RU2620026C1 - Method for modulation of electromagnetic radiation intensity using magnetoplasmonic crystal - Google Patents

Method for modulation of electromagnetic radiation intensity using magnetoplasmonic crystal Download PDF

Info

Publication number
RU2620026C1
RU2620026C1 RU2015151438A RU2015151438A RU2620026C1 RU 2620026 C1 RU2620026 C1 RU 2620026C1 RU 2015151438 A RU2015151438 A RU 2015151438A RU 2015151438 A RU2015151438 A RU 2015151438A RU 2620026 C1 RU2620026 C1 RU 2620026C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystal
radiation
magnetoplasmonic
magnetoplasmon
optical
Prior art date
Application number
RU2015151438A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Варвара Владимировна Зубюк
Артём Вячеславович Четвертухин
Александр Игоревич Мусорин
Маргарита Ильгизовна Шарипова
Татьяна Викторовна Долгова
Андрей Анатольевич Федянин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2015151438A priority Critical patent/RU2620026C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2620026C1 publication Critical patent/RU2620026C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics

Abstract

FIELD: physics, instrumentation.
SUBSTANCE: invention refers to optics, namely to a light intensity modulation method for optical and near infrared ranges. The invention can be used in the applied magneto-optics, optoelectronics, photonics, as well as sensor technology. The method for intensity modulation of transmitted or reflected electromagnetic radiation using a magnetoplasmonic crystal includes creation of a bidimensional magnetoplasmonic crystal consisting of a transparent dielectric substrate, a two-dimensional array of noble metal particles of subwave size immersed into the thin magnetic dielectric layer with a thickness not smaller than the particle size; lighting of magnetoplasmonic crystal by TM-polarized electromagnetic radiation upon application of a magnetic field in the geometry of the equatorial magneto-optical Kerr effect.
EFFECT: invention provides intensity modulation of transmitted and reflected optical radiation via structures with dimensions smaller than the wavelength of the applied radiation.
5 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к оптике, а именно к способам модуляции интенсивности света оптического и ближнего ИК диапазонов. Изобретение может быть использовано в прикладной магнитооптике, в оптоэлектронике, фотонике, а также в сенсорной технике.The invention relates to optics, and in particular to methods of modulating the light intensity of the optical and near infrared ranges. The invention can be used in applied magneto-optics, in optoelectronics, photonics, as well as in sensor technology.

Уровень техникиState of the art

Магнитоплазмоника как ответвление магнитооптики получила свое развитие благодаря возможности усиления магнитооптических эффектов в периодически наноструктурированных магнитоплазмонных материалах вследствие резонансного возбуждения плазмонов (Belotelov, V.I., Akimov, I.A., Pohl, М., Kotov, V.A., Kasture, S., Vengurlekar, A.S., … & Bayer, M. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. Nature Nanotechnology, 6 (6), 370-376, (2011)).Magnetoplasmonics as a branch of magnetooptics was developed due to the possibility of enhancing magnetooptical effects in periodically nanostructured magnetoplasmon materials due to resonant excitation of plasmons (Belotelov, VI, Akimov, IA, Pohl, M., Kotov, VA, Kasture, S., Vengurlekar, AS, ... & Bayer, M. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. Nature Nanotechnology, 6 (6), 370-376, (2011)).

Известны метод и устройство для модулирования фазы отраженного светового сигнала на основе эффекта Керра (US 4246549, МПК: H01S 3/10). Устройство реализует управляемый контроль фазы отраженного сигнала при отражении от слоя ферромагнитного или ферримагнитного граната, помещенного на поверхность с коэффициентом отражения предпочтительно свыше 95%, который может быть реализован, например, в виде набора диэлектрических слоев. В устройстве используется усовершенствование, связанное с использованием слоя из ферромагнитного или ферримагнитного граната, в отличие от известных аналогичных устройств, использующих железный слой для эффекта Керра, который обладает высоким поглощением и склонностью к окислению.A known method and device for modulating the phase of the reflected light signal based on the Kerr effect (US 4246549, IPC: H01S 3/10). The device implements controlled phase control of the reflected signal when reflected from a layer of a ferromagnetic or ferrimagnetic garnet placed on a surface with a reflection coefficient preferably above 95%, which can be implemented, for example, as a set of dielectric layers. The device uses the improvement associated with the use of a layer of ferromagnetic or ferrimagnetic garnet, in contrast to the known similar devices using the iron layer for the Kerr effect, which has a high absorption and a tendency to oxidation.

Однако данное устройство обладает большой толщиной, включающей необходимую толщину магнитного граната, а также отражающий слой.However, this device has a large thickness, including the required thickness of the magnetic grenade, as well as a reflective layer.

