Name: 用正交激励和检测方法研究平面腔内铟量子点的共振荧光 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 57 s
Description: 学习利用正交激励与检测模式实现平面微腔中铟量子点的共振激发与荧光检测。该方法通过最小化激光散射来保持荧光偏振，为研究低维纳米结构中的光-物质相互作用及量子光学效应提供了关键技术。

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作者感谢Glenn S. Solomon提供了样品。本工作得到了美国国家科学基金会（DMR-1452840）的资助。

注意：请警惕在准直过程中可能出现的激光散射危险。佩戴合适的安全护目镜以进行防护。为便于准直操作，必须使用红外观察仪（IR-viewer）。使用对红外敏感的荧光卡片也有帮助，但非必需。
1. 样品制备
<ol>
	<li>使用金刚石刻划笔在样品顶面边缘的预定解理位置处轻轻划出微小划痕。用两对平头镊子在划痕两侧夹住样品，施加向外旋转的扭矩，样品即沿划痕解理。
	 
	注意：过长的划痕不仅不必要，反而可能切穿波导层，导致无法实现光耦合。解理面极为脆弱，任何接触其表面的操作都可能造成波导面损伤。</li>
	<li>使用导热银漆或银环氧树脂将解理后的样品固定在铜制样品板上。
	 
	注意：解理面应与样品台边缘齐平，以确保激发激光能够无遮挡地照射到样品表面。</li>
	<li>将铜制样品板安装至低温恒温器中，确保解理面和样品表面均可通过低温恒温器的窗口进行光学访问。</li>
</ol>
2. 共振激发路径的对准
注意：为了最大限度地提高激发光束与波导的耦合效率，入射激发光束的轮廓必须与假想的从波导出射的反向传播光束的轮廓相匹配。
<ol>
	<li>将激发激光束粗略准直到样品的解理面。
	<ol>
		<li>利用光纤耦合器FC0和反射镜M0的自由度，在安装激发透镜之前，将激发光束引导至样品的解理面。</li>
		<li>使激发光束在光学平台和样品平面两个方向上均保持水平。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>激发物镜的安装&#160;Eobj 
	<ol>
		<li>放置非球面透镜 Eobj 在具有三个平移自由度的平移装置中。中心Eobj 激光器上并调节其高度&#160;Eobj 与样品中心保持一致。</li>
		<li>在样品后方沿激发光路放置一张白纸作为屏幕。使用红外观察仪观察因激光经过样品后在白纸上形成的亮斑。</li>
		<li>幻灯片&#160;Eobj 缓慢移动至样品附近，直至在纸张上看到样品清晰的轮廓图像。调整样品的高度和横向位置&#160;Eobj 将剪影居中于亮斑中央。</li>
		<li>持续滑动 Eobj 缓慢靠近样品，屏幕上的轮廓图像会经历放大。同时，调整 E 的横向位置obj （左/右）以补偿轮廓图像的水平偏移。 
		注意：在 E 缓慢移动期间obj 向样品中加入后，衍射条纹将在某一时刻开始出现。这为将聚焦光斑定位在样品表面层提供了新的参考依据。</li>
		<li>持续滑动&#160; Eobj 向样品缓慢移动。在 E 的每个位置obj，移动 Eobj 左右调节以增大条纹间距，直至屏幕上仅可见一条条纹，用于观察屏幕上的干涉条纹。 
		注意：在样品表面左右两侧将出现两组干涉条纹。</li>
		<li>定位载玻片 Eobj 将Eobj调整至可使可见条纹数量最少的位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>望远镜透镜 E1 和 E2 的对准
	<ol>
		<li>将透镜 E1 和 E2 插入激发光路中，使其居中于激光束。将 E2 置于与&#160;Eobj 由它们的焦距之和决定。将E1与E2之间的间距设置为两者焦距之和， 例如，f1 + f2 = 150 mm&#160;</li>
		<li>使用红外观察仪观察纸上的轮廓和衍射图案。调节E1的高度，使轮廓位于明亮激光照明光斑的中心。</li>
		<li>在调整E1的横向位置的同时，将E2向E1移动或远离E1。将E1和E2固定在使视场中两组干涉条纹均消失或呈现最少条纹数的位置。&#160;</li>
		<li>在E1前插入一个垂直方向的偏振片POL，并将其置于激发光束的中心。 &#160; 
		注意：某些偏振器具有轻微楔角，此时激发光束将产生角度偏移。使用 E1 和 E2 补偿此偏移。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 光致发光收集光路的对准
注意：收集光路中构建的成像系统的性能主要取决于透镜L定位的精确度。obj 由于其焦距短（fobj = 10 mm，NA = 0.55）。L 的校准包含两个基本步骤obj：使用HeNe激光进行粗略校准，再利用照明光源和GaAs的体相激子发射进行精细调节。这些校准步骤均在室温下对样品进行。
<ol>
	<li>上述带隙（HeNe）激发光路的准直及相机的安装：
	<ol>
		<li>将一束能量高于带隙的激光（HeNe）耦合进单模光纤。</li>
		<li>通过反射镜 M3 将光纤准直器 FC1 的输出光束导向样品。</li>
		<li>将FC1水平倾斜，使激光光斑在样品上居中，位置距离解理边约1毫米。将M3水平倾斜，使激光束的后向反射刚好位于入射光束的上方或下方。重复此过程数次，直至同时满足这两个条件。</li>
		<li>将FC1和M3垂直倾斜，使HeNe光束与光学平台水平并对准样品。</li>
