Methodenartikel

Resonantie fluorescentie van een InGaAs Quantum Dot in een vlakke ruimte met behulp van orthogonale excitatie en detectie

DOI:

10.3791/56435

⸱

13 oktober 2017

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Resonant excitatie van een enkele zelf geassembleerde quantum dot kan worden bereikt met behulp van een orthogonale naar de fluorescentie collectie modus excitatie-modus. We tonen een methode met behulp van de waveguide en de Fabry-Pérot takken van een vlakke microcavity die rondom de quantumdots. De methode kunt volledige vrijheid in de detectie-polarisatie.

Samenvatting

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

De mogelijkheid om het detectieproces gelijktijdige resonant excitatie en fluorescentie is belangrijk voor quantum optische metingen van quantumdots (QDs). Resonant excitatie zonder fluorescentie detectie – bijvoorbeeld een differentiële transmissie meting – enkele eigenschappen van de emitterende systeem kunt bepalen, maar kan geen toepassingen of metingen op basis van de uitgestoten fotonen. Bijvoorbeeld, vereisen de meting van foton correlaties, observatie van de Mollow triplet, en de realisatie van één foton bronnen alle collectie van de fluorescentie. Onsamenhangend excitatie met fluorescentie detectie – bijvoorbeeld boven band-gap excitatie-kan worden gebruikt voor het maken van één foton bronnen, maar de verstoring van het milieu als gevolg van de excitatie vermindert de indistinguishability van de fotonen. Één foton bronnen op basis van QDs zal moeten resoneert opgewonden te hebben hoge foton indistinguishability en gelijktijdige collectie van de fotonen zal men moeten maken gebruik van hen. We tonen een methode om te resoneert wekken een enkele QD ingebed in een vlakke ruimte door te koppelen de excitatie-straal in deze holte van het gekloofd oppervlak van het monster en verzamel de fluorescentie langs de oppervlakte normale richting van het monster. Congruente zorgvuldig de excitatie-straal naar de waveguide-modus van de spouw, kan het licht excitatie in de holte (echt) paar en interactie met de QD. De verstrooide fotonen kunnen koppelen aan de Fabry-Pérot-modus van de spouw en ontsnappen in de oppervlakte normale richting. Deze methode biedt volledige vrijheid in de detectie-polarisatie, maar de excitatie-polarisatie wordt beperkt door de richting van de propagatie van de lichtbundel excitatie. De fluorescentie van de bevochtiging laag geeft een leidraad voor het uitlijnen van het pad van de collectie met betrekking tot de excitatie-bundel. De loodrechte stand van de excitatie- en detectie-modi kunt resonant excitatie van een enkele QD met te verwaarlozen laser verstrooiing achtergrond.

Inleiding

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

Resonant excitatie van een enkele quantum emitter gecombineerd met fluorescentie detectie was een uitdaging op lange termijn experimentele voornamelijk te wijten aan het onvermogen om de zwakke fluorescentie uit de verstrooiing van sterke excitatie spectraal te discrimineren. Dit probleem, echter, heeft met succes verholpen in de afgelopen tien jaar door twee verschillende benaderingen: donker-veld confocal excitatie gebaseerd op polarisatie discriminatie1,2,3,4 ,5, en orthogonale excitatie-detectie op basis van ruimtelijke modus discriminatie6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Beide benaderingen tonen een sterke mogelijkheid om aanzienlijk onderdrukken laser verstrooiing en zo grote schaal worden aangenomen in verschillende experimenten, bijvoorbeeld, de waarneming van de spin-foton entanglement5,15, 16, demonstratie van gekleed Staten2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26en coherente manipulatie van beperkte draaiingen3,27,28,29,30. Noch aanpak universeel toepasbaar op elke situatie; elk is beperkt tot enkele specifieke voorwaarden. De donker-veld-techniek maakt gebruik van de polarisatie van fotonen te onderdrukken de excitatie laser verstrooiing aan de mate van vrijheid. Deze techniek heeft meerdere voordelen. Bijvoorbeeld, is er geen verplichting voor een welomschreven waveguide-modus, waarmee confocal-implementatie. De confocal uitvoering zorgt voor circulair gepolariseerde excitatie en eventueel nauwere focus van de excitatie lichtbundel op de quantum emitter, wat resulteert in hogere excitatie-intensiteit. Echter, deze polarisatie-selectieve methode beperkt de detectie polarisatie te loodrecht op de excitatie-polarisatie en dus voorkomt een volledige karakterisering van de eigenschappen van de polarisatie van de fluorescentie. In vergelijking behoudt ruimtelijke modus discriminatie de volledige vrijheid van detectie polarisatie met behulp van de orthogonaliteit tussen de modi van de propagatie van excitatie en detectie balken te onderdrukken de laser verstrooiing4. De beperkingen van deze techniek zijn de noodzaak van een waveguide-structuur in de steekproef te bieden van een orthogonale naar de detectie-modus excitatie-modus, en de beperking van de polarisatie van de excitatie loodrecht op de propagatie van de lichtbundel worden .

