직교 여기 및 탐지를 사용 하 여 평면 캐비티에 InGaAs 양자 점의 공명 형광

이 프로토콜의 전반적인 목표는 직교 여기 및 검출 모드를 사용하여 양자점의 공진 여기(resonant excitation)와 동시 형광 검출을 달성하는 것입니다. 형광 검출을 통한 공진 여기(resonant excitation)의 실현은 저차원 나노 구조에서 빛 물질 상호 작용을 연구하는 데 필수적이며 드레스 상태와 같은 양자 광학 효과를 설명하는 데 사용되었습니다. 이 기술의 주요 장점은 여기(excitation) 모드와 검출 모드(detection mode) 사이의 직교성(orthogonality)을 사용하여 레이저 산란(laser scattering)의 수집을 최소화하여 형광 편광을 보존한다는 것입니다.

이 기술은 매우 구별할 수 없는 단일 광자의 양자점 기반 소스와 양자점에서 전자 스핀의 일관된 제어 및 측정에 영향을 미칩니다. 광학 벤치에 실험 요소를 설정합니다. 샘플을 보관하기 위한 저온 유지 장치가 실험의 중심에 있습니다.

광학 요소는 세 가지 광원의 출력을 지시하고 초점을 맞춥니다. 이 회로도는 설정에 대한 개요를 제공합니다. 다시 말하지만, 저온 유지 장치에 보관된 샘플이 중앙에 있습니다.

하나의 광원은 공진 여기에 사용되는 외부 캐비티 다이오드 레이저입니다. 다른 하나는 위의 굽힘 여기에 사용되는 헬륨 네온 레이저입니다. 조명용 LED도 있습니다.

공진 여기 레이저 빔은 편광판을 통과하여 저온 유지 장치의 한쪽 창을 통해 들어갑니다. 렌즈 E1 및 E2는 모세관 망원경을 형성합니다. E1은 여기 지점을 측면으로 이동할 수 있도록 XY 스테이지에 있습니다.

E2는 줌 하우징에 있어 초점 심도를 변경할 수 있습니다. 조명 소스와 헬륨 네온 레이저의 빛은 저온 유지 장치의 다른 창으로 들어갑니다. 샘플 내에서 빛은 두 개의 분산된 Bragg 반사체 사이에 내장된 인듐 갈륨 비소 양자점과 상호 작용합니다.

샘플의 절단면은 공진 여기 레이저에 노출됩니다. 양자점의 광발광은 헬륨 네온 레이저의 광학 경로를 따라 다시 이동합니다. 첫 번째 망원경과 유사한 디자인으로 두 번째 모세관 망원경을 통과하지만 단일 배율이 있습니다.

정렬을 용이하게 하기 위해 샘플에서 빛을 캡처할 수 있는 카메라가 있습니다. 분광계는 강도 및 스펙트럼 분석을 위해 샘플에서 광발광을 수집할 수 있는 위치에 있습니다. 플립 미러 M1의 위치에 따라 빛이 카메라로 가는지 분광계로 가는지가 결정됩니다.

첫 번째 단계는 실험을 위한 샘플을 준비하는 것입니다. 실험 샘플은 분자 빔 에피택시를 사용하여 성장한 더 큰 샘플에서 절단됩니다. 샘플 외에도 구리 샘플 플레이트, 열전도성 페인트, 다이아몬드 스크라이브 및 평평한 핀셋을 준비하십시오.

다이아몬드 스크라이브로 샘플에 접근합니다. 이를 사용하여 샘플의 상단 표면 가장자리에 작은 흠집을 냅니다. 그런 다음 핀셋을 사용하여 스크래치의 각 면에 샘플을 잡고 바깥쪽으로 회전 토크를 가합니다.

절단된 샘플을 구리 샘플 플레이트로 옮기고 열전도성 페인트로 부착합니다. 다음으로, 구리 샘플 플레이트를 저온 유지 장치에 가져가 장착합니다. 샘플이 실험에 맞게 올바르게 방향이 지정되었는지 확인합니다.