Известны также способ и устройство (US 5477376, МПК: G02F 1/09) для модулирования интенсивности прошедшего излучения на основе магнитооптического эффекта Фарадея методом изменения намагниченности магнитного гранатового слоя при помощи электромагнита либо механически смещаемого постоянного магнита. Устройство включает в себя структуру с чередующимися доменами намагниченности в направлении, перпендикулярном распространению модулируемого излучения. В отсутствие магнитного поля домены с противоположным направлением намагниченности образуют дифракционную решетку, отводя часть энергии основного пучка в дифрагированные пучки. Таким образом, достигается модуляция либо ослабление исходного пучка.There is also known a method and device (US 5477376, IPC: G02F 1/09) for modulating the intensity of transmitted radiation based on the magneto-optical Faraday effect by changing the magnetization of a magnetic garnet layer using an electromagnet or a mechanically biased permanent magnet. The device includes a structure with alternating magnetization domains in a direction perpendicular to the propagation of modulated radiation. In the absence of a magnetic field, domains with the opposite direction of magnetization form a diffraction grating, diverting part of the energy of the main beam to diffracted beams. Thus, modulation or attenuation of the initial beam is achieved.

Данный метод не обладает выраженной селективностью по длинам волн, а также устройство плохо применимо в качестве отражательного модулирующего магнитооптического элемента интегральной фотоники, так как обладает большими размерами, в частности толщиной.This method does not have pronounced selectivity for wavelengths, and the device is poorly applicable as a reflective modulating magneto-optical element of integrated photonics, since it has large dimensions, in particular, thickness.

Известны также метод и устройство по управлению оптическим сигналом на основе перекачивания оптической энергии в поверхностный плазмон-поляритон (US 8879138, МПК: G02F 1/01). В устройстве применена активная среда, оптические свойства которой могут варьироваться в зависимости от внешнего электрического или магнитного поля. Для управления с помощью магнитного поля используется диэлектрик с примесями магнитных металлов (Ni, Со) либо ферромагнитных гранатов.Also known is a method and apparatus for controlling an optical signal based on pumping optical energy into a surface plasmon polariton (US 8879138, IPC: G02F 1/01). The device uses an active medium, the optical properties of which can vary depending on an external electric or magnetic field. To control using a magnetic field, a dielectric with impurities of magnetic metals (Ni, Co) or ferromagnetic garnets is used.

Данный метод применяется для модулирования излучения в геометрии на пропускание и устройство не пригодно для использования в качестве модулирующего отражательного элемента. Кроме того, устройство обладает большими геометрическими размерами, что не позволяет применять его в качестве элемента интегральной оптики.This method is used to modulate the radiation in the transmission geometry and the device is not suitable for use as a modulating reflective element. In addition, the device has large geometric dimensions, which does not allow its use as an element of integrated optics.

Известен также метод поворота плоскости поляризации света и описан способ изготовления устройства для данного метода (US 7965436, МПК: G02F 1/09). Устройство состоит из немагнитного диэлектрического волновода и магнитной оболочки, толщина волновода составляет порядка 50-400 нм. Устройство осуществляет круговой поворот поляризации на 45° при прохождении излучении через 2 мкм среды.There is also a known method of rotation of the plane of polarization of light and a method for manufacturing a device for this method is described (US 7965436, IPC: G02F 1/09). The device consists of a non-magnetic dielectric waveguide and a magnetic shell, the waveguide thickness is about 50-400 nm. The device carries out a circular rotation of polarization by 45 ° when radiation passes through 2 μm of the medium.

Данный метод не может применяться в геометрии на отражение, и, кроме того, устройство обладает большими размерами.This method cannot be used in reflection geometry, and, in addition, the device is large.

Наиболее близким к заявляемому способу является метод усиления магнитооптического эффекта Керра за счет применения фотонно-кристаллических периодических структур на поверхности и перекачки энергии падающего излучения в поверхностные плазмоны (US 9110316, МПК: G02F 1/09). В свою очередь экваториальный магнитооптический эффект Керра позволяет модулировать интенсивность отраженного сигнала. Утверждается, по крайней мере, пятикратное усиление экваториального эффекта Керра по сравнению с неструктурированным материалом. В известном решении, в отличие от заявляемого способа, для магнитооптического эффекта Керра используется фотонно-кристаллическая структура толщиной порядка 300 нм. В качестве ферромагнитного металла используется никель, а сам метод ограниченно позволяет использовать, например, железо для магнитооптической модуляции. Также рассматриваемая в данном методе двумерная упорядоченная наноструктура не пригодна для использования в качестве модулирующего пропускающего элемента.Closest to the claimed method is a method of enhancing the magneto-optical Kerr effect through the use of photonic crystalline periodic structures on the surface and transfer of incident radiation energy to surface plasmons (US 9110316, IPC: G02F 1/09). In turn, the equatorial magneto-optical Kerr effect allows you to modulate the intensity of the reflected signal. At least a five-fold enhancement of the equatorial Kerr effect in comparison with unstructured material is claimed. In the known solution, in contrast to the proposed method, a photonic crystal structure with a thickness of about 300 nm is used for the magneto-optical Kerr effect. Nickel is used as a ferromagnetic metal, and the method itself allows limited use of, for example, iron for magneto-optical modulation. Also, the two-dimensional ordered nanostructure considered in this method is not suitable for use as a modulating transmitting element.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения является создание способа магнитооптической модуляции интенсивности оптического излучения при помощи тонкопленочной плазмонной наноструктуры с толщиной активной части менее 200 нм с возможностью работы устройства в геометрии как на пропускание, так и на отражение.The objective of the invention is to provide a method for magneto-optical modulation of the intensity of optical radiation using a thin-film plasmonic nanostructure with a thickness of the active part of less than 200 nm with the possibility of the device working in geometry both for transmission and reflection.

