PDF《一维金属光栅嵌入磁性介质纳米结构下的横向磁光克尔效应的...》

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 147302-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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147302 光学损耗 (远高于贵金属) 会降低光信号强度, 研究 人员提出用磁性介质来代替铁磁性金属, 设计出贵 金属/磁性介质复合的等离激元纳米结构, 并且已 有相关文献证明 [14,15] , 这样的结构可以在保持低 光学损耗的前提下, 增强TMOKE 响应. 由于磁光器件设计性能的需要, 我们使用物 质磁化强度反转时透射率的相对改变值来衡量 TMOKE 响应大小. 实际应用中, TMOKE 响应与 透射率之间还保持着一种竞争关系. 在本文中, 我们数值研究了利用一维金条带周期型阵列嵌入 磁性介质结构中, TMOKE 的增强及其原因, 通过 金光栅在磁性薄膜中嵌入深度调控磁性介质薄膜 中的波导模式以及局域等离激元 (localized surface plasmon, LSP) 和波导模式之间的耦合效率, 并研 究其对 TMOKE 响应的影响. 计算表明, 通过最优 化金条带嵌入磁性介质层的深度, 在保持透射率 高达 22.6% 的同时使 TMOKE 响应达到 3.6%, 该TMOKE 响应是金条带在磁性介质层表面时的

3 倍.

2 理论模型 TMOKE 响应反应了磁场对电磁场传播性质 的调制能力, 一般地, 我们使用如下公式来衡量 TMOKE响应(δ)的强弱, 即δ=I(+M) ? I(?M) I(0) , (1) 其中 I 是透射光的强度, M 是磁化强度, 正负号代 表了磁化强度 (M) 的取向, I(0) 是结构未被磁化 时的透射率. 我们提出的结构如图

1 所示, 在支撑在半无 限大石英衬底上厚度为 h 的铋铁石榴石 (bismuth iron garnet, BIG) 薄膜表面嵌入了周期为 Λ 的金 条带一维光栅型阵列, 其中金条带相对于 BIG 表面的嵌入深度为 t. 当入射电磁波从纳米结 构上部以角度 θ 入射, 并且满足波矢匹配条件 k0 sin θ + m(2π/Λ) = kwg 时[16] (k0 为入射电磁 波的波矢, kwg 为磁性薄膜中所支持的波导模的波 矢), 磁性 BIG 介质层所支持的波导模式可以被有 效激发. 这里, 我们只关注 BIG 介质层中支持波导 基模 (即m=1) 传播时的情况;

另外, 当入射电磁 波的电场矢量方向垂直于金条带的方向时 (TM 偏振), 选择合适的尺寸, 单个金条带的LSP共振可以 被有效激发. 图1(网刊彩色) 以石英为衬底, 一维金条带光栅嵌入 BIG 层模型示意图 左 (三维示意图): θ 是入射角, Λ 是 金条带周期, 入射光以 TM 偏振入射;

右 (侧视图): a 和b分别是金条带的长度与宽度, h 是BIG 介质层的厚度, t 是金光栅嵌入深度 Fig. 1. (color online) The schematic model of the BIG ?lm embedded by a 1D gold grating in quartz sub- strate. Left (3D perspective drawing): θ is the inci- dent angle, Λ is the period length. The light is TM incident. Right (side-view): a and b are the width and height of gold strip, respectively, h is the thickness of BIG ?lm, t is the embedded depth. 光学共振模式在光与物质的相互作用中起到 了至关重要的作用, 例如在我们设计的结构中, 波 导模式和 LSP 及其耦合对 TMOKE 响应的增强发 挥了巨大的作用. 当外加磁场垂直于波导的传播矢 量的时候, 波导模式的波矢可以写成如下形式: kwg(±M) = kwg(0) + ?kmo(±M), (2) 其中kwg(0) 是结构未被磁化时的波导波矢, ?kmo(±M) 是磁性介质中的磁化强度对波导波 矢的修正. 从(2) 式可以看出, 磁化强度的反转对 波导波矢的本征频率会起到调制作用, 从而增强 了TMOKE 响应. 同时, 如果金条带在波导模式激 发的共振波长下激发 LSP, 这时 LSP与波导模式将 会发生耦合, 从而形成 Fano 共振 [17,18] , 在Fano 共 振特有的透射谱线型辅助下, TMOKE 响应将会有 进一步的提高 [19,20] . 我们选择 BIG 的高磁性响应 波段 (以约