		<li>使用红外观察仪定位样品上的共振激光和氦氖激光光斑。检查氦氖激光光斑中心是否与共振激光光斑处于同一高度。若不一致，调节FC1和M3以匹配两束光的高度，同时保持氦氖激光光束与实验台水平。</li>
		<li>将非偏振分光棱镜立方体（90:10，NPBS）插入HeNe光路中，使立方体位于入射HeNe光束的中心。</li>
		<li>在分束器输出端将两束光引导至采集光路：一束来自样品的反射光，另一束来自立方体内部的反射光。</li>
		<li>将立方体旋转一个小角度（约5度），使两束光在出口处易于分离。可利用从样品表面反射的光粗略地指导相机对准。 
		注意：当立方体绕垂直轴旋转时，内部反射光束的方向不会改变。</li>
		<li>通过调节，使氦氖激光束在立方体内部反射后的光束与入射光束高度相同，从而将立方体相对于光学平台调平。</li>
		<li>将一个对红外敏感的相机置于后向反射的HeNe光束光路中。使用一个管镜L摄像头 焦距为200 mm，用于将样本图像聚焦到相机上。 
		注意：使用自制的管状系统来安装透镜 L摄像头，如图所示 图1，以防止杂散的室内光线被相机检测到。</li>
		<li>在L前放置一个800 nm长通滤光片F1摄像头 以滤除氦氖激光，从而允许通过相机观察样品的光致发光（PL）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>透镜位置的安装与优化 Lobj
	<ol>
		<li>放置非球面透镜&#160;Lobj 在具有三个平移自由度的平移装置中。中心&#160;Lobj 将HeNe激光器与样品之间的距离设置为焦距fobj = 10 mm</li>
		<li>设置透镜组 L1 和 L2（f1 = f2 使用X-Y平移架（一侧固定，另一侧通过千分尺在横向平面内可移动）将间距调整至50 mm以上。 
		注意：透镜 L2 安装在镜座的可动侧。透镜 L1 由透镜筒固定，并连接至镜座的固定侧。该筒状系统可通过沿光轴旋入或旋出固定 L1 的透镜筒，自由调节两透镜之间的距离。</li>
		<li>将两个透镜之间的距离设为100 mm。通过调节微米计，使L2位于镜架中心。</li>
		<li>将L1和L2透镜组合插入HeNe光路中NPBS与低温恒温器之间的位置。调节L1与L2之间的距离obj 待翻译obj + f1将L1和L2中心对准入射的HeNe光。</li>
		<li>将照明器和分光镜插入采集光路，如图所示 图1将透镜 K4 与 L2 之间的距离设置为两者焦距之和。</li>
		<li>通过调节照明器的角度，将照明光束对准L2。</li>
		<li>调节薄板的倾角，使相机图像中可见的背向反射照明光与由HeNe激发产生的PL光斑居中对准。 
		注意：为了对齐，可以关闭视场光阑以确定照明区域的中心位置。</li>
		<li>仅使用照明光源，通过观察相机画面找到样品表面的缺陷或灰尘。根据需要，通过横向移动L2来检查样品的其他部分。</li>
		<li>轻轻敲击 Lobj 沿光轴方向前后移动，使缺陷或灰尘的边缘最清晰。</li>
		<li>将L2重新移回支架中心。</li>
		<li>观察相机上由HeNe激发的PL光斑，并移动Lobj 水平放置，使光致发光（PL）光斑距离样品解理边沿1-2 mm。 
		注意：当距离小于1 mm时，来自样品解理边缘的激光散射光将被物镜L收集obj当激发光束与解理面距离过远时，光束在到达量子点之前可能发生衰减，从而降低可获得的最大激发功率。</li>
		<li>将L2水平移动，直至在光照下样品的解理边缘出现在相机视野中。</li>
		<li>缓慢移动 Lobj 垂直观察样品解理边缘，寻找由共振激发光束在样品解理面处散射形成的明亮激光光斑。</li>
		<li>将由HeNe激发产生的PL光斑与样品解理边上的明亮激光光斑对齐。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>HeNe激发光路相对于新位置的重新校准 Lobj. 
	注意：为了最大化可扫描区域并最小化渐晕效应，有必要根据L的位置重新调整激发光学元件和激发光束的中心。obj.
	<ol>
		<li>移除L1和L2。将激发光束居中对准&#160;Lobj 同时确保光束处于样品表面法线方向。</li>
		<li>将L2透镜置于支架中心。将L1和L2均与入射激发光束共轴对准。设定L1与L2之间的距离。&#160;Lobj 两个焦距之和 即，f1 + fobj.</li>
		<li>重新定位 L相机 使其位于反射的HeNe光束中心。调整相机位置，使HeNe激发的光致发光（使用长通滤光片）位于图像中心。</li>
		<li>调整照明光源和分光镜的角度，使照明光聚焦于L2以及由HeNe激发产生的PL光斑位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>M1 和 M2 镜的对准 
	注意：将激光反向通过光谱仪有助于校准。
	<ol>
		<li>在相机上监测样品的HeNe激发光致发光（PL）。将光圈（Iris A）中心对准分光镜与M1之间的PL信号。</li>
		<li>中心透镜 L规格 在反向光束上放置，并使其位于一个焦距 f 处规格 远离光谱仪的入射狭缝。</li>
		<li>通过反射两面镜子 M1 和 M2，将光谱仪的反向光束发送至样品。</li>
		<li>在M2和L之间设置另一个虹膜（Iris B）规格 并将其居中于反向光束上。</li>
		<li>将M2镜调整至使反射光束对准虹膜A中心。调整M1镜使光致发光信号对准虹膜B中心。重复此过程数次，直至同时满足上述两个条件。</li>