Техническим результатом является управляемая магнитным полем модуляция интенсивности оптического излучения при отражении от или пропускании через структуру, оптическая толщина которой меньше или порядка длины волны модулируемого излучения, что позволяет применять способ в компактных устройствах.The technical result is a magnetic field-controlled modulation of the intensity of optical radiation when reflected from or transmitted through a structure whose optical thickness is less than or of the order of the wavelength of the modulated radiation, which allows the method to be used in compact devices.

Поставленная задача решается тем, что способ модуляции интенсивности электромагнитного излучения осуществляют с помощью магнитоплазмонного кристалла, включающего прозрачную диэлектрическую подложку с расположенными на ней в слое магнитного граната двумерного массива частиц из благородного металла с субволновыми размерами, погруженный в диэлектрический магнитный слой толщиной не меньше размера частиц, при этом магнитоплазмонный кристалл освещают ТМ-поляризованным излучением оптического или ближнего ИК диапазонов при приложении к диэлектрическому магнитному слою переменного магнитного поля в геометрии магнитооптического экваториального эффекта Керра, обеспечивающего возможность модуляции интенсивности излучения как на пропускание, так и на отражение.The problem is solved in that the method of modulating the intensity of electromagnetic radiation is carried out using a magnetoplasmon crystal, which includes a transparent dielectric substrate with a two-dimensional array of noble metal particles with subwave sizes located on it in the layer of magnetic garnet, immersed in a dielectric magnetic layer with a thickness not less than the particle size, in this case, the magnetoplasmon crystal is illuminated with TM-polarized radiation of the optical or near-IR ranges when applied magnetic dielectric layer of alternating magnetic field in the equatorial geometry magnetooptical Kerr effect provides the possibility of modulation of the radiation intensity as a transmissive or reflective.

Двумерный массив частиц представляет собой строго периодическую структуру с периодом расположения частиц не менее 200 нм. Для получения максимальной модуляции света величина прикладываемого внешнего магнитного поля должна находиться в области насыщения намагниченности диэлектрического магнитного слоя. В качестве частиц могут быть использованы частицы золота или серебра с размерами от 50 нм до 200 нм.A two-dimensional array of particles is a strictly periodic structure with a period of particle arrangement of at least 200 nm. To obtain maximum light modulation, the magnitude of the applied external magnetic field should be in the saturation region of the magnetization of the dielectric magnetic layer. As particles, gold or silver particles with sizes from 50 nm to 200 nm can be used.

Оптимальный результат реализуется в геометрии, где внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости падения излучения на структуру магнитоплазмонного кристалла и параллельно плоскости магнитоплазмонного кристалла, вектор намагниченности магнитного слоя лежит в плоскости магнитоплазмонного кристалла и перпендикулярен плоскости падения света, угол падения света 0 на образец не менее 10 градусов, азимутальный угол лежит в диапазоне от 0 до 360 градусов.The optimal result is realized in geometry, where the external magnetic field is directed perpendicular to the plane of incidence of the radiation on the structure of the magnetoplasmonic crystal and parallel to the plane of the magnetoplasmonic crystal, the magnetization vector of the magnetic layer lies in the plane of the magnetoplasmonic crystal and is perpendicular to the plane of incidence of light, the angle of incidence of light is 0 at least 10 degrees , the azimuthal angle lies in the range from 0 to 360 degrees.