Hier tonen we een protocol voor de bouw van een vrije ruimte-gebaseerde orthogonale excitatie-detectie setup voor resonantie fluorescentie experimenten. Vergeleken met het pionierswerk op ruimtelijke modus discriminatie waar een optische vezel gewend was licht in de holte6paar, dit protocol biedt een oplossing in de vrije ruimte, en vereist geen kinetische onderdelen te monteren of het monster of de vezel in cryostaat. Fijne controle van de richtingen van de lichtbundel excitatie en het detectie-pad worden gemanipuleerd door optica buiten de cryostaat, terwijl asferische singlet lenzen fungeren als doelstellingen binnen de koude regio van de cryostaat toespitsen. Wij bieden een representatief beeld van de uitlijning van de belangrijkste stappen in het proces van bereiken resonant excitatie en opsporing van fluorescentie van een enkele quantum dot.

Het staal dat wordt gebruikt voor deze demonstratie wordt geteeld door moleculaire straal epitaxie (MBE). De InGaAs quantumdots (QDs) worden ingebed in een GaAs-spacer dat wordt begrensd door twee reflectoren voor gedistribueerde Bragg (DBRs), zoals weergegeven in de weergave zoom-in van het monster in Figuur 1. Het GaAs tussenstuk tussen de DBRs fungeert als een golfgeleider, waar de excitatie-bundel is beperkt door de totale interne reflectie. De DBRs ook fungeren als hoge-reflectiviteit spiegels voor wavevectors die bijna loodrecht op het vlak van de steekproef zijn. Dit vormt een modus van de Fabry-Pérot waarnaar het QDs (echt) paar wanneer fluorescentie uitstoten. De Fabry-Pérot-modus moet resonant met de emissie golflengte λ van het QDs, waarvoor de spacer GaAs als integer veelvoud van λ/n, waarbij n de brekingsindex van GaAs. Voor deze demonstratie vormt en is de dikte van de spacer GaAs gekozen als 4λ/n, die is ongeveer 1 µm, zodat ze in de buurt van de grootte diffractie beperkt plek van de excitatie van de invallende lichtbundel. Een smallere spacer zou resulteren in een lagere efficiëntie van de koppeling van de lichtbundel van excitatie in de waveguide-modus.

