Methodenartikel

Resonanz-Fluoreszenz ein InGaAs Quantum Dot in einem planaren Hohlraum mit orthogonalen Erregung und Erkennung

DOI:

10.3791/56435

⸱

13. Oktober 2017

 ,  , 
1Department of Physics and Astronomy, West Virginia University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Resonante Anregung von einem einzigen selbstgebaute Quantenpunkt kann eine Anregung Modus orthogonal zu den Fluoreszenz-Sammlung-Modus erreicht werden. Wir zeigen eine Methode mit dem Hohlleiter und Fabry-Perot-Modi von einem planaren Mikrokavität rund um die Quantenpunkte. Die Methode ermöglicht völlige Freiheit in der Erkennung Polarisierung.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Fähigkeit, simultane resonante Anregung und Fluoreszenz-Detektion ist wichtig für Quantum optische Messungen von Quantenpunkten (QDs). Resonante Anregung ohne Fluoreszenz-Detektion – zum Beispiel eine differenzielle Transmissionsmessung – kann einige Eigenschaften der emittierenden Anlage bestimmen, sondern erlaubt keine Anwendungen oder Messungen anhand der emittierten Photonen. Zum Beispiel erfordern die Messung von Photon Korrelationen, Beobachtung des Tripels Mollow und Realisierung der einzelnen Photons Quellen alle Sammlung der Fluoreszenz. Inkohärent Anregung mit Fluoreszenz-Detektion – zum Beispiel über Bandlücke Erregung – kann verwendet werden, um einzelnes Photon Quellen erstellen, sondern die Störung der Umwelt durch die Erregung reduziert die Ununterscheidbarkeit der Photonen. Einzelnes Photon Quellen basierend auf QDs haben zu hohe Photon Ununterscheidbarkeit resonant angeregt werden, und gleichzeitige Sammlung der Photonen wird notwendig sein, machen Gebrauch davon. Wir zeigen, dass eine Methode, um einen einzigen QD resonant begeistern in einem planaren Hohlraum eingebettet, durch die Kopplung des Erregung Strahls in diesen Hohlraum aus dem gespalten Gesicht der Probe während die Fluoreszenz entlang der Probe Oberfläche Normalenrichtung zu sammeln. Indem man sorgfältig die Erregung Strahl in den Wellenleiter Modus des Hohlraums, kann das Anregungslicht paar in den Hohlraum und interagieren mit den QD. Die gestreuten Photonen können an der Fabry-Perot-Modus der Kavität und Flucht in Richtung der Oberfläche normalen koppeln. Diese Methode ermöglicht völlige Freiheit in der Erkennung Polarisierung, aber die Erregung Polarisation wird durch die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls Erregung eingeschränkt. Die Fluoreszenz von der Benetzungsschicht bietet einen Leitfaden zur Sammlung Weg in Bezug auf die Erregung Strahl ausrichten. Die Orthogonalität der Erregung und Erkennung Modi ermöglicht resonante Anregung von einem einzigen QD mit vernachlässigbar Laser Streuung Hintergrund.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Resonante Anregung von ein einzelnes Quantum-Strahler kombiniert mit Fluoreszenz-Detektion wurde eine langfristige experimentelle Herausforderung vor allem wegen der Unfähigkeit, die schwache Fluoreszenz von der starken Erregung Streuung spektral zu unterscheiden. Diese Schwierigkeit jedoch erfolgreich überwunden in den letzten zehn Jahren durch zwei verschiedene Ansätze: dunkel-Feld konfokale Erregung basierend auf Polarisation Diskriminierung1,2,3,4 ,5, und orthogonal Erregung-Erkennung anhand der räumlichen Modus Diskriminierung6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Beide Ansätze zeigen eine starke Fähigkeit, Laser-Streuung deutlich zu unterdrücken und somit sind weit verbreitet in verschiedenen Experimenten, z. B. Beobachtung von Spin-Photon Verschränkung5,15, 16, Demonstration von gekleidet Staaten2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26und kohärente Manipulation der geschlossenen Drehungen3,27,28,29,30. Keiner dieser Ansätze kann universell auf jede Situation angewendet werden; Jeder ist auf bestimmten Bedingungen beschränkt. Die dunkel-Field-Technik nutzt die Freiheitsgrade der Polarisation von Photonen, die Erregung Laser Streuung zu unterdrücken. Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel gibt es keine Notwendigkeit, eine wohldefinierte Waveguide-Modus, der nur konfokale Umsetzung ermöglicht. Die konfokale Umsetzung ermöglicht eine Zirkular polarisierte Erregung und möglicherweise Fokussierung des Strahls Erregung am Quantum Emitter, wodurch höhere Intensität der Erregung. Jedoch diese Polarisation-selektiven Methode schränkt die Erkennung Polarisation orthogonal zur Anregung Polarisierung zu und verhindert somit eine vollständige Charakterisierung der die Polarisationseigenschaften der Fluoreszenz. Im Vergleich dazu bewahrt räumliche Modus Diskriminierung die völlige Freiheit der Erkennung Polarisation durch den Einsatz der Orthogonalität zwischen den Modi Ausbreitung der Erregung und Erkennung Balken, der Laser Streuung4zu unterdrücken. Die Grenzen dieser Technik sind die Notwendigkeit einer Waveguide-Struktur in der Probe ein Anregung Modus orthogonal zu den Erkennungsmodus bieten und die Einschränkung der Erregung Polarisation senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls .

Hier zeigen wir ein Protokoll für den Bau einer free-Space-based orthogonal Erregung-Erkennung-Setup für Resonanz-Fluoreszenz-Experimente. Im Vergleich zu der bahnbrechenden Arbeit über räumliche Modus Diskriminierung wo eine optische Faser verwendet wurde, um Licht in die Kavität6paar, dieses Protokoll bietet eine Lösung im freien Raum, und erfordert keine kinetische Komponenten, entweder die Probe zu montieren oder die Faser in Kryostaten. Feinsteuerung der Richtungen der Erregung Strahl und der Erkennung Pfad sind durch Optik außerhalb des Kryostaten manipuliert, während Singulett asphärische Linsen fungieren als Ziele innerhalb des Kryostaten und kalten Umgebung konzentrieren. Wir bieten repräsentative Bilder der wichtigsten Ausrichtung Schritte im Prozess der Verwirklichung resonante Anregung und Detektion der Fluoreszenz von einem einzigen Quantenpunkt.

Das Beispiel verwendet für diese Demonstration wird von Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) angebaut. Die InGaAs-Quantenpunkte (QDs) sind eingebettet in ein GaAs-Abstandhalter, die durch zwei verteilter Bragg Reflektoren (DBRs) begrenzt ist, wie in der Zoom-Ansicht des Beispiels in Abbildung 1dargestellt. Der GaAs-Abstandhalter zwischen den DBRs fungiert als ein Hohlleiter, wo der Erregung Strahl durch Totalreflexion beschränkt. Die DBRs fungieren auch als hoher Reflektivität Spiegel für Wavevectors, die fast senkrecht zur Ebene Probe sind. Dies bildet einen Fabry-Perot-Modus, den paar die QDs wenn Fluoreszenz emittiert. Die Fabry-Perot-Modus muss resonant mit der Emission Wellenlänge λ von QDs, wonach den GaAs-Abstandhalter eine Ganzzahl sein Vielfaches von λ/n, wo n der Brechungsindex von GaAs ist. Für diese Demonstration ist die Dicke der GaAs-Abstandhalter ausgewählt 4λ/n, das ist etwa 1 µm, um sich in der Nähe der Beugung begrenzt Spotgröße von den einfallenden Erregung Strahl. Ein schmaler Abstandhalter ergäbe einen niedrigeren Wirkungsgrad der Kupplung des Strahls Erregung in den Wellenleiter Modus.

Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt. Um die Kupplung zu Effizienz, eine asphärische Einzelnobjektiv Ziel EObj mit numerischer Apertur NA = 0,5 und 8 mm Brennweite wird gewählt, um die Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu konzentrieren. Die Funktion der Keplerschen Fernrohr (bestehend aus Objektiv paar E1 und E2) in die Erregung Weg ist zweifach: (1), die Blende von der Erregung Ziel EObj zu füllen, damit die Erregung Strahl für bessere Modus-passend zu den Hohlleiter (in eng fokussiert ist Diese Erkenntnis der kollimierten Strahldurchmesser beträgt 2,5 mm), und (2) zu drei Freiheitsgrade im Mittelpunkt der Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu manövrieren. Objektiv E1 wird auf eine XY-translationale Halterung montiert, die die zwei Freiheitsgrade der Erregung Stelle frei in die Ebene der gespalten Probe Fläche verschieben bereitstellt. Objektiv E2 ist montiert auf einem nicht rotierenden Zoom Gehäuse festlegt: die Freiheit, die Tiefe der Dreh-und Angelpunkt in der Probe zu wählen. Diese drei Freiheitsgrade ermöglichen es uns, die resonante Anregung von einem einzigen QD zu optimieren, ohne Bewegung der Probe selbst.

In den Fluoreszenz-Sammlung-Pfad wird eine ähnliche Konfiguration der Linse (LObj, L1 und L2) zur Detektion der Fluoreszenz aus verschiedenen Teilen der Probe zu ermöglichen. Das Licht von der Probe wird durch eine zwei Rohr Linsen auf entweder eine IR-Kamera (LCam) oder die Einlauföffnung des Spektrometers (LSpec) fokussiert. Bewegung des L1 entlang der z-Achse stellt den Fokus des Bildes, und seitliche Übersetzung von L2 bewirkt, dass das Bild in der Ebene der Probe zu scannen. Ihre Vergrößerung Einheit ist sind die Brennweiten von L1 und L2 gleich. Dies geschieht, um die Reichweite zu maximieren L2 kann übersetzt werden, bevor Vignettierung auftritt.