다음 단계는 저온 유지 장치에 비구면 대물렌즈를 설치하는 것입니다. 이 렌즈는 3 자유도의 translational mount에 고정되어 있습니다. 그것은 공진 여기 레이저 경로에 속하며 샘플의 절단된 끝으로 빛을 집중시킵니다.

처음에는 렌즈가 샘플에서 하나 이상의 초점 거리에 있어야 합니다. 렌즈를 저온 유지 장치에 넣은 상태에서 여기 레이저를 켜고 렌즈를 그 중앙에 놓습니다. 렌즈 높이는 샘플 중심의 높이와 같아야 합니다.

다음으로, 샘플 뒤의 레이저 경로에 백서 스크린을 설치하고 적외선 뷰어로 스크린을 관찰합니다. 샘플을 통해 전달되는 빛으로 인해 밝은 점이 있어야 합니다. 렌즈를 샘플 쪽으로 천천히 이동합니다.

뷰어를 통해 화면을 관찰하고 샘플의 선명한 실루엣 이미지가 나타나면 멈춥니다. 밝은 부분의 중앙에 실루엣을 배치하도록 렌즈 위치를 조정합니다. 렌즈를 샘플 쪽으로 천천히 계속 이동합니다.

화면의 실루엣 이미지가 확대되어 가로로 이동할 수 있습니다. 렌즈를 계속 조정하여 이미지를 중앙에 배치하고 간섭 줄무늬가 보일 때까지 확대합니다. 렌즈를 샘플 쪽으로 천천히 이동합니다.

각 깊이 위치에서 대물렌즈를 왼쪽과 오른쪽으로 밀어 프린지를 모니터링합니다. 두 그룹의 fringe 사이의 간격을 최대화하는 위치로 렌즈를 이동하고 고정합니다. 그런 다음 측면 렌즈 위치를 조정하여 종이 화면의 언저리를 최소화합니다.

다음으로, 여기 경로에서 모세관 망원경을 조정합니다. 두 개의 렌즈는 공진 여기 레이저 빔의 중심에 있어야 합니다. 회로도를 참조하면, 렌즈 E2와 비구면 렌즈가 초점 거리의 합만큼 분리되도록 렌즈를 배치합니다.

또한 E1과 E2 사이의 간격을 초점 거리의 합으로 설정합니다. 적외선 뷰어를 사용하여 렌즈 E1의 높이를 조정하면서 종이 스크린의 회절 패턴을 관찰합니다. 목표는 간섭 무늬를 다시 관찰하는 것입니다. E1을 좌우로 밀어 가장자리를 모니터링하면서 E2를 앞뒤로 밉니다.

가장자리 그룹이 가장 멀리 떨어져 있는 위치에 E2를 배치합니다. 마지막으로 렌즈 E1을 측면으로 조정하여 언저리가 사라지거나 최소화되도록 합니다. 스크린을 제거하고 나머지 광학 요소를 계속 배치하고 정렬합니다.

샘플을 4.2 켈빈으로 냉각하고 분광법을 준비합니다. 장치는 이 회로도와 같이 구성되어야 합니다. 헬륨 네온 레이저로 샘플을 여기시키고 샘플에서 분광계로 광발광을 지시합니다.

이렇게 측정된 방출 스펙트럼에서 860 및 900 나노미터 사이의 방출 피크를 식별합니다. 이것은 습윤층으로부터의 방출에 해당합니다. 다음 측정을 위해 카메라를 사용하도록 구성을 변경하십시오.

카메라 전면에 있는 롱패스 필터를 사용하여 헬륨 네온 불빛을 차단합니다. 또한 조명 조명을 켭니다. 카메라 이미지를 관찰하면서 렌즈 L2를 측면으로 이동합니다.