		<li>通过监测室内光的零级衍射，在CCD上确定光谱仪入射狭缝（30 μm宽度）的中心位置。</li>
		<li>打开光谱仪的入射狭缝。使用800 nm长通滤光片，可在CCD上观察到样品在HeNe激发下的光致发光（PL）。</li>
		<li>将M1调整至使该光斑位于光谱仪入射狭缝处，并处于CCD的中间高度；同时调整M2，使返向光束对准光阑A中心。重复此过程数次，直至同时满足这两个条件。</li>
		<li>透镜对 L3 和 L4 的对准：将 L3 置于 PL 收集光路中一个距离为 f 的位置2 + f3 远离透镜 L2。将 L4 置于收集光路中，与 L3 之间的距离为二者焦距之和 f3 + f4调节L4的横向位置，使PL光斑居中于CCD上。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 共振激发路径与光致发光收集路径的重叠
<ol>
	<li>将样品冷却至 4.2 K。使用上述带边激发，利用光谱仪确定润湿层的发射波长（通常在 880 nm 左右）。</li>
	<li>在 Lcam 前设置一个 800 nm 长波通滤光片 F1，以阻挡 HeNe 激光。借助照明光，水平移动 L2，使样品的解理边在相机上清晰成像。</li>
	<li>将侧向激发波长调至与润湿层共振。在相机上找到样品解理边处一个明亮的散射光斑。</li>
	<li>通过调节 E1 的横向位置，在相机上观察光致发光的&#34;条纹图案&#34;。通过横向移动 E1，使条纹强度最大化。 
	注意：该&#34;条纹&#34;为润湿层发射，表明激发光已耦合进入样品的波导中。</li>
	<li>垂直调节 E1，使条纹与 HeNe 激发产生的光致发光光斑重叠。</li>
	<li>记录润湿层光致发光的强度。沿一个方向调节 E2，然后重新优化 E1 的位置；再次记录光致发光强度，并与先前数值进行比较。</li>
	<li>若强度增加，则继续沿相同方向调节 E2；若强度降低，则反向调节 E2。重复此过程，以找到 E1 和 E2 的最佳位置。</li>
</ol>
5. 单个量子点的共振激发
注意：实现单个量子点共振激发有两种可能的方法：（1）调节激光的激发频率，使其与特定量子点的共振频率相匹配；或（2）扫描激光频率，覆盖量子点集合的共振能级，直至观察到单个量子点的共振荧光。
<ol>
	<li>方法（1）——靶向激发：
	<ol>
		<li>将光谱仪设置为在带隙以上激发条件下监测量子点系综发射波长中心处的一级衍射信号。打开光谱仪的入射狭缝。</li>
		<li>调节带隙以上激发光源的功率，直至由于湿润层态的连续带尾被激发而出现发光背景。将入射狭缝关闭至 30 μm。</li>
		<li>横向移动透镜 L2 以寻找一个合适的量子点——例如视野中最亮的一个。记录光谱仪测得的量子点波长 λQD。</li>
		<li>调节共振激发激光器的波长，使其与 λQD 相同。 
		注意：通常光谱仪可检测到共振激发激光经光学元件散射产生的微弱信号。若无法检测到，可将部分激发光束导入光谱仪。</li>
		<li>通过精细调节激发激光器的频率，使量子点在 CCD 上的光致发光（PL）强度达到最大。 
		注意：对于某些量子点，需要引入少量 HeNe 激光以实现共振激发10,31,32。所需 HeNe 激光功率通常极低——仅几百纳瓦——因此 CCD 无法检测到仅由该 HeNe 光束引起的荧光信号。</li>
		<li>通过调节透镜 E1 的高度和横向位置以及透镜 E2 的轴向位置，最大化量子点的 PL 强度。联合优化透镜 E1 和 E2 的位置，以最大化来自量子点的共振荧光强度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>方法（2）——光谱搜索：
	<ol>
		<li>将光谱仪设置为监测量子点系综发射波长中心处的一级衍射信号。打开光谱仪的入射狭缝。</li>
		<li>调节激发激光器的频率，使其扫描整个量子点系综的能量范围。一个被共振激发的量子点将在 CCD 上表现为一个被若干艾里环包围的亮点。选择一个较亮的量子点。</li>
		<li>通过精细调节激发激光器的波长，使其光致发光（PL）强度达到最大。</li>
		<li>通过调节透镜 E1 的高度和横向位置以及透镜 E2 的轴向位置，最大化该亮点的 PL 强度。联合优化透镜 E1 和 E2 的位置，以最大化来自量子点的共振荧光强度。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本方案中的关键步骤包括：激发光束与波导模式的模式匹配和对准，以及收集光学系统的正确对准和聚焦。这些步骤中最困难的部分是初始对准；而对于已经对准的系统，优化耦合相对直接。重合收集区域与激发区域这一步骤在能够通过相机对样品成像的情况下较为简单，但若缺乏此能力则非常困难。为了获得高质量的成像，正确的科勒照明至关重要。科勒照明这一主题不在本方案的讨论范围内，但它是显微镜学中一个广为人知的概念，在已发表的文献中已有全面论述34，35。
此处列出的透镜焦距为典型值，并非强制要求。不同的冷冻恒温器及其他因素可能对光学系统的配置提出额外或不同的要求。在这种情况下，设计过程中正确选择透镜焦距是满足激发光路中模式匹配以及收集光路中科勒照明要求的关键。当透镜之间的距离等于其焦距之和时，即可实现科勒照明。要实现波导中的良好模式匹配，需要尽可能高的数值孔径（NA），这意味着光束必须充满激发物镜 Eobj 的孔径。该物镜安装在一个自制的燕尾导轨XYZ支架上，由于位于冷冻恒...