Um die Ausrichtung und Lage von einem QD zu erleichtern, ist eine selbst gebaute Illuminator basierend auf Kohler Beleuchtung in das Setup integriert, wie in Abbildung 1dargestellt. Kohler Beleuchtung dient, gleichmäßige Ausleuchtung der Probe und sorgen dafür, dass ein iMagier der Lichtquelle Beleuchtung ist nicht sichtbar im Beispielbild. Die Objektiv-Konfigurationen der Beleuchtung und der Sammlung-Pfad sind sorgfältig entworfen, die konjugierte Bildebenen der Probe und der Lichtquelle zu trennen. Jedes Objektiv in der Sammlung-Pfad wird durch die Summe ihrer Brennweiten von seinen Nachbarn getrennt. Dies sorgt dafür, dass überall, wo das Beispielbild im Fokus – wie z. B. auf den Sensor der Kamera – das Bild der Lichtquelle völlig unscharf gestellt ist. Ähnlich, wo das Bild der Lichtquelle im Fokus – ist wie bei der zurück Brennebene des Ziels – das Beispielbild komplett defokussierten. Die Lichtquelle ist ein kommerzieller Licht emittierende Diode (LED) emittieren bei 940 nm. Die Aperturblende ermöglicht die Einstellung von der Beleuchtungsstärke und der Leuchtfeldblende bestimmt das Sichtfeld zu beleuchtenden. Die Schlüssel für gleichmäßige Ausleuchtung zu realisieren sind, legen Sie den Abstand zwischen Objektiv-K4 und L2, um die Summe der Brennweiten der beiden Linsen werden, und um sicherzustellen, dass die Öffnung der LObj ist nicht überfüllt, durch die Beleuchtung. In diesem Protokoll wird die Beleuchtung auch zur Optimierung der Abstand zwischen LObj und der Probe.

Das Ziel LObj und entweder Schlauch-Objektiv bietet eine Vergrößerung von 20 X auf der Kamera oder das Spektrometer. Die Objektiv-paar L3 und L4 zwischen LObj und LSpec bildet ein weiteres Keplerschen Teleskop, das bietet eine extra 4 X Vergrößerung auf das Bild auf – Coupled Ladegerät (CCD) des Spektrometers. Die Zugabe von Linsen L3 und L4 Ergebnisse in eine Gesamtvergrößerung von 80 X, die notwendig ist, räumlich Fluoreszenz von nahe gelegenen QDs. L3 und L4 zu unterscheiden montiert sind auf spiegeln Halterungen zur Erleichterung der Umstellung von der Vergrößerung, weil 20 X Vergrößerung bietet ein größeres Sichtfeld auf die Probe.

Um das Sichtfeld des Sammlung-Pfades mit dem Pfad des Balkens Erregung durch den Wellenleiter überschneiden, ist die Emission aus dem Kontinuum der Benetzung Schicht Quantenpunkt hilfreich. Man kann die Emissionswellenlänge von der Benetzungsschicht bestimmen, indem Sie messen das Emissionsspektrum der Probe unter über dem Bandabstand Erregung. Für unser Beispiel Benetzung Schicht Emission tritt bei etwa 880 nm bei 4,2 K. Durch die Kopplung eines cw -Laser-Strahls bei 880 nm in den Hohlleiter der Probe, kann man beobachten, eine Streifen-Muster gebildet durch die PL Benetzungsschicht, die im zugehörigen Video zu sehen ist. Das Streak zeigt den Ausbreitungsweg das Anregungslicht, das in den Hohlleiter gekoppelt wurde. Das Vorhandensein dieser Streifen, kombiniert mit der Fähigkeit, die Oberfläche der Probe Bild ist Ausrichtung unkompliziert.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Achtung: Bitte beachten Sie die möglichen Gefahren der Laser Streuung während der Ausrichtung. Tragen Sie richtige Schutzbrille zum Schutz. Zur Erleichterung den Alignment-Prozess ist ein Infrarot-Viewer (IR-Viewer) erforderlich. Eine IR-empfindlichen fluoreszierende Karte ist auch hilfreich aber nicht notwendig.

1. Probenvorbereitung

  1. Verwendung eines Diamanten Schreiber, einen winzigen Kratzer am Rande der Oberfläche der Probe an der gewünschten Stelle der Cleave zu machen. Verwenden Sie zwei Paare von Wohnung endete Pinzette die Probe auf beiden Seiten des Kratzers halten. Anwenden einer nach außen drehen Drehmoment mit der Pinzette und die Probe wird Spalten.
    Hinweis: Ein langer Kratzer ist nicht notwendig, zu fördern, Spalten, und es wird wahrscheinlich durch die Hohlleiter-Schicht Unmögliches Lichteinkopplung geschnitten. Gespalten Gesicht ist empfindlich genug, dass jede Note auf seiner Oberfläche die Wellenleiter Gesicht beschädigen könnten.
  2. Legen die gespalten Musterstück auf eine Kupfer Probenteller mit thermisch leitfähige Silberfarbe oder Silber Epoxy.
    Hinweis: Das gespalten Gesicht sollte bündig mit der Kante der Montageplatte, so dass der Erregung Laser Probe Gesicht ohne Einmischung getroffen wird.
  3. Die Kupferplatte in Kryostaten montieren, so dass das gespalten Gesicht und der Probenoberfläche durch den Kryostaten Windows optisch zugänglich sind.

