Диссертация (1104675), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Подробные характеристики всехчастей установки приведены в тексте.79Дублет Л3 с фокусным расстоянием 150 мм использовался в конфигурациидля измерений экваториального эффекта Керра, когда плоскость падения светаперпендикулярна оси катушек ЭМ и, соответственно, вектору индукции внешнегомагнитного поля. Дублет Л3 с фокусным расстоянием 300 мм использовался вконфигурации для измерений эффекта Фарадея, когда плоскость падения светапараллельна оси катушек ЭМ. В результате световое пятно на образце имелодиаметр около 150 мкм в полярной и 100 мкм в экваториальной конфигурациях,что меньше областей перфорации золота на исследуемом образце (Рис. 3.8(в)).Для фокусировки света на образец предпочтительнее использовать Л3 с меньшимфокусным расстоянием, чтобы получить изображение точечного источника Д1 наповерхности образца как можно меньшего диаметра, который определяетсяотношением фокусного расстояний Л2 к фокусному расстоянию Л3.
Меньшийдиаметр светового пятна позволяет снизить влияние вариаций параметров золотойрешетки внутри пятна, возможных царапин и других неоднородностей (Рис.3.8(г)). Но размер ЭМ вдоль оси создаваемого магнитного поля составляет 420мм, поэтому для измерения эффекта Фарадея использовался Л3 с фокуснымрасстоянием 300 мм.
Однако, численные расчеты методом RCWA (Глава 1)показали, что величина угла Фарадея изменяется не значительно, менее уровняшума излучения от лампы, при вариации периода золотой решетки 1-2 нм.Поэтому использование Л3 с фокусным расстоянием 300 мм вместо 150 нм невлияет на результаты измерений. Для проверки условий фокусировки света наобразце использовалась ПЗС-матрица камеры с USB-интерфейсом.Ток через катушки ЭМ подавался биполярным блоком питания БП,управляемымсперсональногокомпьютераПК;значениесилытокапересчитывалось в значение индукции магнитного поля с коэффициентом1,332 кЭ/А (градуировка проводилась производителем ЭМ). Максимальновозможная сила тока для стабильных длительных измерений, когда ЭМ неперегревается и БП автоматически не ограничивает подаваемое на клеммынапряжение, составляет 2,5 А, что соответствует максимальной индукциимагнитного поля ~3,3 кЭ.
Образец устанавливался на гониометре для изменения80угла падения света ζ в диапазоне от -15° до +15°; дополнительно гониометркрепился на три немагнитных линейных транслятора и имел возможностьповорота вокруг вертикальной оси. Поляризация света задавалась пленочнымполяроидом (П) c рабочим спектральным диапазоном 550-1500 мкм, рабочимдиапазоном углов падения света -20о..+20о и коэффициентом экстинкции 10-5.Послепрохожденияилиотраженияотобразцасветколлимировалсяахроматическим дублетом Л4 с таким же фокусным расстоянием, как и у Л3. Вкачестве анализатора А для измерений эффекта Фарадея после Л4 устанавливалсявторой поляроид. Далее пучок света ахроматическим дублетом Л5 с фокуснымрасстоянием 100 мм фокусировался на входную щель спектрометра С сдетектором излучения на базе ПЗС-матрицы размером 2048х64-пикселей,работающей в спектральном диапазоне от 200 до 1100 нм. Дисперсионныйэлемент в спектрометре – дифракционная решетка с 600 штр/мм.
Итоговоеспектральное разрешение установки составило 0,4 нм и рабочий спектральныйдиапазон – от 550 нм до 1100 нм. Все оптические компоненты и ЭМрасполагались на сотовой оптической плите толщиной 200 мм для снижениявибрационных помех.3.3.3 Методика измерений эффекта ФарадеяДля измерения эффекта Фарадея свет от лампы проходил параллельно осиЭМ и перпендикулярно поверхности образца. Поляризатор и анализаторустанавливались с поворотом на угол 45о друг относительно друга.
При такомрасположении П и А если плоскость поляризации света поворачивается за счетэффекта Фарадея (Глава 1) на угол φ, то интенсивность, проходящая через А ипопадающая на щель спектрометра равна:I I 0 cos 2 (45 ) I 01 sin(2 ),2(3.4)где I0 – интенсивность падающего на образец света. Так как угол φ линейнозависит от индукции внешнего магнитного поля (1.10), то изменение направления81тока через катушки ЭМ при том же ее модуле приведет к смене знака углафарадеевского вращения.Рис. 3.10 Схема взаимной ориентации исследуемого образца, падающего излучения и внешнегомагнитного поля при измерениях угла Фарадея: вектор индукции магнитного поля В иволновой вектор падающего излучения k0 перпендикулярны плоскости образца.Считалось, что положительные значения угла φ соответствуют вращениюплоскости поляризации по часовой стрелке.
Для получения значения угла φизмерялись интенсивности света при противоположных направлениях внешнегомагнитного поля I I (B) и I I (B) , и, с учетом выражения (3.4), уголфарадеевского вращения φ вычислялся по формуле:12 arcsinI ( B ) I ( B).I (B) I (B)(3.5)Стоит отметить, что при выбранной методике измерения формула (3.5)справедлива только в случае, когда угол Фарадея φ является действительнойвеличиной,тоестьприпрохождениичерезнамагниченныйобразецэллиптичность света остается равной нулю.