单个量子发射体的共振激发结合荧光检测长期以来一直是实验上的挑战，主要原因是难以在光谱上区分微弱的荧光信号与强烈的激发光散射。然而，过去十年中已通过两种不同方法成功克服了这一难题：一种是基于偏振 discrimination 的暗场共聚焦激发1,2,3,4,5，另一种是基于空间模式 discrimination 的正交激发-探测方法6,7,8,9,10,11,12,13,14。这两种方法均能有效显著抑制激光散射，因此已被广泛应用于多种实验中，例如自旋-光子纠缠的观测5,15,16、缀饰态的演示2,7,12,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26，以及受限自旋的相干操控3,27,28,29,30。然而，这两种方法均无法在所有情况下通用，各自受限于特定条件。暗场技术利用光子的偏振自由度来抑制激发激光的散射，具有若干优势。例如，该方法无需明确定义的波导模式，因而可仅通过共聚焦方式实现。共聚焦实现方式允许使用圆偏振激发，并可能使激发光束在量子发射体处实现更紧密的聚焦，从而获得更高的激发强度。然而，这种偏振选择性方法限制了探测偏振方向必须与激发偏振方向正交，因而无法对荧光的偏振特性进行完整表征。相比之下，空间模式 discrimination 方法利用激发光束与探测光束传播模式之间的正交性来抑制激光散射4，从而保留了探测偏振方向的完全自由度。该技术的限制在于样品中必须具备波导结构，以提供与探测模式正交的激发模式，同时要求激发偏振方向必须垂直于光束的传播方向。
本文演示了一种构建基于自由空间的正交激发-探测装置的方案，用于共振荧光实验。与早期利用光纤将光耦合进谐振腔的空间模式 discrimination 研究相比6，本方案采用自由空间光路，无需在低温恒温器中安装用于移动样品或光纤的机械运动部件。激发光束和探测光路方向的精细调控由低温恒温器外部的光学元件完成，而在低温恒温器的低温区域内部，则采用非球面单透镜作为聚焦物镜。我们提供了实现单个量子点共振激发与荧光探测过程中关键对准步骤的代表性图像。
本演示所用样品通过分子束外延（MBE）方法生长。InGaAs量子点（QDs）嵌入GaAs间隔层中，该间隔层两侧由两个分布式布拉格反射镜（DBRs）包围，如图1中样品的放大视图所示。DBR之间的GaAs间隔层充当波导，激发光束通过全内反射被限制在其中。DBR对于几乎垂直于样品平面的波矢也起到高反射率镜面的作用。这形成了一种法布里-珀罗模式，量子点在发射荧光时会与此模式耦合。法布里-珀罗模式必须与量子点的发射波长λ共振，这就要求GaAs间隔层的厚度为λ/n的整数倍，其中n为GaAs的折射率。在本演示中，GaAs间隔层的厚度选择为4λ/n，约为1 µm，以便接近入射激发光束的衍射极限光斑尺寸。若间隔层更窄，则会导致激发光束耦合到波导模式的效率降低。
实验装置如图1所示。为了最大化耦合效率，选择了一个非球面单透镜物镜 Eobj，其数值孔径 NA=0.5，焦距为 8 mm，用于将激发光束聚焦到样品的解理面上。激发光路中的开普勒望远镜（由透镜组 E1 和 E2 构成）具有双重作用：（1）充满激发物镜 Eobj 的孔径，从而使激发光束高度聚焦，以实现与波导更好的模式匹配（在此实现中，准直光束直径为 2.5 mm）；（2）提供三个自由度，以调节激发光束在样品解理面上的焦点位置。透镜 E1 安装在 X-Y 平移调节架上，可在解理样品表面平面内提供两个自由度，从而自由移动激发光斑的位置。透镜 E2 安装在非旋转变焦镜筒上，可自由调节样品中焦点的深度。这三个自由度使我们能够在无需移动样品本身的情况下，优化单个量子点的共振激发。
在荧光采集光路中，采用类似的透镜组配置（Lobj、L1 和 L2），以实现对样品不同区域发出的荧光进行检测。来自样品的光经由两个管镜之一聚焦，投射到红外敏感相机（Lcam）或光谱仪的入射狭缝（Lspec）上。沿 z 轴移动 L1 可调节成像的焦平面，而 L2 的横向平移则使成像在样品平面上进行扫描。L1 与 L2 的焦距相等，因此其放大倍率为 1。这样做是为了在发生渐晕之前，最大化 L2 可平移的范围。
为了便于量子点（QD）的对准与定位，实验装置中集成了基于科勒照明的自制照明系统，如图所示。 图1科勒照明的目的是为样本提供均匀的照明，并确保照明光源的像不会出现在样本图像中。照明系统和成像光路中的透镜组经过精心设计，以分离样本和光源的共轭像平面。成像光路中的每个透镜与其相邻透镜之间的距离均等于它们焦距之和。这保证了当样本像处于清晰聚焦位置时（例如相机传感器处），光源的像则完全失焦；同样，当光源像处于清晰聚焦位置时（例如物镜的后焦平面），样本像则完全失焦。光源采用商用发光二极管（LED），发射波长为940 nm。孔径光阑用于调节照明强度，视场光阑则用于确定被照明的视场范围。实现均匀照明的关键是将透镜K4与L2之间的距离设置为两透镜焦距之和，并确保L的孔径obj 未被照明过度填充。在本方案中，照明还用于优化两者之间的距离&#160;Lobj 和样品。
物镜&#160;Lobj 与管镜共同在相机或光谱仪上实现 20 倍的放大倍率。在&#160;Lobj 与&#160;Lspec 之间的透镜组 L3 和 L4 构成另一个开普勒望远镜，为光谱仪的电荷耦合器件（CCD）上的图像提供额外的 4 倍放大。加入透镜 L3 和 L4 后，总放大倍率达到 80 倍，这对于在空间上区分邻近量子点（QDs）的荧光信号是必要的。L3 和 L4 安装在可翻转的镜座上，以便于切换放大倍率，因为 20 倍放大可提供更大的样品视场。
为了使收集光路的视场与通过波导的激发光束路径重叠，量子点润湿层的连续发光具有重要作用。通过在带隙以上能量激发样品并测量其发射光谱，即可确定润湿层的发光波长。对于本样品，润湿层在4.2 K下的发光波长约为880 nm。将波长为880 nm的连续激光（cw）耦合进样品的波导中，可观察到由润湿层光致发光形成的条纹图案，如随附视频所示。该条纹揭示了已耦合进入波导的激发光的传播路径。结合此条纹的出现以及对样品表面成像的能力，使得对准过程变得简便直观。