2. Ausrichtung der resonanten Erregung Weg

Hinweis: um die Effizienz der Kupplung in den Hohlleiter zu maximieren, hat das Profil des einfallenden Erregung Strahls zugeordnet werden, die von einem eingebildeten rückwärts propagieren Strahl zu beenden die Wellenleiter.

  1. Grobe Ausrichtung der Erregung Laserstrahl zur Fläche der Probe gespalten.
    1. Verwenden, die Anzahl der Freiheitsgrade des LWL-Koppler FC0 und mirror M0 um direkte Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe, bevor die Erregung Linsen eingesetzt werden.
    2. Level dem Erregung Strahl horizontal sowohl in Bezug auf die Ebene der Probe als auch im Hinblick auf die optischen Tisch.
  2. Installation von Erregung Ziel E Obj
    1. setzen die asphärische Linse E Obj in einem translationalen montiert mit drei translatorische Freiheitsgrade. Zentrum E Obj auf den Laser und legen Sie die Höhe des E Obj dasselbe als das Zentrum der Probe sein.
    2. Richten Sie ein weißes Papier Bildschirm hinter der Probe auf die Erregung Weg. Einen IR-Viewer verwenden, um einen hellen Fleck auf dem Papier durch das Laserlicht die Probe vorbei beobachten.
    3. Schieben E Obj in Richtung der Probe langsam, bis eine klare Silhouette Bild der Probe auf dem Papier zu sehen. Passen Sie die Höhe und seitliche Position E Obj zentrieren Sie die Silhouette in der Mitte der helle Fleck.
    4. Halten E Obj in Richtung der Probe langsam gleiten, und die Silhouette-Bild auf dem Bildschirm erlebt eine Vergrößerung. Unterdessen stellen Sie die seitliche Stellung des E Obj (links/rechts), die horizontale Verschiebung des Bildes Silhouette zu kompensieren.
      Hinweis: Während der langsamen Bewegung von E Obj zum Beispiel startet Beugung Fransen an einem gewissen Punkt angezeigt werden. Dies stellt einen neuen Verweis der fokussierten Spot der Oberflächenschicht der Probe zu stellen.
    5. Halten E Obj in Richtung der Probe langsam gleiten. An jedem Standort von E Obj Verschiebung E Obj links/rechts erhöhen die Fransen Abstand bis gibt es nur eine Franse zu suchen Fransen auf dem Bildschirm sichtbar.
      Hinweis: Es werden zwei Gruppen von Fransen, eine links und eine rechts von der Probenoberfläche.
    6. Suchen Sie schieben E Obj Eobj an einer Stelle, die die Anzahl der Fransen sichtbar minimiert.
  3. Ausrichtung des Teleskops Objektive E1 und E2
    1. Linsen E1 und E2 in der Erregung Pfad zentriert auf den Laserstrahl einfügen. Stellung E2 ist durch die Summe ihrer Brennweiten von E Obj getrennt. Legen Sie die Trennung zwischen E1 und E2 die Summe ihrer Brennweiten, z. B., f 1 + f 2 = 150 mm.
    2. beachten Sie die Silhouette und Beugung Muster auf dem Papier mit einem IR-Viewer. Passen Sie die Höhe des E1 zentrieren Sie die Silhouette in der Mitte der hellen Beleuchtung Laserspot.
    3. E2 schieben in Richtung oder Weg von E1 während der Einstellung der seitlichen Stellung des E1. Sichere E1 und E2 an Positionen, dass beide Gruppen fringe entweder verschwinden oder zeigen eine Mindestanzahl von Fransen in den Blick.
    4. legen Sie einen vertikal ausgerichteten Polarisator POL vor E1 und zentrieren Sie ihn auf die Erregung Strahl.
      Hinweis: einige Polarisatoren haben eine leichte Keilwinkel, in dem Fall die Erregung Strahl eine Winkelabweichung erleben werden. E1 und E2 verwenden, um diese Abweichung zu kompensieren.

3. Achse der Photolumineszenz Sammlung Weg

Hinweis: die Leistung von dem abbildenden System gebaut in der Sammlung Pfad richtet sich vor allem durch die Präzision der Positionierung der L Obj wegen seiner kurzen Brennweite ( f Obj = 10 mm, NA = 0,55). Zwei allgemeine Schritte in der Ausrichtung der L Obj: grobe Ausrichtung mithilfe eines HeNe-Lasers und gut mit der Beleuchtung und die Masse Exziton Emission von GaAs Optimierungen. Diese Ausrichtung Schritte sind mit der Probe bei Raumtemperatur durchgeführt.

