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

该协议的总体目标是实现量子点的共振激发和使用正交激发和检测模式的同时荧光检测。通过荧光检测实现共振激发对于研究低维纳米结构中的光物质相互作用至关重要，它已被用于说明量子光学效应，例如衣着状态。该技术的主要优点是它利用激发模式和检测模式之间的正交性来最大限度地减少激光散射的收集，从而保留荧光偏振。

该技术对基于量子点的高度难以区分的单光子源以及量子点中电子自旋的相干控制和测量具有重要意义。在光学工作台上设置实验的元素。用于容纳样品的低温恒温器是实验的中心。

光学元件引导和聚焦三个光源的输出。此示意图提供了设置概述。同样，低温恒温器中保存的样品位于中心。

一个光源是用于谐振激发的外腔二极管激光器。另一种是用于弯曲以上激发的氦氖激光器。还有一个用于照明的 LED。

共振激发激光束穿过偏振器，通过低温恒温器的一个窗口进入。透镜 E1 和 E2 形成毛细管望远镜。E1 位于 XY 载物台上，允许横向移动激发点。

E2 位于变焦外壳中，允许改变焦深。来自照明源和氦氖激光器的光进入低温恒温器的另一个窗口。在样品中，光与嵌入两个分布式布拉格反射器之间的铟镓砷量子点相互作用。

样品的劈裂面暴露在共振激发激光下。来自量子点的光致发光沿着氦氖激光器的光路返回。它穿过第二个毛细管望远镜，其设计与第一个类似，但具有统一放大倍率。

就位，用于捕获样品中的光，以便于对准。光谱仪就位，用于从样品中收集光致发光，以进行强度和光谱分析。翻转镜 M1 的位置决定了光线是照相机还是光谱仪。

第一步是为实验准备样品。实验样品是从使用分子束外延生长的较大样品中切割出来的。除了样品外，还要准备好铜样品板、导热涂料、金刚石划线和平头镊子。

用金刚石划线器接近样品。用它在样品的顶面边缘划出一个小划痕。然后用镊子将样品固定在划痕的每一侧，并施加向外旋转的扭矩。

将裂开的样品移动到铜样品板上，并用导热涂料粘贴。接下来，将铜样品板带到低温恒温器上进行安装。确保样品的方向正确以进行实验。

下一步是在低温恒温器中安装非球面物镜。该镜头固定在具有三个自由度的平移支架中。它属于共振激发激光路径，并将光聚焦到样品的劈裂端。

开始时，镜头应与样品有多个焦距。将镜头放入低温恒温器中，打开激发激光器并将镜头置于其中心。透镜高度应与样品中心的高度相同。

接下来，在样品后面的激光路径中设置一个白色纸屏，并使用红外查看器观察屏幕。由于通过样品的光，应该有一个亮点。慢慢将镜头朝向样品。

通过查看器观察屏幕，并在出现样品的清晰剪影图像时停止。调整镜头位置，使剪影居中于亮点的中心。继续缓慢地将镜头平移到样品中。

屏幕上的剪影图像将放大，并可能水平移动。继续调整镜头以使图像居中并放大图像，直到看到干涉条纹。慢慢地将晶状体进一步移向样品。

在每个深度位置，通过左右滑动物镜来监测条纹。将镜头移动到使两组条纹之间的间距最大化的位置并固定。然后调整侧镜头位置，以尽量减少纸网上的条纹。

接下来，在激发路径中调整毛细管望远镜。两个透镜应以谐振激发激光束为中心。参考原理图，定位镜头 E2，使其和非球面镜头由它们的焦距之和分开。

此外，将 E1 和 E2 之间的间隔设置为它们的焦距之和。使用红外查看器观察纸屏上的衍射图案，同时调整镜头 E1 的高度。目标是再次观察干涉条纹。向前和向后滑动 E2，同时通过向左和向右滑动 E1 来监控边缘。

将 E2 放在边缘组相距最远的位置。最后，横向调整镜头 E1 以使条纹消失或最小化。取下网屏并继续放置和对齐其余光学元件。

将样品冷却至 4.2 开尔文并准备进行光谱分析。设备应按照此示意图进行配置。用氦氖激光器激发样品，并将光致发光从样品引导到光谱仪。

从得到的测量发射光谱中，确定 860 到 900 纳米之间的发射峰。这对应于润湿层的排放。对于下一次测量，请更改配置以使用相机。

在相机前使用长通滤光片来阻挡氦气霓虹灯。另外，打开照明灯。在观察相机图像的同时横向移动镜头 L2。

样本图像将按镜头运动进行平移。找到样品的劈裂边缘后停止。现在打开谐振激发激光器，将波长设置为与润湿层谐振。

在相机上，在样品的劈裂边缘识别一个明亮的散射点。接下来，调整 E1 的水平位置。目的是在相机上观察光致发光的条纹图案并最大化其强度。然后垂直移动 E1 以使条纹与氦氖激发引起的光致发光点重叠。

监测并记录光致发光的强度。系统地调整镜头 E1 和 E2 以最大限度地提高强度。将配置改回使用光谱仪。

将其设置为监控量子点系综发射波长中心的一阶衍射。接下来，转到激发激光器。在量子点系综的能量范围内调整其频率。

使用连接到光谱仪的 CCD 相机观察发射的光致发光。共振激发的量子点将表现为一个圆盘，周围环绕着称为面图案的环。选择要处理的明亮量子点。

通过微调谐振激发激光器的波长，最大限度地提高点的光致发光强度。横向联合调整 E1 和 E2 轴向，以达到最大强度。这一系列图像来自不同失谐的中性量子点，如每张图像顶部的千兆赫兹所示。

为了进行比较，这个系列来自图像顶部也显示了不同谐律的带电量子点。不能仅使用频谱来确定带电状态。使用中性量子点图像并对图像中心 4 个像素半径内的强度进行积分，可产生光谱。

该光谱是带电量子点图像和 6 像素半径的类似过程的结果。橙色点表示归一化谐振光致发光激发强度。蓝色方块是来自相应图像集的数据。

这些图像来自八个不同的量子点，具有不同的谐振波长，从左到右单调增加。带有周围环的中心区域圆盘的图案是量子点的典型图像。环和圆盘的半径会因腔模式的波长和发射角的相互依赖

通常，刚接触这种方法的人会难以让激光进入样品的波导，因为对准非常敏感，并且成本因素必须在室温下完成。准备好实验组分后，如果作得当，可以在几个小时内完成对准。在尝试此过程时，监测干涉条纹以正确定位激发激光器非常重要，并且样品表面的高质量成像对于实现激发和检测路径的对齐至关重要。

按照此程序，可以修改检测路径以包含更多元件，例如偏振分析仪或可调谐法布里-珀罗干涉仪。这项技术为固态量子光学领域的研究人员探索量子点等零维结构中的共振现象铺平了道路。观看此视频后，您应该对如何实现量子点的共振激发以及使用正交激发和检测模式进行同步荧光检测有很好的了解。