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

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, eine resonante Anregung eines Quantenpunkts und eine gleichzeitige Fluoreszenzdetektion unter Verwendung orthogonaler Anregungs- und Detektionsmodi zu erreichen. Die Realisierung von Resonanzanregung mit Fluoreszenzdetektion ist essentiell für die Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen in niedrigdimensionalen Nanostrukturen und wurde zur Veranschaulichung quantenoptischer Effekte wie z.B. Dress-Zustände verwendet. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Orthogonalität zwischen dem Anregungs- und dem Detektionsmodus nutzt, um die Ansammlung von Laserstreuung zu minimieren, wodurch die Fluoreszenzpolarisation erhalten bleibt.

Diese Technik hat Auswirkungen auf Quantenpunkt-basierte Quellen von stark ununterscheidbaren Einzelphotonen und auf die kohärente Kontrolle und Messung von Elektronenspins in Quantenpunkten. Richten Sie die Elemente des Experiments auf einer optischen Bank ein. Ein Kryostat zur Aufnahme der Probe steht im Zentrum des Experiments.

Die optischen Elemente lenken und fokussieren die Leistung von drei Lichtquellen. Dieser Schaltplan gibt einen Überblick über den Aufbau. Auch hier befindet sich die Probe, die in einem Kryostaten gehalten wird, im Zentrum.

Eine Lichtquelle ist ein Diodenlaser mit externem Resonator, der zur Resonanzanregung verwendet wird. Ein anderer ist ein Helium-Neon-Laser, der für die Anregung über der Biegung verwendet wird. Für die Beleuchtung gibt es auch eine LED.

Der resonante Anregungslaserstrahl durchläuft einen Polarisator und tritt durch ein Fenster des Kryostaten ein. Die Linsen E1 und E2 bilden ein Kapillarteleskop. E1 befindet sich auf einem XY-Tisch, um den Anregungspunkt seitlich verschieben zu können.

Die E2 befindet sich in einem Zoomgehäuse, um die Tiefenschärfe variieren zu können. Das Licht der Beleuchtungsquelle und des Helium-Neon-Lasers tritt in das andere Fenster des Kryostaten ein. Innerhalb der Probe interagiert das Licht mit den Indium-Galliumarsenid-Quantenpunkten, die zwischen zwei verteilten Bragg-Reflektoren eingebettet sind.

Die gespaltene Fläche der Probe wird dem Resonanzanregungslaser ausgesetzt. Die Photolumineszenz des Quantenpunkts wandert entlang des Strahlengangs des Helium-Neon-Lasers zurück. Es durchläuft ein zweites Kapillarteleskop, das ähnlich aufgebaut ist wie das erste, jedoch mit einer Vergrößerung von eins.

Eine Kamera ist in Position, um das Licht der Probe einzufangen, um die Ausrichtung zu erleichtern. Ein Spektrometer ist in Position, um die Photolumineszenz aus der Probe für die Intensitäts- und Spektralanalyse zu sammeln. Die Position eines Flip-Spiegels M1 bestimmt, ob das Licht zur Kamera oder zum Spektrometer gelangt.

Der erste Schritt besteht darin, eine Probe für das Experiment vorzubereiten. Die Versuchsproben werden von einer größeren Probe abgespalten, die mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet wurde. Halten Sie zusätzlich zur Probe eine Kupferprobeplatte, wärmeleitende Farbe, einen Diamantritzer und eine Pinzette mit flachem Ende bereit.

Nähern Sie sich der Probe mit dem Diamantritzer. Mache damit einen kleinen Kratzer auf der Kante der Oberseite der Probe. Halten Sie dann die Probe mit der Pinzette auf jeder Seite des Kratzers und wenden Sie ein nach außen rotierendes Drehmoment an.

Bewegen Sie die gespaltene Probe auf die Kupferprobenplatte und befestigen Sie sie mit der wärmeleitenden Farbe. Bringen Sie anschließend die Kupferprobenplatte zum Kryostaten, um sie zu montieren. Stellen Sie sicher, dass die Probe für das Experiment richtig ausgerichtet ist.

Der nächste Schritt ist der Einbau einer asphärischen Objektivlinse in den Kryostaten. Dieses Objektiv ist in einer translatorischen Fassung mit drei Freiheitsgraden befestigt. Es gehört in den resonanten Anregungslaserweg und fokussiert das Licht auf das gespaltene Ende der Probe.