  1. Ausrichtung des oben genannten Bandlücke (HeNe) Erregung Weg und der Installation der Kamera:
    1. paar eine oben genannte Bandlücke Laserstrahl (HeNe) in einer Singlemode-Faser.
    2. Direkte Ausgabe-Strahl aus der Faser-Kollimator FC1 auf die Probe über einen Spiegel M3.
    3. Tilt FC1 horizontal zu zentrieren Sie den Laser Spot auf der Probe ca. 1 mm gespalten Schneide. Kippen Sie M3 horizontal, um die hinteren Reflexion des Laserstrahls zu knapp oberhalb oder unterhalb der einfallende Strahl zu verlagern. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, bis beide Kriterien erfüllen.
    4. Tilt FC1 und M3 senkrecht zur Ebene des HeNe-Strahls im Hinblick auf die optischen Tisch und halten Sie es unter der Regie an der Probe.
    5. Verwenden Sie den IR-Viewer, um der resonanten Laser und HeNe-Laser-Flecken auf die Probe zu finden. Überprüfen Sie, dass das Zentrum der HeNe-Laser-Spot auf der gleichen Höhe wie der resonanten Laserspot. Wenn nicht, verwenden Sie entsprechend die Strahl Höhen unter Beibehaltung des HeNe-Strahls mit dem Tisch FC1 und M3.
    6. Die nicht polarisieren Beam Splitter Cube (90: 10), NFB, in der HeNe-Pfad einfügen Zentrieren Sie den Würfel in der einfallende Strahl HeNe.
    7. Suchen Sie zwei Balken am Beam Splitter Ausgang die Sammlung Weg, aus Reflexion aus der Probe und von internen Reflexion innerhalb des Cubes.
    8. Drehen Sie den Würfel um einen kleinen Winkel (~ 5 Grad), so dass die beiden Balken an der Ausfahrt leicht getrennt werden können. Das Licht von der Oberfläche der Probe reflektiert kann als eine grobe Anleitung verwendet werden, um die Kamera auszurichten.
      Hinweis: Die Richtung des intern reflektierten Strahls ändert nicht, wenn der Würfel um die Hochachse gedreht wird.
    9. Ebene der Cube in Bezug auf die Registerkarte "optische"Le durch die Sicherstellung des HeNe-Balkens entspricht der internen Reflexion im Inneren des Würfels ist auf der gleichen Höhe wie der eingehenden Strahl.
    10. Put ein IR-empfindlichen Kamera auf dem Weg von der Rückseite reflektiert HeNe Strahl. Eine Röhre Linse L Cam mit einer Brennweite von 200 mm zu verwenden, um das Beispiel-Bild auf der Kamera konzentrieren.
      Hinweis: Eine selbst gebaute Rohrsystem wird verwendet, um die Linse L Cam, Haus wie in Abbildung 1 gezeigt, die verhindert, dass streunende Raum Licht von der Kamera erkannt wird.
    11. Richten Sie eine 800 nm lang-Pass-Filter, F1, vor L Cam zum Herausfiltern der HeNe Licht, wodurch die Beobachtung des PL aus der Probe mit der Kamera.
  2. Installation und Optimierung der Position der Linse L Obj
    1. setzen die asphärische Linse L Obj in einem translationalen montiert mit drei translatorische Freiheitsgrade. Zentrieren Sie L Obj auf der HeNe-Laser und legen Sie die Trennung von der Probe werden die Brennweite, f Obj = 10 mm.
    2. Set Objektiv zu koppeln, L1 und L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) mithilfe einer XY-translationalen Mount wo einseitig fixiert und die andere Seite ist beweglich in der seitlichen Ebene gesteuert von Mikrometern.
      Hinweis: Linse L2 geht in die bewegliche Seite der Halterung. L1 ist durch ein Objektiv-Tubus gehalten und an der festen Seite des Berges. Das Rohrsystem bietet die Freiheit, um die Entfernung zwischen den beiden Linsen durch Einschrauben in/out der Objektiv-Tubus L1 entlang der optischen Achse halten.
    3. Legen Sie den Abstand zwischen den beiden Linsen zu 100 mm. Set L2 in der Mitte des Berges durch die Anpassung der Mikrometer.
    4. L1 und L2-Objektiv-Kombination in der HeNe Weg zwischen NFB und Kryostaten einfügen. Legen Sie den Abstand zwischen L1 und L Obj f Obj + f 1. L1 und L2 über den Vorfall HeNe Licht zu zentrieren.
    5. Legen Sie Beleuchter und Häutchen in der Sammlung-Pfad, wie in Abbildung 1 dargestellt. Legen Sie den Abstand zwischen Objektiv-K4 und L2, um die Summe ihrer Brennweiten werden.
    6. Center-Beleuchtung Trägerende L2 durch Einstellung des Winkels der Illuminator.
    7. Stellen Sie den Winkel der das Häutchen in Mitte die Rückseite reflektiert Beleuchtung Licht sichtbar in das Kamerabild auf die PL vor Ort verursacht durch HeNe Anregung.
