使用正交激发与探测的平面腔中 InGaAs 量子点的共振荧光

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。