Zu Beginn sollte das Objektiv mehr als eine Brennweite von der Probe entfernt sein. Schalten Sie mit der Linse im Kryostaten den Anregungslaser ein und zentrieren Sie die Linse darauf. Die Höhe der Linse sollte der Höhe der Mitte der Probe entsprechen.

Richten Sie als Nächstes einen weißen Papierschirm im Laserweg hinter der Probe ein und beobachten Sie den Bildschirm mit einem Infrarotbetrachter. Aufgrund des Lichts, das durch die Probe durchgelassen wird, sollte ein heller Fleck vorhanden sein. Bewegen Sie die Linse langsam in Richtung der Probe.

Beobachten Sie den Bildschirm durch den Viewer und stoppen Sie, wenn ein klares Silhouettenbild der Probe erscheint. Passen Sie die Linsenposition an, um die Silhouette in der Mitte des hellen Flecks zu zentrieren. Bewegen Sie das Objektiv langsam weiter in Richtung der Probe.

Das Silhouettenbild auf dem Bildschirm wird vergrößert und kann horizontal verschoben werden. Stellen Sie das Objektiv weiter so ein, dass es zentriert ist, und vergrößern Sie es, bis Interferenzsäume sichtbar sind. Verschieben Sie die Linse langsam weiter in Richtung der Probe.

Überwachen Sie an jeder Tiefenposition die Streifen, indem Sie das Objektiv nach links und rechts schieben. Bringen Sie das Objektiv in eine Position, die den Abstand zwischen den beiden Säumengruppen maximiert, und sichern Sie es. Passen Sie dann die Position der seitlichen Linse an, um Säume auf dem Papiersieb zu minimieren.

Stellen Sie als nächstes das Kapillarteleskop in den Anregungspfad ein. Die beiden Linsen sollten auf den resonanten Anregungslaserstrahl zentriert sein. Bezogen auf den Schaltplan ist die Linse E2 so zu positionieren, dass sie und die asphärische Linse durch die Summe ihrer Brennweiten getrennt sind.

Legen Sie außerdem fest, dass der Abstand zwischen E1 und E2 die Summe ihrer Brennweiten ist. Verwenden Sie den Infrarotbetrachter, um das Beugungsmuster auf dem Papiersieb zu beobachten, während Sie die Höhe des Objektivs E1 einstellen. Ziel ist es, die Interferenzstreifen erneut zu beobachten. Schieben Sie E2 nach vorne und hinten, während Sie die Streifen überwachen, indem Sie E1 nach links und rechts schieben.

Platzieren Sie E2 an der Stelle, an der die Randgruppen am weitesten voneinander entfernt sind. Stellen Sie abschließend das Objektiv E1 seitlich ein, damit die Farbsäume verschwinden oder minimiert werden. Entfernen Sie den Bildschirm und fahren Sie mit dem Platzieren und Ausrichten der verbleibenden optischen Elemente fort.

Kühlen Sie die Probe auf 4,2 Kelvin ab und bereiten Sie sie für die Spektrometrie vor. Das Gerät sollte wie in diesem Schaltplan konfiguriert sein. Stimulieren Sie die Probe mit dem Helium-Neon-Laser und richten Sie die Photolumineszenz von der Probe auf das Spektrometer.

Identifizieren Sie aus dem resultierenden gemessenen Emissionsspektrum den Emissionspeak zwischen 860 und 900 Nanometern. Dies entspricht der Emission aus der Benetzungsschicht. Ändern Sie für die nächste Messung die Konfiguration, um die Kamera zu verwenden.

Verwenden Sie einen Langpassfilter vor der Kamera, um das Helium-Neonlicht zu blockieren. Schalten Sie auch das Beleuchtungslicht ein. Verschieben Sie das Objektiv L2 seitlich, während Sie das Kamerabild betrachten.

Das Beispielbild wird durch die Bewegung des Objektivs geschwenkt. Stoppen Sie, nachdem Sie den gespaltenen Rand der Probe lokalisiert haben. Schalten Sie nun den Resonanzanregungslaser mit der Wellenlänge ein, die so eingestellt ist, dass sie mit der Benetzungsschicht resonant ist.