      Hinweis: Zum Zwecke der Angleichung, schließe eine Leuchtfeldblende um die Mitte des beleuchteten Bereichs zu finden.
    8. Nur die Beleuchtung mit Licht, finden Sie ein DGM defekt oder Staub auf die Probe, in die Kamera schaut. Andere Teile der Probe zu suchen, je nach Bedarf durch L2 seitlich bewegen.
    9. Leicht tippen L Obj in/out entlang der optischen Achse auf die Kante des Mangels oder Staub schärfsten machen.
    10. Shift L2 zurück zu der Mitte des Berges.
    11. Ansicht der HeNe-angeregten PL vor Ort an der Kamera, und L Obj horizontal bewegen, so dass der PL-Spot 1-2 mm vom Rand der Probe gespalten ist.
      Hinweis: Für eine Entfernung von weniger als 1 würde mm, die Laser-Streuung vom Rand der Probe gespalten durch Ziel L Obj erhoben. Während für eine Strecke zu weit aus dem gespalten Gesicht, erleben die Erregung Strahl Dämpfung vor Erreichen der QD, das reduziert die maximale Erregerleistung verfügbar.
    12. Shift L2 horizontal bis zum gespalten Rand der Probe wird auf die Kamera unter Beleuchtung gezeigt.
    13. Langsam Verschiebung L Obj vertikal zu suchen eine helle Laserpunkt am Rande gespalten der Probe, verursacht durch die Streuung des Strahls an der gespalten Fläche der Probe resonante Anregung.
    14. Ebene der PL-Spot durch HeNe Erregung zu den hellen Laserpunkt am Rande gespalten der Probe verursacht.
  3. Neuausrichtung des HeNe Erregung Weg in Bezug auf den neuen Speicherort des L Obj .
    Hinweis: Um scanbare Bereich maximieren und minimieren, Vignettierung, ist es notwendig, die Erregung-Optik und die Erregung Strahl in Bezug auf die Lage des L Obj neu zentrieren.
    1. Entfernen L1 und L2. Center, Erregung Trägerende L Obj und gleichzeitig den Strahl in die Oberfläche Normalenrichtung der Stichprobe.
    2. Center L2 auf dem Berg. L1 und L2 auf dem Vorfall Erregung Balken zu zentrieren. Legen Sie den Abstand zwischen L1 und L Obj die Summe der beiden Brennweiten, d. h., f 1 + f Obj.
    3. Reposition L Cam Strahlen so, dass es auf reflektierte HeNe zentriert ist. Positionieren Sie die Kamera so, dass die HeNe aufgeregt PL (verwenden Sie einen langen-Pass-Filter) sich auf das Bild konzentriert.
    4. Stellen Sie den Winkel der Beleuchtung und das Häutchen um die Beleuchtung Licht auf L2 und der PL vor Ort verursacht durch HeNe Anregung zu zentrieren.
  4. Ausrichtung der Spiegel M1 und M2.
    Hinweis: Ein Laser rückwärts durch das Spektrometer geleitet wird Ausrichtung erleichtern.
    1. Monitor der HeNe-angeregten PL aus der Probe in die Kamera. Zentrieren eine Iris (Iris A) auf die PL zwischen dem Häutchen und M1.
    2. Center Objektiv L Spec auf dem umgekehrten Balken und legen Sie sie eine Brennweite f Spec entfernt die Einlauföffnung des Spektrometers.
    3. Senden die umgekehrten Strahl aus dem Spektrometer zur Probe durch die Reflexion aus zwei Spiegeln, M1 und M2.
    4. Richten Sie ein weiteres Iris (Iris B) zwischen M2 und L Spec und Center es auf dem umgekehrten Balken.
    5. Steuern M2 zur Mitte der Rückseite beamen auf Iris A. Steer M1 zentrieren Sie den PL auf Iris B. Repeat dieser Prozess mehrmals bis beide Kriterien erfüllt sind.
    6. Zu finden die Mitte die Einlauföffnung (30 μm Breite) des Spektrometers auf dem CCD durch die Null-Bestellung Beugung des Lichts Zimmer überwachen.
    7. Öffnen die Einlauföffnung des Spektrometers. Durch die Verwendung einer 800 nm langen Pass Filter, PL aus der Probe unter HeNe Anregung auf dem CCD beobachtet werden.
    8. Steuern M1 bis Mitte diesen Ort am Eingang Schlitz des Spektrometers und auf der mittleren Höhe des CCD, und lenken M2 um die umgekehrte Strahl auf Iris A. Repeat dieser Prozess mehrmals bis beide Kriterien getroffen habe sind zu zentrieren
    9. Ausrichtung des Objektivs zu koppeln, L3 und L4: Position L3 im PL Sammlung Pfad an einem Standort, die f 2 + f 3 von Linse L2 entfernt. Ort L4 in der Sammlung Weg von L3 durch die Summe ihrer Brennweiten, f 3 + f 4 getrennt. Passen Sie die seitliche Stellung des L4, Zentrum der PL vor Ort auf dem CCD.