Преимущество магнитоплазмонных структур заключается в возможности создания устройств с размерами, не превышающими длину волны излучения. Поэтому использование магнитоплазмонных материалов в качестве устройств, в которых возможны магнитооптические эффекты и которые, кроме того, являются компактными, дает возможность широкого применения таких материалов в различных областях физики, оптики и электроники. Данные преимущества магнитоплазмонных материалов позволили разработать способ модуляции интенсивности прошедшего и отраженного оптического излучения с помощью структуры с размерами меньшими, чем длина волны используемого излучения (например, см. табл. 1).The advantage of magnetoplasmon structures is the possibility of creating devices with dimensions not exceeding the radiation wavelength. Therefore, the use of magnetoplasmonic materials as devices in which magneto-optical effects are possible and which, moreover, are compact, makes it possible to widely use such materials in various fields of physics, optics, and electronics. These advantages of magnetoplasmonic materials made it possible to develop a method for modulating the intensity of transmitted and reflected optical radiation using a structure with dimensions smaller than the wavelength of the radiation used (for example, see Table 1).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематичное изображение магнитоплазмонного кристалла: двумерный массив золотых наночастиц (2), расположенный на подложке из плавленого кварца (3) и погруженный в слой магнитного граната (1). На фиг. 2 показано изображение магнитоплазмонного кристалла, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. Фиг. 3 демонстрирует принципиальную оптическую схему способа модуляции интенсивности электромагнитного излучения, где (4) - система формирования ТМ-поляризованного оптического излучения, (5) -магнитоплазмонный кристалл, (6) - система детектирования оптического излучения. На фиг. 4 представлен график, демонстрирующий спектр пропускания магнитоплазмонного кристалла (кривая 1) для угла падения излучения на кристалл, равного 20 градусам, а также спектр поперечного магнитооптического эффекта Керра (кривая 2) для угла падения излучения, равного 20 градусам.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. Figure 1 shows a schematic representation of a magnetoplasmon crystal: a two-dimensional array of gold nanoparticles (2) located on a fused silica substrate (3) and immersed in a layer of magnetic garnet (1). In FIG. 2 shows an image of a magnetoplasmon crystal obtained using an atomic force microscope. FIG. Figure 3 shows a schematic optical diagram of a method for modulating the intensity of electromagnetic radiation, where (4) is a system for generating TM polarized optical radiation, (5) is a magnetoplasmon crystal, and (6) is a system for detecting optical radiation. In FIG. 4 is a graph showing the transmission spectrum of a magnetoplasmon crystal (curve 1) for the angle of incidence of radiation on the crystal equal to 20 degrees, as well as the spectrum of the transverse magneto-optical Kerr effect (curve 2) for the angle of incidence of radiation equal to 20 degrees.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Для реализации способа модуляции интенсивности электромагнитного излучения с использованием магнитооптических и плазмонных эффектов необходим двумерный магнитоплазмонный кристалл, состоящий из диэлектрической подложки, двумерного массива (с периодом не менее 200 нм) частиц из благородного металла (например, золото, серебро) с субволновыми размерами от 50 нм до 200 нм, погруженного в диэлектрический магнитный слой толщиной не менее диаметра частиц; магнитоплазмонный кристалл освещается ТМ-поляризованным излучением с длиной волны от 400 нм до 3000 нм при приложении насыщающего внешнего магнитного поля, например, при помощи катушек индуктивности. Внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости падения света на структуру и параллельно плоскости магнитоплазмонного кристалла, вектор намагниченности магнитного слоя лежит в плоскости магнитоплазмонного кристалла и перпендикулярен плоскости падения света. Угол падения излучения θ на образец не менее 10 градусов, азимутальный угол лежит в диапазоне от 0 до 360 градусов. В такой магнитоплазмонной решетке возможно возбуждение квазиволноводной и плазмонной мод в спектральном диапазоне падающего излучения. Из-за возбуждения мод происходит перераспределение энергии между падающим электромагнитным излучением и модами, возбуждаемыми в кристалле, и, как следствие, в спектрах отраженного и прошедшего излучении появляются резонансные особенности - наблюдаются локальные максимумы/минимумы.To implement a method of modulating the intensity of electromagnetic radiation using magneto-optical and plasmon effects, a two-dimensional magnetoplasmon crystal is required, consisting of a dielectric substrate, a two-dimensional array (with a period of at least 200 nm) of noble metal particles (for example, gold, silver) with subwavelengths from 50 nm up to 200 nm immersed in a dielectric magnetic layer with a thickness of at least a particle diameter; the magnetoplasmon crystal is illuminated with TM-polarized radiation with a wavelength of 400 nm to 3000 nm when a saturating external magnetic field is applied, for example, using inductors. An external magnetic field is directed perpendicular to the plane of incidence of light on the structure and parallel to the plane of the magnetoplasmonic crystal, the magnetization vector of the magnetic layer lies in the plane of the magnetoplasmonic crystal and is perpendicular to the plane of incidence of light. The angle of incidence of radiation θ on the sample is at least 10 degrees, the azimuthal angle lies in the range from 0 to 360 degrees. In such a magnetoplasmon lattice, it is possible to excite the quasi-waveguide and plasmon modes in the spectral range of the incident radiation. Due to mode excitation, energy is redistributed between the incident electromagnetic radiation and the modes excited in the crystal, and, as a result, resonance features appear in the spectra of reflected and transmitted radiation - local maxima / minima are observed.

Указанные параметры магнитоплазмонного кристалла и оптической схемы являются необходимыми и достаточными для получения заявляемого технического результата.The indicated parameters of the magnetoplasmon crystal and the optical scheme are necessary and sufficient to obtain the claimed technical result.