De experimentele opzet is afgebeeld in Figuur 1. Om te maximaliseren van de efficiëntie van de koppeling, een asferische enig-lens doelstelling Eobj met numerieke diafragma NB = 0,5 en focale lengte van 8 mm is gekozen om zich te concentreren op de excitatie-balk op het gekloofd gezicht van het monster. De functie van de telescoop van de Kepleriaanse (opgebouwd uit lens paar E1 en E2) in de excitatie-pad is tweeledig: (1) tot en met de opening van de excitatie doelstelling Eobj te vullen zodat de excitatie-bundel is strak gericht voor het beter afstemmen van modus naar de waveguide (in Dit besef de collimated bundel diameter is 2.5 mm), en (2) om drie graden van vrijheid te manoeuvreren het brandpunt van de lichtbundel excitatie het gekloofd gezicht van het monster. Lens E1 is gemonteerd op een X-Y translationeel mount waarmee de twee vrijheidsgraden te verschuiven van de excitatie plek vrij in het vlak van het gezicht gekloofd monster. Lens E2 is gemonteerd op een niet-draaiend zoom behuizing die biedt de vrijheid om te kiezen van de diepte van het focal point in het monster. Deze drie graden van vrijheid laten te optimaliseren de resonant excitatie van een enkele QD zonder beweging van het monster zelf.

In het pad van de fluorescentie collectie, wordt een soortgelijke lens configuratie (Lobj, L1 en L2) gebruikt om detectie van fluorescentie uit verschillende delen van het monster. Het licht van het monster is gericht door één van de twee lenzen van de buis op of een IR-gevoelige camera (Lcam) of de gleuf van de ingang van de spectrometer (Lspec). Motie van L1 langs de z-as aangepast de focus van het beeld en laterale vertaling van L2 zorgt ervoor dat de afbeelding te scannen in het vliegtuig van het monster. De brandpunten van L1 en L2 zijn gelijk dus hun vergroting eenheid is. Dit wordt gedaan om het maximaliseren van het bereik dat L2 kan worden vertaald voordat vignettering optreedt.

Ter vergemakkelijking van de uitlijning en de locatie van een QD, is een huis-gebouwde illuminator gebaseerd op Kohler verlichting opgenomen in de installatie, zoals afgebeeld in Figuur 1. Het doel van Kohler verlichting is ervoor te zorgen voor uniforme verlichting aan het monster een image van de verlichting-lichtbron is niet zichtbaar in de voorbeeldafbeelding. De lens-configuraties van zowel het hulplicht en het pad van de collectie zijn zorgvuldig ontworpen om te scheiden van de vliegtuigen van de geconjugeerde beeld van het monster en de lichtbron. Elke lens in het pad van de collectie is gescheiden van haar buren door de som van hun brandpuntsafstanden. Dit zorgt ervoor dat waar de voorbeeldafbeelding in beeld-zoals op de sensor van de camera-het beeld van de lichtbron is volledig intreepupil. Ook waar het beeld van de lichtbron is in beeld-zoals bij het terug brandvlak van de doelstelling – de voorbeeldafbeelding is volledig intreepupil. De lichtbron is een commerciële lichtemitterende diode (LED) uitstoten bij 940 nm. Het middenrif diafragma maakt de aanpassing van de intensiteit van de verlichting en het middenrif veld bepaalt het gezichtsveld te verlichten. De sleutels tot het realiseren van uniforme verlichting zijn om in te stellen van de afstand tussen lens K4 en L2 om de som is van de brandpunten van de twee lenzen, en ervoor te zorgen dat de opening van Lobj is niet overvolle door de verlichting. In dit protocol, wordt de verlichting ook gebruikt voor het optimaliseren van de afstand tussen Lobj en het monster.

De doelstelling Lobj en beide buis lens biedt een vergroting van 20 x op de camera of de spectrometer. De lens paar L3 en L4 Lobj à Lspec vormt een ander Kepleriaanse telescoop waarmee een extra 4 x vergroting op de afbeelding op de charge - coupled device (CCD) van de spectrometer. De toevoeging van lenzen L3 en L4 resulteert in een totale vergroting van 80 x, die noodzakelijk is om het ruimtelijk onderscheiden fluorescentie van nabijgelegen QDs. L3 en L4 zijn gemonteerd op het wegknippen mounts te vergemakkelijken van de vergroting te schakelen omdat 20 x vergroting biedt een groter gezichtsveld van de steekproef.