В противном случае при измеренияхследует учитывать и действительную, и мнимую части комплексного углаФарадея φ = φ’+i φ’’. Однако, измерения показали, что мнимая часть угла φ’’,описывающая эллиптичность прошедшего излучения, составляет порядка 10 -5φ’.Поэтому, в дальнейшем рассмотрении принималось φ ≈ φ’, и использоваласьформула (3.5).823.3.4 Методика измерений экваториального эффекта КерраРис.
3.11. Схема взаимной ориентации исследуемого образца, падающего излучения и внешнегомагнитного поля при измерениях величины экваториального эффекта Керра: вектор индукциимагнитного поля В параллелен слоям МФК и воздушным щелям золотой решетки; волновойвектор k0 и плоскость поляризации падающего излучения перпендикулярны щелям решетки;ζ – угол падения света.При измерениях модуляции коэффициентов отражения и прохожденияструктуры вследствие ЭЭК в схеме экспериментальной установки устанавливалсятолько поляризатор П для задания ТМ-поляризации падающего на образецизлучения, анализатор А отсутствовал.
Результатом измерений, как и для углаФарадея φ, являлись интенсивности света при противоположных направленияхиндукции внешнего магнитного поля В. Величина ЭЭК рассчитывалась изполученных спектров согласно выражению (1.11):I ( B ) I ( B )I (B) I (B)2,I (0)I (B) I (B)(3.6)где I = R, T для измерения величины δ для отраженного и прошедшего излучениясоответственно (Рис. 3.11).3.3.5Оптическиехарактеристикиисследуемыхмагнитофотонныхкристаллов с плазмонным покрытиемМагнитофотонный кристалл без золотой решетки имеет ярко выраженнуюфотонную запрещенную зону в диапазоне длин волн от 570 до 850 нм с двумярезонансами на длинах волн 610 и 743 нм, которые связаны с наличием дефекта впериодической структуре фотонного кристалла (Рис.
3.12). Появление пары пиков83связано с тем, что суммарная оптическая толщина слоев М1 и М2 не кратнавеличине λc/2, где λc – спектральное положение центра фотонной запрещеннойзоны (в исследуемом образце λc ≈ 695 нм). Такой выбор суммарной толщинымагнитных слоев сделан, чтобы независимо исследовать различные случаивзаимодействия собственных мод золотой решетки и МФК.Нанесениезолотойволноводныхирешеткиприводиткплазмон-поляритонныхвозможностимодвозбужденияструктуры,которыераспространяются вдоль слоев (Рис. 3.13, типы мод II-IV).
Эти модыхарактеризуются волновым числом β, которое больше волнового числа света ввоздухе k0 = 2π/λ.1,00,80,80,60,6T, RT1,00,40,20,0540(а)(в)0,4TR0,2620700780Длина волны, нмУгол падения света, о0,0590860(б)(г)660730Длина волны, нм800Угол падения света, оРис. 3.12. (а, б) экспериментальные спектры коэффициентов прохождения Т (сплошные линии)и отражения R (пунктир) при нормальном падении света 0о (а) и угле падения 10о (б) для МФКбез золотой решетки;(в, г) численно рассчитанные спектры коэффициента прохождения при разных углах падениясвета. Поляризация падающего света ТМ (б, в) и ТЕ (г). Темные области на рис.
(в) и (г)соответствуют малому прохождению света через МФК вслеждствие формирования фотоннйзапрещенной зоны фотонного кристалла.84Следовательно, эти типы мод можут возбуждаться только из-за дифракциисвета на металлической решетке, когда выполняется условие фазовогосинхронизма, аналогичное условию (1.15): ( ) 2sin( ) m2,d(3.7)где m – порядок дифракции. Это приводит к изменению оптических свойствструктуры в целом и появлению дополнительных резонансов в спектрахкоэффициентов прохождения и пропускания ПМФК (Рис.
3.14).Форма спектров коэффициента пропускания изменяется незначительно, ипик, связанный с микрорезонаторным слоем МФК, испытывает слабуюмодификацию. С другой стороны, форма спектров коэффициента отраженияизменяется значительно – оптические резонансы, связанные с нанесениемрешетки, ярко выражены в отражении в диапазоне длин волн внутри фотоннойзапрещенной зоны (Рис. 3.14(в,г)). При этом спектральная ширина новыхрезонансов на полувысоте составляет 2-3 нм, что почти в 2 раза меньше ширинырезонансов микрорезонаторного слоя МФК без решетки.Рис.
3.13. Схематическое изображение собственных оптических мод исследуемого ПМФК:мода микрорезонатора Фабри-Перо (I),волноводная мода микрорезонаторного слоя,расположенного между двумя брэгговскими зеркалами (II),волноводные моды,локализованные в слоях с большим показателем преломления (III), поверхностныеплазмон-поляритоны на границах раздела золото/диэлектрик (IV).85(б)(а)Длина волны, нмДлина волны, нм(в)(г)Длина волны, нмДлина волны, нмРис. 3.14. Измеренные спектры коэффициентов пропускания T (а, б) и отражения R (в, г)исследуемого ПМФК при различных углах падения и ТМ-поляризации (а, в) и ТЕ-поляризации(б, г) света.
Углы падения ζ равны 0о (черные кривые), 2о (зеленые кривые), 4о (красныекривые), 6о (синие кривые), 8о (темно-зеленые кривые) 10о (фиолетовые кривые); спектры приразных ζ смещены по вертикальной оси для удобства. Черными стрелками отмеченырезонансы, для которых представлены рассчитанные численно распределения поля внутриструктуры (Рис. 3.16).Также резонансы, связанные с наличием золотой решетки, имеют болеесильную зависимость от угла падения света ζ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