<table><tbody><tr><td>可调谐外腔二极管激光器</td><td>Toptica Photonics</td><td>DL-Pro</td><td></td></tr><tr><td>闭循环低温恒温器</td><td>Montana Instruments</td><td>Cryostation</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪，750 mm 焦距</td><td>Princeton Instruments</td><td>SpectraPro 2750</td><td></td></tr><tr><td>热电冷却型电荷耦合器件</td><td>Princeton Instruments</td><td>Pixis 100BR-eXcelon</td><td></td></tr><tr><td>氦氖激光器</td><td>JDSU</td><td>1125P</td><td></td></tr><tr><td>红外敏感相机</td><td>Sony</td><td>NEX-5TL</td><td>已移除红外截止滤光片</td></tr><tr><td>功率计及探测器</td><td>Newport</td><td>1918-C, 918D-IR-OD3</td><td></td></tr><tr><td>可调非球面光纤准直器</td><td>Thorlabs</td><td>CFC-8X-A</td><td></td></tr><tr><td>空气间隔双合准直镜</td><td>Thorlabs</td><td>F810APC-842</td><td></td></tr><tr><td>保护银镜 × 5</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>翻转安装座 × 2</td><td>Thorlabs</td><td>FM90</td><td></td></tr><tr><td>非球面聚光镜，焦距 f = 20 mm；K1</td><td>Thorlabs</td><td>ACL2520-B</td><td></td></tr><tr><td>最佳形式球面透镜，焦距 f = 50 mm；E2, L1, L2, K2</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-050-B</td><td></td></tr><tr><td>最佳形式球面透镜，焦距 f = 100 mm；E1, L4, K3, K4</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-100-B</td><td></td></tr><tr><td>最佳形式球面透镜，焦距 f = 200 mm；Lspec, Lcam</td><td>Thorlabs</td><td>LBF254-200-B</td><td></td></tr><tr><td>平凸透镜，焦距 f = 400 mm；L3</td><td>Thorlabs</td><td>LA1172-B</td><td></td></tr><tr><td>模压玻璃非球面透镜，焦距 f = 8 mm；Eobj</td><td>Thorlabs</td><td>C240TME-B</td><td></td></tr><tr><td>高精度非球面透镜，焦距 f = 10 mm；Lobj</td><td>Thorlabs</td><td>AL1210-B</td><td></td></tr><tr><td>长波通滤光片，800 nm，×2</td><td>Thorlabs</td><td>FEL0800</td><td></td></tr><tr><td>非偏振分束立方体（NPBS）</td><td>Thorlabs</td><td>BS029</td><td></td></tr><tr><td>薄膜分束器</td><td>Thorlabs</td><td>BP108</td><td></td></tr><tr><td>偏振器</td><td>Thorlabs</td><td>LPNIRE100-B</td><td></td></tr><tr><td>发光二极管，940 nm</td><td>Thorlabs</td><td>M940D2</td><td></td></tr></tbody></table>