Als u wilt overlappen het gezichtsveld van het pad van de collectie met het pad van de lichtbundel van excitatie door de waveguide, is de uitstoot van het continuüm van de quantum dot bevochtiging laag handig. De golflengte van de emissie van de bevochtiging laag kan men bepalen door het meten van het emissiespectrum van het monster onder boven band-gap excitatie. Voor onze voorbeeld, bevochtiging laag emissie treedt op bij ongeveer 880 nm bij 4.2 K. Door de koppeling van een laserstraal cw op 880 nm in de waveguide van het monster, kan men waarnemen een streep patroon gevormd door de PL uit de bevochtiging laag, die wordt weergegeven in de bijbehorende video. De streep onthult het propagatie pad van de excitatie-licht dat in de waveguide gekoppeld is geweest. De aanwezigheid van deze streep gecombineerd met de mogelijkheid om het imago van het oppervlak van het monster maakt uitlijning eenvoudig.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

Let op: Wees u ervan bewust van de mogelijke gevaren van laser verstrooiing tijdens de uitlijning. Draag goede veiligheidsbril voor bescherming. De uitlijning om proces te vergemakkelijken, is een infrarood (IR-viewer)-viewer nodig. Een IR-gevoelige fluorescerende kaart is ook nuttig maar niet noodzakelijk.

1. bereiding van de monsters

  1. gebruik een diamant scribe om een minuscuul kras op de rand van de bovenkant van het monster op de gewenste locatie van de cleave. Twee paren van flat-ended pincet gebruiken om te houden van het monster aan beide zijden van de kras. Toepassing van een naar buiten draaiende koppel met de pincet en het monster zal klieven.
    Opmerking: Een lange kras is niet nodig om het splijten, en het zal waarschijnlijk snijden door de waveguide laag licht koppeling niet onmogelijk maken. Het gekloofd gezicht is gevoelig genoeg dat een touch op het oppervlak het gezicht waveguide beschadigen kan.
  2. Hechten de gekloofd demo fiets op een bord van de koperen monster met behulp van thermisch geleidend zilveren verf of zilveren epoxy.
    Opmerking: Het gekloofd gezicht moet gelijk met de rand van de montageplaat zodat de excitatie-laser zal treffer naar de steekproef gezicht zonder interferentie.
  3. De koperen plaat in de cryostaat zo monteren dat zowel het gekloofd oppervlak en het oppervlak van de steekproef optisch toegankelijk via de ramen van de cryostaat zijn.

2. Uitlijning van Resonant excitatie pad

Opmerking: maximaliseren van de efficiëntie van de koppeling in de waveguide, heeft het profiel van de excitatie van de invallende lichtbundel worden vergeleken met die van een denkbeeldige achteruit teeltmateriaal lichtbundel verlaten de Waveguide.