4. Überlappung der PL Sammlung Weg in Bezug auf die resonante Anregung Weg

  1. Cool auf die Probe zu 4,2 K. Mit der Erregung über Band verwenden das Spektrometer um zu lokalisieren die Emissionswellenlänge von der Benetzungsschicht (in der Regel rund 880 nm).
  2. Soll eine 800 nm lang-Pass-Filter F1 vor L Cam um HeNe Licht zu blockieren. Mit Hilfe der das erhellende Licht, verlagern L2 horizontal um den gespalten Rand der Probe auf die Kamera zu lokalisieren.
  3. Setzen die Seite Erregung Wellenlänge in Resonanz mit der Benetzungsschicht werden. Suchen Sie eine helle Streuung Stelle am Rand der Probe auf der Kamera gespalten.
  4. Beobachten ein " Streifen Muster " der Photolumineszenz auf der Kamera durch die seitliche Position der E1. Maximieren Sie die Intensität des Streifens durch E1 seitlich verschieben.
    Hinweis: Die " Streifen " ist die Benetzung Schicht Emission, was bedeutet, dass die Erregung Strahl in den Hohlleiter der Probe gekoppelt ist.
  5. Anpassen E1 vertikal zu bewegen das Streak zu Überschneidungen mit der PL-Spot durch die HeNe Erregung verursacht.
  6. Erfassen die Intensität der Benetzungsschicht PL. anpassen E2 in eine Richtung, dann wieder optimieren die Position des E1; wieder aufnehmen die Intensität der PL und im Vergleich zu den früheren Wert.
  7. Wird die Intensität erhöht hat, wiederholen Sie die Einstellung der E2 in die gleiche Richtung. Wenn die Intensität verringert hat, dann kehren Sie die Anpassung der E2. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um die optimalen Positionen für E1 und E2 suchen.

5. Resonante Anregung von einem einzigen Quantenpunkt

< p Class = "Jove_content"> Hinweis: Es gibt zwei mögliche Ansätze, resonante Anregung von einem einzigen QD zu realisieren: (1) stellen die Anregungsfrequenz des Lasers entspricht eine bestimmte QD Resonanz; oder (2) die Laser-Frequenz über die Resonanz-Energien des Ensembles QD scannen, bis Resonanz-Fluoreszenz aus einem einzigen QD beobachtet wird.