使用正交激发与探测的平面腔中 ingaas 量子点的共振荧光

Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection

实现共振激发与荧光检测的同时进行，对于量子点（QDs）的量子光学测量至关重要。仅进行共振激发而不检测荧光——例如差分透射测量——可以确定发光体系的某些性质，但无法支持基于发射光子的应用或测量。例如，光子关联测量、Mollow三重态的观测以及单光子源的实现，均需要收集荧光信号。采用非相干激发并结合荧光检测——例如带隙以上激发——虽可用于构建单光子源，但激发过程对环境的扰动会降低光子的不可区分性。基于量子点的单光子源必须采用共振激发，以实现高光子不可区分性，同时必须能够同时收集所发射的光子才能加以利用。本文展示了一种方法，通过将激发光束从样品的解理面耦合进嵌有单个量子点的平面微腔，同时沿样品表面法线方向收集荧光，从而实现共振激发。通过精确匹配激发光束与微腔的波导模式，激发光可有效耦合进入微腔并与量子点相互作用。散射的光子可耦合至微腔的法布里-珀罗模式，并沿表面法线方向逸出。该方法在探测偏振方向上具有完全自由度，但激发偏振受限于激发光束的传播方向。来自润湿层的荧光可用于引导对准收集光路与激发光束的相对位置。激发模式与探测模式之间的正交性，使得在几乎无激光散射背景的情况下，实现对单个量子点的共振激发成为可能。

图1 展示了实现单个量子点共振激发所需设备的一种具体配置。其他配置也是可行的，但关键组件包括：用于耦合到波导的激发光路；用于将荧光引导至探测器的收集光路；用于沿收集光路进行共焦激发的共焦激发光路；以及用于实现样品表面成像的照明光路。
两条具有代表性的RPLE光谱如图所示 图2. 它们从一个中性量子点（QD）收集而来[图2（a）和（b）] 和带电的量子点 [图2（c）和（d）]. 通过光谱分析无法确定带电量子点的确切电荷态。为了获得最佳信噪比，必须将激光散射降至最低。最右侧的图像 图2<str...