Ниже представлен пример реализации способа модуляции интенсивности света с использованием квадратной решетки из золотых частиц в железо-иттриевом гранате. Способ основан на использовании двумерного магнитоплазмонного кристалла (фиг. 1), состоящего из кварцевой подложки (1), «квадратного» массива золотых частиц размером 110 нм и с периодом d=600 нм (2), погруженных в пленку железо-иттриевого граната толщиной 100 нм (3). Для кристалла с таким дизайном возможно возбуждение локальных плазмонов в золотых наночастицах, квазиволноводных мод, локализованных внутри магнитного металла между рядами, а также связанных плазмонных мод. Магнитоплазмонный кристалл может быть получен по известной из уровня техники технологии (см., например, Н. Uchida, Y. Mizutani, Y. Nakai, A.A. Fedyanin, M. Inoue, Garnet composite films with Au particles fabricated by repetitive formation for enhancement of Faraday effect, J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 064014). Массив золотых нанодисков на кварцевой подложке изготавливается с помощью электронно-лучевой литографии после магнетронного распыления золотой пленки. Для получения золотых частиц массив отжигается в течение 10 минут при температуре 1000°С. Далее с помощью магнетронного распыления получают верхний слой магнитного граната с последующим отжигом структуры. Намагниченность структуры лежит в плоскости структуры. Данный метод изготовления магнитоплазмонного кристалла демонстрирует хорошую периодичность решетки (фиг. 2). Для реализации данного способа модуляции света исходное излучение, длина волны которого принадлежит диапазону 400-3000 нм, следует направить в геометрии на отражение/пропускание на магнитоплазмонный кристалл, помещенный в насыщающее переменное магнитное поле. Внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости падения света на структуру и параллельно плоскости магнитоплазмонного кристалла, вектор намагниченности магнитного слоя лежит в плоскости магнитоплазмонного кристалла и перпендикулярен плоскости падения света. Угол падения света подбирается таким образом, чтобы выполнить условия фазового синхронизма между проекцией волнового вектора падающего оптического излучения, вектором поверхностного плазмон-поляритона и вектором обратной решетки магнитоплазмонного кристалла. В результате отраженное/прошедшее излучение будет модулировано на частоте магнитного поля.The following is an example implementation of a method for modulating light intensity using a square lattice of gold particles in yttrium iron garnet. The method is based on the use of a two-dimensional magnetoplasmon crystal (Fig. 1), consisting of a quartz substrate (1), a “square” array of gold particles with a size of 110 nm and a period of d = 600 nm (2), immersed in a film of 100 yttrium iron garnet nm (3). For a crystal with this design, it is possible to excite local plasmons in gold nanoparticles, quasi-waveguide modes localized inside the magnetic metal between the rows, and also coupled plasmon modes. A magnetoplasmonic crystal can be obtained by technology known from the prior art (see, for example, N. Uchida, Y. Mizutani, Y. Nakai, AA Fedyanin, M. Inoue, Garnet composite films with Au particles fabricated by repetitive formation for enhancement of Faraday effect, J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 064014). An array of gold nanodisks on a quartz substrate is made using electron beam lithography after magnetron sputtering of a gold film. To obtain gold particles, the array is annealed for 10 minutes at a temperature of 1000 ° C. Next, using magnetron sputtering, an upper layer of magnetic garnet is obtained, followed by annealing of the structure. The magnetization of the structure lies in the plane of the structure. This method of manufacturing a magnetoplasmon crystal demonstrates a good periodicity of the lattice (Fig. 2). To implement this method of light modulation, the initial radiation, the wavelength of which belongs to the range of 400-3000 nm, should be directed in reflection / transmission geometry to a magnetoplasmon crystal placed in a saturating alternating magnetic field. An external magnetic field is directed perpendicular to the plane of incidence of light on the structure and parallel to the plane of the magnetoplasmonic crystal, the magnetization vector of the magnetic layer lies in the plane of the magnetoplasmonic crystal and is perpendicular to the plane of incidence of light. The angle of incidence of light is selected so as to satisfy the phase-matching conditions between the projection of the wave vector of the incident optical radiation, the surface plasmon polariton vector and the reciprocal lattice vector of the magnetoplasmon crystal. As a result, the reflected / transmitted radiation will be modulated at the frequency of the magnetic field.

В состав кристалла входит слой магнитного граната, для которого наблюдается магнитооптический эффект Керра, а вследствие возбуждения квазиволноводной и плазмонной мод происходит усиление этого эффекта. Изменения свойств мод золотой решетки, обусловленные намагниченностью, приводят к тому, что появляется резонансная зависимость отклика в дальнем поле. В ходе эксперимента была выявлена явная взаимосвязь между положением резонанса мод, возбуждаемых в кристалле, и резонанса поперечного магнитооптического эффекта Керра (фиг. 4). Экваториальный магнитооптический эффект Керра заключается в изменении интенсивности и фазы электромагнитного излучения при взаимодействии с намагниченной средой, для которой вектор намагниченности лежит в плоскости образца и перпендикулярен плоскости падения света. В предлагаемом способе на магнитоплазмонный кристалл падает ТМ-поляризованная волна, для модуляции отклика в дальнем поле используется переменное насыщающее магнитное поле с амплитудой 1 кЭ. Частота магнитного поля не должна совпадать с частотой механических резонансов магнитоплазмонного кристалла или частотой, используемой в электрической сети (50 Гц) для уменьшения шумов.The crystal includes a layer of magnetic garnet, for which the magneto-optical Kerr effect is observed, and due to the excitation of the quasi-waveguide and plasmon modes, this effect is enhanced. Changes in the properties of the modes of the gold lattice due to magnetization lead to the appearance of a resonant dependence of the response in the far field. During the experiment, a clear relationship was found between the position of the resonance of the modes excited in the crystal and the resonance of the transverse magneto-optical Kerr effect (Fig. 4). The equatorial magneto-optical Kerr effect consists in changing the intensity and phase of electromagnetic radiation when interacting with a magnetized medium, for which the magnetization vector lies in the plane of the sample and is perpendicular to the plane of incidence of light. In the proposed method, a TM-polarized wave is incident on a magnetoplasmon crystal, an alternating saturating magnetic field with an amplitude of 1 kOe is used to modulate the response in the far field. The frequency of the magnetic field should not coincide with the frequency of the mechanical resonances of the magnetoplasmon crystal or the frequency used in the electrical network (50 Hz) to reduce noise.