Identifizieren Sie auf der Kamera einen hellen Streufleck am gespaltenen Rand der Probe. Passen Sie als Nächstes die horizontale Position von E1 an. Ziel ist es, ein Streifenmuster der Photolumineszenz auf der Kamera zu beobachten und dessen Intensität zu maximieren. Bewegen Sie dann E1 vertikal, um den Streifen mit dem Photolumineszenzfleck zu überlappen, der durch die Helium-Neon-Anregung verursacht wird.

Überwachen und zeichnen Sie die Intensität der Photolumineszenz auf. Passen Sie die Objektive E1 und E2 systematisch an, um die Intensität zu maximieren. Ändern Sie die Konfiguration zurück, um das Spektrometer zu verwenden.

Richten Sie es so ein, dass die Beugung erster Ordnung im Zentrum der Emissionswellenlänge des Quantenpunkt-Ensembles überwacht wird. Wechseln Sie als Nächstes zum Anregungslaser. Stimmen Sie seine Frequenz über den Energiebereich des Quantenpunkt-Ensembles ab.

Beobachten Sie die emittierte Photolumineszenz mit der CCD-Kamera, die am Spektrometer angebracht ist. Ein resonant angeregter Quantenpunkt erscheint als Scheibe, die von Ringen umgeben ist, die als Flächenmuster bekannt sind. Wählen Sie einen hellen Quantenpunkt aus, mit dem Sie arbeiten möchten.

Maximieren Sie die Photolumineszenzintensität des Punktes, indem Sie die Wellenlänge des Resonanzanregungslasers fein abstimmen. Stellen Sie gemeinsam E1 seitlich und E2 axial ein, um die maximale Intensität zu erreichen. Diese Serie von Bildern stammt von einem neutralen Quantenpunkt bei unterschiedlichen Verstimmungen, wie in Gigahertz am oberen Rand jedes Bildes angegeben.

Zum Vergleich: Diese Serie stammt von einem geladenen Quantenpunkt bei unterschiedlichen Verstimmungen, die auch oben auf den Bildern angezeigt sind. Der geladene Zustand kann nicht allein anhand des Spektrums bestimmt werden. Die Verwendung der neutralen Quantenpunktbilder und die Integration der Intensität in einen Radius von vier Pixeln um die Bildmitte ergibt das Spektrum.

Dieses Spektrum ist das Ergebnis eines ähnlichen Verfahrens mit den geladenen Quantenpunktbildern und einem Radius von sechs Pixeln. Die orangefarbenen Punkte stellen die normierte resonante Photolumineszenz-Anregungsintensität dar. Bei den blauen Quadraten handelt es sich um Daten aus dem entsprechenden Satz von Bildern.

Diese Bilder stammen von acht verschiedenen Quantenpunkten mit unterschiedlichen Resonanzwellenlängen, die monoton von links nach rechts ansteigen. Das Muster einer zentralen Flächenscheibe mit umgebenden Ringen ist das typische Bild eines Quantenpunkts. Die Radien der Ringe und der Scheibe variieren aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit der Wellenlängen und Emissionswinkel der Resonatormoden.

Im Allgemeinen haben Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten, mit Laserlicht in den Wellenleiter der Probe zu gelangen, da die Ausrichtung sehr empfindlich ist und das Kostenelement bei Raumtemperatur erfolgen muss. Sobald die experimentellen Komponenten vorbereitet sind, kann die Ausrichtung in ein paar Stunden durchgeführt werden, wenn sie ordnungsgemäß durchgeführt wird. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die Interferenzstreifen zu überwachen, um die Anregungslaser korrekt zu positionieren, und eine qualitativ hochwertige Abbildung der Probenoberfläche ist entscheidend, um eine Ausrichtung der Anregungs- und Detektionspfade zu ermöglichen.

Nach diesem Verfahren kann der Detektionspfad modifiziert werden, um weitere Elemente wie einen Polarisationsanalysator oder ein abstimmbares Fabry-Perot-Interferometer aufzunehmen. Diese Technik ebnete Forschern auf dem Gebiet der Festkörper-Quantenoptik den Weg, um resonante Phänomene in nulldimensionalen Strukturen wie Quantenpunkten zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die resonante Anregung eines Quantenpunkts und die gleichzeitige Fluoreszenzdetektion mit orthogonalen Anregungs- und Detektionsmodi erreichen können.