возбуждению различных типов собственных мод. Расчет частот различных резонансов в изучаемом плазмонном кристалле показывает, что пик пропускания при λ = 675 нм со105 ответствует щелевой моде, а минимум пропускания при λ = 623 нм связан с резонансом Фано, обусловленным возбуждением плазмонной волны на границе[золото] / [воздух].При увеличении угла падения света (например, при θ = 5°, рис. 2.12б), частоты возбуждения плазмонных волн, распространяющихся в противоположных направлениях, значительно отличаются, что создает два хорошо различимых резонанса Фано в спектре прохождения.
Оба резонанса сопровождаютсяпротивоположными по знаку S-образными резонансами экваториального эффекта Керра. Отличие в знаке двух резонансов связано с тем, что они связаны сППП, распространяющимися в противоположных направлениях по отношениюк вектору τ, характеризующему явление магнитооптической невзаимности. Этодемонстрирует вторую отличительную особенность ЭЭК в плазмонных кристаллах - знак δ позволяет отличить плазмонные волны, распространяющиеся впротивоположных направлениях.При еще больших углах падения два резонанса Фано расходятся друг отдруга по длине волны еще дальше, и величина магнитооптического сигнала почти не меняются (рис. 2.12в).
Вблизи резонансов спектр величины δ хорошо соответствует спектру производной dT d (см. синяя кривая на рис. 2.12б,г). Этосогласуется со сказанным выше о том, что усиление ЭЭК в основном обусловлено сдвигом резонансов Фано в спектре прохождения. Однако, знак производной не всегда совпадает со знаком величины δ, что объясняется различием внаправлениях распространения плазмонных волн, вызывающих различные резонансы Фано.При смене знака угла падения (т.е. при распространении падающего излучения в направлении, противоположном оси Ox) θ1=10° на θ2=-10° спектр величины δ меняет знак на противоположный и при этом по модулю не отличаетсяот спектра δ, измеренного при θ1=10° (рис.2.12в).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