Особенность используемой в данном изобретении геометрии заключается в том, что экваториальный магнитооптический эффект Керра наблюдается не только в геометрии на отражение, но и в геометрии на пропускание (фиг. 3). В последнем случае величина эффекта определяется следующим образом:A feature of the geometry used in this invention is that the equatorial magneto-optical Kerr effect is observed not only in reflection geometry, but also in transmission geometry (Fig. 3). In the latter case, the magnitude of the effect is determined as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Н - величина приложенного магнитного поля, Т(Н) - интенсивность прошедшего электромагнитного излучения при приложении магнитного поля величиной Н, Т(0) - величина интенсивности прошедшего света без приложения магнитного поля. Данный эффект четный по намагниченности, то есть δ меняет свой знак при изменении направления внешнего магнитного поля на противоположное или при изменении угла падения θ на - θ.where H is the magnitude of the applied magnetic field, T (H) is the intensity of the transmitted electromagnetic radiation when applying a magnetic field of H, T (0) is the magnitude of the intensity of the transmitted light without applying a magnetic field. This effect is even in magnetization, i.e., δ changes its sign when the direction of the external magnetic field is reversed or when the angle of incidence θ changes by - θ.

На фиг. 4 представлен спектр пропускания магнитоплазмонного кристалла для угла падения электромагнитного излучения на структуру равного 20° (кривая 1) и спектр магнитооптического эффекта Керра (кривая 2) в геометрии на пропускание для того же угла. Провал в спектре пропускания на длине волны 840 нм соответствует плазмонной моде, а особенности в спектре пропускания при длине волны вблизи 560 нм связаны с возбуждением квазиволноводной моды. При возбуждении мод в магнитоплазмонном кристалле происходит длительное взаимодействие падающего излучения со средой, что приводит к увеличению магнитооптического отклика. Из графика видно, что в диапазоне от 525 нм до 575 нм вследствие возбуждения квазиволноводной моды происходит усиление магнитооптического эффекта Керра. Таким образом, приложение внешнего магнитного поля к магнитоплазмонному кристаллу позволяет изменить интенсивность прошедшего излучения на величину δ, что не менее 0.04% на 100 нм толщины структуры (фиг. 4).In FIG. Figure 4 shows the transmission spectrum of a magnetoplasmon crystal for the angle of incidence of electromagnetic radiation on the structure equal to 20 ° (curve 1) and the spectrum of the magneto-optical Kerr effect (curve 2) in the transmission geometry for the same angle. A dip in the transmittance spectrum at a wavelength of 840 nm corresponds to the plasmon mode, and features in the transmittance spectrum at a wavelength near 560 nm are associated with the excitation of a quasi-waveguide mode. When modes are excited in a magnetoplasmon crystal, a long interaction of incident radiation with the medium occurs, which leads to an increase in the magneto-optical response. The graph shows that in the range from 525 nm to 575 nm, due to the excitation of the quasi-waveguide mode, the magneto-optical Kerr effect intensifies. Thus, the application of an external magnetic field to a magnetoplasmon crystal allows us to change the intensity of the transmitted radiation by δ, which is not less than 0.04% per 100 nm of the structure thickness (Fig. 4).

Так как в данном изобретении используется прозрачный ферримагнитный материал, который не только пропускает падающее излучение, но и отражает его, то предложенный способ модуляции интенсивности излучения может работать как на пропускание, так и на отражение.Since this invention uses a transparent ferrimagnetic material, which not only transmits incident radiation, but also reflects it, the proposed method for modulating the radiation intensity can work both for transmission and reflection.

Настоящее изобретение представлено в виде определенного примера, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present invention is presented in the form of a specific example, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.

В результате того, что с помощью периодического структурирования магнитоплазмонных кристаллов на микромасштабах удается модулировать интенсивность оптического излучения, а использование диэлектрического магнитного материала, такого как, например, железо-иттриевый гранат, позволяет регистрировать и прошедшее, и отраженное излучение, то появляется возможность применения заявляемого изобретения в качестве универсальных компактных магнитооптических материалов, управляемых внешним магнитным полем, которые работают как на пропускание, так и на отражение.As a result of the fact that by periodic structuring of magnetoplasmonic crystals at microscales it is possible to modulate the intensity of optical radiation, and the use of dielectric magnetic material, such as, for example, yttrium iron garnet, it is possible to register both transmitted and reflected radiation, the possibility of applying the claimed invention as universal compact magneto-optical materials controlled by an external magnetic field, which operate as pass-through And reflection.