利用与荧光收集模式正交的激发模式，可实现对单个自组装量子点的共振激发。我们展示了一种利用围绕量子点的平面微腔的波导模式和法布里-珀罗模式的方法。该方法在探测偏振方向上具有完全的自由度。

使用正交激发与探测的平面腔中 InGaAs 量子点的共振荧光

同时实现共振激发与荧光检测对于量子点（QDs）的量子光学测量至关重要。

本实验方案的总体目标是实现量子点的共振激发，并利用正交的激发与检测模式同时进行荧光检测。实现共振激发与荧光检测对于研究低维纳米结构中的光与物质相互作用至关重要，该技术已被用于展示诸如缀饰态等量子光学效应。该技术的主要优势在于利用激发模式与检测模式之间的正交性，最大限度地减少激光散射的收集，从而保持荧光的偏振特性。该技术对基于量子点的高度不可区分单光子源以及量子点中电子自旋的相干控制与测量具有重要意义。将实验装置的各个组件安装在光学平台上。用于放置样品的低温恒温器位于实验装置的中心位置。光学元件用于引导和聚焦三个光源的输出。该示意图提供了装置的整体概述。同样，置于低温恒温器中的样品位于中心位置。一个光源是用于共振激发的外腔二极管激光器。另一个是用于高于弯曲激发的氦氖激光器。此外还有一个用于照明的发光二极管（LED）。共振激发激光束通过一个偏振器，并从低温恒温器的一个窗口进入。透镜 E1 和 E2 构成一个毛细管望远镜。E1 位于一个 XY 位移台上，可用于横向移动激发光斑的位置。E2位于一个变焦腔室内，以便调节焦深。来自照明光源和氦氖激光器的光进入低温恒温器的另一个窗口。在样品内部，光与嵌在两个分布式布拉格反射镜之间的砷化镓铟量子点相互作用。将样品的解理面暴露于共振激发激光下。量子点产生的光致发光信号沿氦氖激光器的光路反向传输，并通过第二个毛细管望远镜，该望远镜的设计与第一个类似，但放大倍率为一倍。相机已就位，用于捕获样品发出的光，以辅助对准。光谱仪已就位，用于收集样品的光致发光信号，进行强度和光谱分析。翻转镜 M1 的位置决定了光路是通往相机还是光谱仪。第一步是为实验准备样品。实验样品是从采用分子束外延法生长的大块样品上切割下来的。除样品外，还需准备好铜制样品台、导热漆、金刚石刻刀和扁头镊子。使用金刚石刻划笔接近样品。在样品顶面边缘处划出一个小划痕。然后用镊子夹住划痕两侧的样品，施加向外旋转的扭矩。将切割好的样品转移至铜制样品板上，并使用导热漆固定。接着，将铜制样品板带至冷冻切片机进行安装。确保样品朝向正确，以满足实验要求。下一步是在恒温器中安装一个非球面物镜。该物镜固定在一个具有三个自由度的平移调节架上。它位于共振激发激光光路中，并将光聚焦到样品的解理端面。开始时，透镜应位于距样品超过一个焦距的位置。将透镜置于恒温器中后，打开激发激光器，并将透镜中心对准激光。透镜的高度应与样品中心的高度相同。接下来，在样品后方的激光路径中设置一张白纸屏幕，并使用红外观察仪观察屏幕。由于光线穿过样品，应能看到一个明亮的光斑。缓慢地将透镜向样品方向移动。通过观察器观察屏幕，当样品的清晰轮廓图像出现时停止移动。调整透镜位置，使轮廓位于亮斑中心。继续缓慢地将透镜向样品方向平移。屏幕上的轮廓图像将被放大，并可能在水平方向上移动。持续调整透镜，使图像居中并放大，直至观察到干涉条纹。缓慢地将透镜进一步向样品方向平移。在每个深度位置，通过左右移动物镜来观察干涉条纹。移动透镜至两组干涉条纹间距最大的位置，并将其固定。然后调节透镜的横向位置，以最小化纸屏上的干涉条纹。接下来，调整激发光路中的毛细管望远镜。两个透镜应与共振激发激光束共轴。参考示意图，将透镜 E2 放置在与其和非球面透镜之间的距离等于两者焦距之和的位置。 同时，将 E1 和 E2 之间的间距设置为两者焦距之和。使用红外观察仪观察纸屏上的衍射图样，同时调节透镜 E1 的高度。目标是再次观察到干涉条纹。在通过左右移动 E1 监测条纹的同时，前后滑动 E2。将E2置于条纹组间距最大的位置。最后，横向调节透镜E1，使条纹消失或最小化。移去屏幕，继续安装并调整其余光学元件。将样品冷却至4.2开尔文，并准备进行光谱分析。装置应按照此示意图进行配置。使用氦氖激光器激发样品，并将样品发出的光致发光引导至光谱仪。从测得的发射光谱中，识别860至900纳米之间的发射峰。该峰对应于润湿层的发射。进行下一次测量时，更改配置以使用相机。在相机前使用长通滤光片以阻断氦氖激光。同时，打开照明光源。在观察相机图像的同时，横向移动透镜 L2。样品图像将随镜头移动而平移。在找到样品的解理边缘后停止移动。现在打开共振激发激光器，并将激光波长设置为与润湿层共振。在相机上，识别样品解理边缘处一个明亮的散射光斑。接着，调节 E1 的水平位置，目标是在相机上观察到一条光致发光的条纹图案，并使其强度最大化。然后垂直移动 E1，使该条纹与氦氖激光激发产生的光致发光光斑重叠。监测并记录光致发光的强度。系统性地调节透镜 E1 和 E2 以使强度最大化。将配置恢复为使用光谱仪。将其设置为监测量子点系综发射波长中心处的一级衍射。接下来，切换到激发激光器，调节其频率，使其覆盖量子点系综的能量范围。使用连接到光谱仪的CCD相机观察发射的光致发光。共振激发的量子点会呈现为一个圆盘，周围环绕着称为面积图案的环状结构。选择一个明亮的量子点进行实验。通过微调共振激发激光的波长，使量子点的光致发光强度最大化。同时横向调节E1、轴向调节E2，以达到最大强度。本系列图像来自一个中性量子点，在不同失谐条件下采集，各图像顶部标注的数值为失谐量（单位：吉赫兹）。作为对比，本系列图像来自不同失谐条件下的带电量子点，失谐值同样标注在图像顶部。仅通过光谱无法确定其带电状态。通过中性量子点图像，并对图像中心半径四像素范围内的强度进行积分，可得到该光谱。该光谱是通过对带电量子点图像采用六像素半径进行类似处理得到的结果。橙色圆点代表归一化的共振光致发光激发强度，蓝色方块则来自相应图像数据集的数据。这些图像来自八个具有不同共振波长的量子点，其共振波长从左到右单调递增。中心区域为圆盘并伴有周围环状结构的图案是量子点的典型图像。由于腔模的波长与发射角之间存在相互依赖关系，各环和圆盘的半径有所不同。通常，初次接触该方法的研究人员在将激光导入样品的波导时会遇到困难，因为对准过程非常敏感，且校准步骤必须在室温下完成。一旦实验组件准备就绪，若操作得当，对准过程可在数小时内完成。在进行该操作时，重要的是要监测干涉条纹，以准确定位激发激光，同时对样品表面进行高质量成像，这对于实现激发光路与检测光路的对准至关重要。通过该方法，检测光路可进行调整，以加入更多元件，例如偏振分析器或可调谐法布里-珀罗干涉仪。该技术为固态量子光学领域的研究人员探索零维结构（如量子点）中的共振现象铺平了道路。观看本视频后，您应能够充分理解如何实现对量子点的共振激发，以及如何利用正交的激发与检测模式进行同步荧光检测。