  1. Methode (1) - gezielte Anregung:
    1. stellen das Spektrometer zu überwachen, die Beugung erster Ordnung in der Mitte der Emissionswellenlänge des QD Ensembles unter über dem Bandabstand Erregung. Öffnen Sie die Einlauföffnung des Spektrometers.
    2. Stellen Sie die Kraft der über-Band Anregung bis ein leuchtender Hintergrund durch Anregung des Kontinuums Ende der Benetzung Layerstatus wirkt. In der Nähe des Eingangs Schlitz bis 30 μm.
    3. Shift L2 seitlich, eine geeignete QD - zum Beispiel die hellste in der Ansicht zu finden. Aufzeichnen die Wellenlänge von QD λ QD das Spektrometer gemessen.
    4. Tune die Wellenlänge des Lasers resonante Anregung zu den gleichen Wert wie λ QD.
      Hinweis: Oft kann das Spektrometer das schwache Signal der Streuung des Lasers resonante Anregung an die Optik abholen. Wenn nicht, eine Abspaltung von der Erregung Strahl direkt in das Spektrometer.
    5. Maximieren die QD ' s PL Intensität an auf dem CCD durch Feineinstellung der Frequenz des Lasers Erregung.
      Hinweis: Für einige QDs braucht eine kleine Lichtmenge HeNe QD resonant aufgeregt 10 , 31 , 32 zu ermöglichen. Die erforderliche Leistung der HeNe-Laser ist in der Regel so niedrig - ein paar hundert Nanowatt -, die keine Fluoreszenz ausschließlich durch diese HeNe Strahl verursacht durch CCD nachgewiesen werden kann.
    6. Maximieren die PL-Intensität von der QD durch Anpassung der Höhe und die seitliche Position der Linse E1 und die axiale Position des Objektivs E2. Gemeinsam optimieren die Positionen der Linsen E1 und E2, die Intensität der Fluoreszenz Resonanz aus der QD zu maximieren.
  2. Methode (2) - spektrale suchen:
    1. stellen das Spektrometer, die Beugung erster Ordnung in der Mitte der Emissionswellenlänge des QD-Ensembles zu überwachen. Öffnen Sie die Einlauföffnung des Spektrometers.
    2. Tune die Frequenz des Lasers Erregung über den Energiebereich die QD-Ensemble. Resonant aufgeregt QD erscheint als Punkt umgeben von paar luftige Ringe auf dem CCD. Wählen Sie eine QD, die hell ist.
    3. PL Intensität durch Feinabstimmung der Wellenlänge des Lasers Erregung maximieren.
    4. Maximieren die PL-Intensität des Punktes durch die Höhenverstellung und die seitliche position des E1and die axiale Position des Objektivs E2. Gemeinsam optimieren die Positionen der Linsen E1 und E2, die Intensität der Fluoreszenz Resonanz aus der QD zu maximieren.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Abbildung 1 zeigt eine bestimmte Realisierung der notwendigen Ausrüstung, resonante Anregung von einem einzigen Quantenpunkt zu erreichen. Andere Ausführungen sind möglich, aber die wichtigen Komponenten sind: eine Erregung Weg zum paar zu den Hohlleiter; eine Sammlung Pfad zur Fluoreszenz Detektoren Führung; ein konfokale Erregung Weg entlang des Pfads Kollektion begeistern; und eine Beleuchtung Weg zur Bildgebung der Probenoberfläche zu ermöglichen.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die entscheidenden Schritte in das Protokoll sind: Modus-matching und Ausrichtung des Strahls Erregung in den Wellenleiter Modus; und die korrekte Ausrichtung und Fokussierung der Sammlung Optik. Die schwierigsten Teile dieser Schritte sind die anfängliche Ausrichtung; Optimierung der Kupplung eine bereits ausgerichteten Einrichtung ist relativ einfach. Überlappende Bereich Sammlung und Erregung ist ein Schritt, der ist einfach mit der Fähigkeit zum Bild der Probe auf der Kamera, aber ist sehr schwierig, ohne diese Funkt...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren möchten Glenn S. Solomon für die Bereitstellung der Probe anerkennen. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (DMR-1452840) unterstützt.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Durchstimmbarer externer Resonator-DiodenlaserToptica PhotonicsDL-Pro
Kryostat mit geschlossenem KreislaufMontana InstrumentsKryostationsspektrometer
, 750 mmBrennweite Princeton InstrumentsSpectraPro 2750
Thermoelektrisch gekühltes ladungsgekoppeltes GerätPrinceton InstrumentsPixis 100BR-eXcelon
HeNe LaserJDSU1125P
Infrarot-empfindliche KameraSonyNEX-5TLIR-Sperrfilter entfernt
Leistungsmesser und DetektorNewport1918-C, 918D-IR-OD3
Einstellbarer Kollimator für asphärische FasernThorlabsCFC-8X-A
Dubletten-Kollimator mit LuftspaltThorlabsF810APC-842
Geschützt Silberne Spiegel x 5ThorlabsPF10-03-P01
Klapphalterungen x 2ThorlabsFM90
Asphärische Kondensorlinse, f = 20 mm; K1ThorlabsACL2520-B
Form sphärische Linse, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2ThorlabsLBF254-050-B
Beste Form sphärische Linse, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4ThorlabsLBF254-100-B
Form sphärische Linse, f = 200 mm; Lspec, LcamThorlabsLBF254-200-B
Plankonvexe Linse, f = 400 mm; L3ThorlabsLA1172-B
Asphärische Linse aus geformtem Glas, f = 8 mm; EobjThorlabsC240TME-B
Präzisions-Asphäre, f = 10 mm; LobjThorlabsAL1210-B
Langpassfilter, 800 nm, x2ThorlabsFEL0800
Nichtpolarisierender Strahlteilerwürfel (NPBS)ThorlabsBS029
Pellicle StrahlteilerThorlabsBP108
PolarisatorThorlabsLPNIRE100-B
Leuchtdiode, 940 nmThorlabsM940D2
Beste Beste

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kuhlmann, A. V., et al. A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode. Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905(2013).
  2. Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
  3. Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
  4. Houel, J., et al. Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401(2012).
  5. Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).
  6. Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402(2007).
  7. Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
  8. Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315(2012).
  9. Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 89 (15), 155305(2014).
  10. Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence. Phys. Rev. B. 93 (11), 115307(2016).
  11. Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401(2017).
  12. Ge, R. -C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691(2013).
  13. Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401(2015).
  14. Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118(2012).
  15. De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
  16. Schaibley, J. R., et al. Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon. Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401(2013).
  17. Gerardot, B. D., et al. Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system. New J. Phys. 11 (1), 013028(2009).
  18. Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308(2016).
  19. Jundt, G., Robledo, L., Högele, A., Falt, S., Imamoglu, A. Observation of dressed excitonic states in a single quantum dot. Arxiv preprint cond-mat/0711.4205v1. , Available from: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4205v1.pdf (2007).
  20. Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity. Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403(2014).
  21. Unsleber, S., et al. Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot. Optica. 2 (12), 1072(2015).
  22. Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
  23. Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401(2008).
  24. Roy-Choudhury, K., Hughes, S. Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons. Phys. Rev. B. 92 (20), 205406(2015).
  25. Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot. Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).
  26. Ulrich, S. M., et al. Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity. Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402(2011).
  27. Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity. Science. 312 (5773), 551-553 (2006).
  28. Kroner, M., et al. Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot. Phys. Rev. B. 78 (7), 075429(2008).
  29. Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).
  30. Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307(2016).
  31. Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114(2013).
  32. Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401(2012).
  33. Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends. IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).
  34. Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
  35. Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
  36. He, Y. -M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

Resonante AnregungFluoreszenzdetektionKapillarteleskopKryostat AusrichtungSpektrometerdetektionPolarisationskontrolle

Verwandte Artikel