Таким образом, предлагается способ модуляции интенсивности прошедшего или отраженного электромагнитного излучения с помощью структуры с размерами меньше, чем длина волны используемого излучения, который заключается в том, что поверхность магнитоплазмонного кристалла в виде периодически наноструктурированных ферромагнитных и благородных металлов освещается оптическим излучением при одновременном приложении переменного магнитного поля, перпендикулярного плоскости падения света и параллельно плоскости магнитоплазмонного кристалла. Дизайн структуры определяется рабочей длиной волны оптического излучения (табл. 1). Модулирование интенсивности прошедшего или отраженного света осуществляется изменением амплитуды и знака приложенного магнитного поля (за счет изменения силы и направления тока в электромагнитах, создающих это поле).Thus, a method for modulating the intensity of transmitted or reflected electromagnetic radiation using a structure with dimensions smaller than the wavelength of the radiation used is proposed, which consists in the fact that the surface of a magnetoplasmonic crystal in the form of periodically nanostructured ferromagnetic and noble metals is illuminated by optical radiation while applying alternating magnetic field perpendicular to the plane of incidence of light and parallel to the plane of the magnetoplasmon crystal la The design of the structure is determined by the working wavelength of the optical radiation (Table 1). The intensity of transmitted or reflected light is modulated by changing the amplitude and sign of the applied magnetic field (by changing the strength and direction of the current in the electromagnets that create this field).

Figure 00000002
Figure 00000002

Таким образом, заявляемый способ позволяет модулировать интенсивность электромагнитного излучения в двух геометриях при помощи магнитоплазмонного кристалла, активная часть которого имеет размеры меньше, чем длина волны используемого излучения.Thus, the inventive method allows you to modulate the intensity of electromagnetic radiation in two geometries using a magnetoplasmon crystal, the active part of which is smaller than the wavelength of the radiation used.

Claims (5)

1. Способ модуляции интенсивности электромагнитного излучения с помощью магнитоплазмонного кристалла, включающего прозрачную диэлектрическую подложку, двумерный массив частиц из благородного металла с субволновыми размерами, погруженный в диэлектрический магнитный слой толщиной не меньше размера частиц, характеризующийся тем, что магнитоплазмонный кристалл освещают ТМ-поляризованным излучением оптического или ближнего ИК дипазонов при приложении к диэлектрическому магнитному слою переменного магнитного поля в геометрии магнитооптического экваториального эффекта Керра, обеспечивающего возможность модуляции интенсивности излучения как на пропускание, так и на отражение.1. A method for modulating the intensity of electromagnetic radiation using a magnetoplasmonic crystal, including a transparent dielectric substrate, a two-dimensional array of noble metal particles with subwavelength dimensions, immersed in a dielectric magnetic layer with a thickness not less than the particle size, characterized in that the magnetoplasmonic crystal is illuminated with TM-polarized optical radiation or near IR ranges when an alternating magnetic field is applied to the dielectric magnetic layer in the geometry of the magneto pticheskogo transverse Kerr effect, which provides the possibility of modulation of the radiation intensity as a transmissive or reflective. 2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что двумерный массив частиц представляет собой периодическую структуру с периодом расположения частиц не менее 200 нм.2. The method according to p. 1, characterized in that the two-dimensional array of particles is a periodic structure with a period of arrangement of particles of at least 200 nm. 3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что величина прикладываемого внешнего магнитного поля соответствует области насыщения намагниченности диэлектрического магнитного слоя.3. The method according to p. 1, characterized in that the magnitude of the applied external magnetic field corresponds to the saturation region of the magnetization of the dielectric magnetic layer. 4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве частиц используют частицы золота или серебра с размерами от 50 нм до 200 нм.4. The method according to p. 1, characterized in that the particles are particles of gold or silver with sizes from 50 nm to 200 nm. 5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости падения излучения на структуру магнитоплазмонного кристалла и параллельно плоскости магнитоплазмонного кристалла, вектор намагниченности магнитного слоя лежит в плоскости магнитоплазмонного кристалла и перпендикулярен плоскости падения света, угол падения излучения θ на образец не менее 10 градусов, азимутальный угол магнитоплазмонного кристалла лежит в диапазоне от 0 до 360 градусов.5. The method according to p. 1, characterized in that the external magnetic field is directed perpendicular to the plane of incidence of the radiation on the structure of the magnetoplasmon crystal and parallel to the plane of the magnetoplasmon crystal, the magnetization vector of the magnetic layer lies in the plane of the magnetoplasmon crystal and is perpendicular to the plane of incidence of light, the angle of incidence of radiation θ on the sample is at least 10 degrees, the azimuthal angle of the magnetoplasmon crystal lies in the range from 0 to 360 degrees.
RU2015151438A 2015-12-01 2015-12-01 Method for modulation of electromagnetic radiation intensity using magnetoplasmonic crystal RU2620026C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151438A RU2620026C1 (en) 2015-12-01 2015-12-01 Method for modulation of electromagnetic radiation intensity using magnetoplasmonic crystal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151438A RU2620026C1 (en) 2015-12-01 2015-12-01 Method for modulation of electromagnetic radiation intensity using magnetoplasmonic crystal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2620026C1 true RU2620026C1 (en) 2017-05-22