샘플 이미지는 렌즈 모션에 의해 패닝됩니다. 샘플의 갈라진 가장자리를 찾은 후 중지합니다. 이제 파장이 습윤층과 공진하도록 설정된 공진 여기 레이저를 켭니다.

카메라에서 샘플의 절단된 가장자리에서 밝은 산란 지점을 식별합니다. 다음으로 E1의 수평 위치를 조정합니다. 목표는 카메라에서 광발광의 줄무늬 패턴을 관찰하고 그 강도를 최대화하는 것입니다. 그런 다음 E1을 수직으로 이동하여 줄무늬를 헬륨 네온 여기로 인한 광발광 스폿과 겹칩니다.

photoluminescence의 강렬을 감시하고 기록하십시오. 렌즈 E1 및 E2를 체계적으로 조정하여 강도를 최대화합니다. 분광계를 사용하도록 구성을 다시 변경합니다.

양자점 앙상블의 방출 파장 중심에서 1차 회절을 모니터링하도록 설정합니다. 다음으로 여기 레이저로 이동합니다. 양자점 앙상블의 에너지 범위에 걸쳐 주파수를 조정합니다.

분광계에 부착된 CCD 카메라로 방출된 광발광을 관찰합니다. 공명하게 여기된 양자점은 영역 패턴으로 알려진 고리로 둘러싸인 원반으로 나타납니다. 작업할 밝은 퀀텀 닷을 선택합니다.

공진 여기 레이저의 파장을 미세 조정하여 점의 광발광 강도를 최대화합니다. E1을 측면으로, E2를 축 방향으로 공동으로 조정하여 최대 강도를 달성합니다. 이 일련의 이미지는 각 이미지의 상단에 기가헤르츠로 표시된 대로 서로 다른 디튜닝에서 중성 양자점에서 가져온 것입니다.

비교를 위해 이 시리즈는 이미지 상단에 표시된 다양한 디튜닝에서 충전된 양자점에서 가져온 것입니다. 대전된 상태는 스펙트럼만을 사용하여 결정할 수 없습니다. 중성 양자점 이미지를 사용하고 이미지 중심의 4개 픽셀 반경 내에서 강도를 통합하면 스펙트럼이 생성됩니다.

이 스펙트럼은 하전된 양자점 이미지와 6픽셀 반경을 사용하는 유사한 절차의 결과입니다. 주황색 점은 정규화된 공진 광발광 여기 강도를 나타냅니다. 파란색 사각형은 해당 이미지 집합의 데이터입니다.

이 이미지는 왼쪽에서 오른쪽으로 단조롭게 증가하는 서로 다른 공명 파장을 가진 8개의 서로 다른 양자점에서 가져온 것입니다. 주변 고리가 있는 중앙 영역 디스크의 패턴은 양자점의 전형적인 이미지입니다. 고리와 디스크의 반지름은 캐비티 모드의 파장과 방출 각도의 상호 의존성 때문에 다릅니다.

일반적으로 이 방법을 처음 사용하는 개인은 정렬이 매우 민감하고 비용 요소를 실온에서 수행해야 하기 때문에 샘플의 도파관에 레이저 광을 삽입하는 데 어려움을 겪을 것입니다. 실험 구성 요소가 준비되면 적절하게 수행되면 몇 시간 내에 정렬을 수행할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 여기 레이저를 올바르게 배치하기 위해 간섭 무늬를 모니터링하는 것이 중요하며, 여기 및 검출 경로를 정렬하려면 샘플 표면의 고품질 이미징이 중요합니다.

이 절차에 따라 편광 분석기 또는 조정 가능한 Fabry-Perot 간섭계와 같은 추가 요소를 포함하도록 감지 경로를 수정할 수 있습니다. 이 기술은 고체 양자 광학 분야의 연구자들이 양자점과 같은 0차원 구조에서 공명 현상을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 직교 여기 및 검출 모드를 사용하여 양자점의 공진 여기와 동시 형광 검출을 달성하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.