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该论文描述了一种结合了激光极限分辨率和光致发光（PL）光谱技术的声子辅助准共振荧光光谱方法。该方法利用光学声子，在能量域内为类原子半导体结构提供线宽极限分辨率的光谱。此外，该方法仅需使用单台光谱仪的光学光谱装置即可轻松实现。...

高分辨率声子辅助准共振荧光光谱技术

在心脏中，分子事件协调着器官的电活动和收缩功能。本文介绍了一系列局部场荧光显微技术，可用于在完整心脏中记录细胞水平的变量。明确调控心脏功能的机制，对于理解心脏在病理状态下的工作方式至关重要。...

局部场荧光显微技术：在完整心脏中成像细胞信号

本方案描述了用于测定光发射体与源于周期性阵列的类布洛赫表面等离激元激子之间激发和耦合速率的仪器方法。...

光发射体与表面等离激元极化激元之间激发和耦合速率的测定

本文介绍了一种利用简并四波混频结合上转换探测技术，在中红外区域实现高灵敏度、空间分辨气体光谱分析的实验方案。...

基于上转换探测的红外简并四波混频定量气体传感

学习利用正交激励与检测模式实现平面微腔中铟量子点的共振激发与荧光检测。该方法通过最小化激光散射来保持荧光偏振，为研究低维纳米结构中的光-物质相互作用及量子光学效应提供了关键技术。

使用正交激发与探测的平面腔中 InGaAs 量子点的共振荧光

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