Family

ID=58881182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015151438A RU2620026C1 (en) 2015-12-01 2015-12-01 Method for modulation of electromagnetic radiation intensity using magnetoplasmonic crystal

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2620026C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114018297A (en) * 2021-11-04 2022-02-08 电子科技大学 Two-dimensional ferromagnetic CrI based on magnetic field regulation and control3Fluorescence chiral multi-wavelength magnetic encoder

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004051361A1 (en) * 2002-12-04 2004-06-17 Massachusetts Institute Of Technology Electro-magnetically induced transparency in photonic crystal cavities
CN101881918A (en) * 2010-05-25 2010-11-10 南京邮电大学 Terahertz wave modulator based on nonlinear photonic crystal and modulating method
CN102231034A (en) * 2006-12-30 2011-11-02 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Light beam adjuster using adjustable photonic crystal auto-collimation effect and application thereof
US9110316B2 (en) * 2011-12-01 2015-08-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Method of amplifying magneto-optical kerr effect by using photon crystal structures, and photon crystal having amplified magneto-optical kerr effect, method of fabricating photon crystal

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004051361A1 (en) * 2002-12-04 2004-06-17 Massachusetts Institute Of Technology Electro-magnetically induced transparency in photonic crystal cavities
CN102231034A (en) * 2006-12-30 2011-11-02 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Light beam adjuster using adjustable photonic crystal auto-collimation effect and application thereof
CN101881918A (en) * 2010-05-25 2010-11-10 南京邮电大学 Terahertz wave modulator based on nonlinear photonic crystal and modulating method
US9110316B2 (en) * 2011-12-01 2015-08-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Method of amplifying magneto-optical kerr effect by using photon crystal structures, and photon crystal having amplified magneto-optical kerr effect, method of fabricating photon crystal

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114018297A (en) * 2021-11-04 2022-02-08 电子科技大学 Two-dimensional ferromagnetic CrI based on magnetic field regulation and control3Fluorescence chiral multi-wavelength magnetic encoder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Belotelov et al. Plasmon-mediated magneto-optical transparency
Floess et al. Plasmonic analog of electromagnetically induced absorption leads to giant thin film Faraday rotation of 14°
Tomita et al. Magneto-optical Kerr effects of yttrium-iron garnet thin films incorporating gold nanoparticles
Armelles et al. Magnetoplasmonics: combining magnetic and plasmonic functionalities
Temnov et al. Towards the nonlinear acousto-magneto-plasmonics
Barsukova et al. Enhanced magneto-optical effects in hybrid Ni-Si metasurfaces
Liu et al. Magnetically controlled terahertz modulator based on Fe3O4 nanoparticle ferrofluids
Maccaferri et al. Magnetoplasmonics in confined geometries: Current challenges and future opportunities
Frolov et al. Dark mode enhancing magneto-optical Kerr effect in multilayer magnetoplasmonic crystals
Krutyanskiy et al. Giant nonlinear magneto-optical response of magnetoplasmonic crystals
CN109298555A (en) Terahertz magnetic nano-liquid crystal phase-shifter and preparation method thereof
CN103337271A (en) Atom trapping and optical latticing method for chip surface
JP5010511B2 (en) Polarization control element, polarization control device
RU2620026C1 (en) Method for modulation of electromagnetic radiation intensity using magnetoplasmonic crystal
Inoue et al. Magnetophotonic materials and their applications
Inoue et al. Magnetophotonic crystals: Experimental realization and applications
Gosciniak et al. Study of TiN nanodisks with regard to application for Heat-Assisted Magnetic Recording
RU2548046C2 (en) Method for magnetooptical modulation of light using surface plasmons
RU2703487C1 (en) Apparatus and method of modulating polarization of light using magnetophoton meta-surfaces
Shnan et al. Longitudinal magneto-optical Kerr effect in insulator/metal/insulator grating structure
Ignatyeva et al. Optical excitation of spin waves in all-dielectric nanostructured materials with iron garnet
Hamidi et al. Magneto-optical Faraday rotation in Ce: YIG thin films incorporating gold nanoparticles
Chen et al. Magneto-optical control decoupled from the optical response in magnetic metallic gratings
Lei et al. Surface Plasmon Resonance Enhanced the Transverse Magneto-optical Kerr Effect in One-dimensional Magnetoplasmonic Nanostructure
Golovko et al. Magneto-Optical Control of Radiation in Photonic Crystal Structures via the Excitation of Surface Modes