  1. Grof uitlijning van excitatie laserstraal aan het gekloofd gezicht van het monster.
    1. Het aantal vrijheidsgraden van de optical fiber coupler FC0 gebruiken en er mirrorsets M0 aan de excitatie-balk op het gekloofd gezicht van het monster direct voordat de excitatie-lenzen zijn geïnstalleerd.
    2. Niveau van de lichtbundel excitatie horizontaal ten opzichte van de optische tabel zowel ten aanzien van het vliegtuig van het monster.
  2. Installatie van excitatie doelstelling E obj
    1. de asferische lens E obj ter een translationeel montering met drie translationeel vrijheidsgraden. Centrum E obj op de laser en de hoogte van E obj hetzelfde als het centrum van het monster instellen.
    2. Instellen in een Witboek scherm achter het monster langs de excitatie-pad. Een IR-viewer gebruiken voor het observeren van een heldere vlek op het papier als gevolg van het passeren door het monster laserlicht.
      3. Afbeelding van de
    3. Schuif E obj naar het monster langzaam tot een duidelijke silhouet van het monster kan worden gezien op het papier. Pas de hoogte en laterale positie van E obj naar het midden van het silhouet in het midden van het lichtpunt.
    4. Houden glijdend E obj naar het monster langzaam, en het silhouet beeld op het scherm ervaringen een vergroting. Ondertussen, de laterale positie van E obj (links/rechts) te compenseren de horizontale verschuiving van de silhouet-afbeelding aanpassen.
      Opmerking: Tijdens de langzame beweging van E obj aan het monster, diffractie marge zal beginnen te verschijnen op een bepaald punt. Dit biedt een nieuwe referentie om de gerichte plek op de bovenlaag van het monster.
    5. Houden E obj naar het monster langzaam glijden. Op elke locatie van E obj, shift E obj links/rechts vergroten de marge afstand totdat er slechts één rand zichtbaar is op zoek naar marge op het scherm is.
      Opmerking: Er worden twee groepen van marge, een links en een rechts van het monster oppervlak.
    6. Zoek schuif E obj Eobj op een positie die het aantal franjes zichtbaar minimaliseert.
  3. Uitlijning van lenzen telescoop E1 en E2
    1. lenzen E1 en E2 invoegen met het pad van de excitatie gecentreerd op de laserstraal. Positie E2 van E obj gescheiden door de som van hun brandpuntsafstanden. Instellen van de scheiding tussen E1 en E2 aan de som van hun brandpuntsafstanden, bijvoorbeeld, f 1 + f 2 = 150 mm.
    2. observeren het silhouet en diffractie patroon op het papier met een IR-viewer. Aanpassen van de hoogte van E1 naar het midden van het silhouet in het midden van de heldere laser verlichting plek.
    3. Slide E2 richting van of weg van E1 terwijl het aanpassen van de laterale positie van de E1. Veilige E1 en E2 op posities dat beide groepen fringe verdwijnen of een minimum aantal franjes weergeven in de weergave.
    4. plaatst u een verticaal georiënteerd polarisator POL voordat E1 en centreren op de excitatie-beam.
      Opmerking: sommige polarisatoren hebben een de hoek van de lichte wig, in dat geval de excitatie-bundel een hoekafwijking beleeft. E1 en E2 gebruiken ter compensatie van deze afwijking.

3. Uitlijning van fotoluminescentie collectie pad

Opmerking: de prestaties van de imaging systeem gebouwd in het pad van de collectie wordt meestal bepaald door de nauwkeurigheid van de positionering van L obj vanwege haar korte brandpuntsafstand ( f obj = 10 mm, NB = 0,55). Twee algemene stappen betrokken zijn bij de aanpassing van L obj: grof uitlijning met behulp van een HeNe laser, en prima tweaken met behulp van het hulplicht en de bulk exciton emissie van GaAs. Deze uitlijning stappen zijn uitgevoerd met het monster bij kamertemperatuur.

  1. Aanpassing van de bovenstaande band-gap (HeNe) excitatie pad en installatie van de camera:
    1. een bovenstaande band-gap laserstraal (HeNe) koppel in een enkelvoudige modus vezel.
    2. Direct van de lichtbundel van de uitvoer van de vezel collimator FC1 naar de steekproef via een spiegel M3.
      3. De plek van de
    3. tilt FC1 horizontaal wilt centreren van de laser op het monster ongeveer 1 mm van de rand gekloofd vandaan. Kantelen M3 horizontaal om te verschuiven van de rug reflectie van de laserstraal te zijn net boven of onder de invallende lichtbundel. Herhaal dit proces meerdere malen tot het voldoen aan beide criteria.
    4. Tilt FC1 en M3 verticaal naar het niveau van de HeNe bundel met betrekking tot de optische tabel en houd het gericht op het monster.
    5. De IR-viewer gebruiken voor het vinden van zowel de resonant laser en de HeNe laser plekken op het monster. Controleer of het midden van de HeNe laser spot op dezelfde hoogte als de resonant laser spot is. Zo niet, gebruik FC1 en M3 aan de lichtbundel-hoogtes terwijl de HeNe-balk met de tabel niveau.
    6. Worden de niet-polariserende balk splitter kubus (90:10), NPBS, invoegen op het pad van de HeNe. Centreren van de kubus in de invallende lichtbundel van de HeNe.
    7. Vinden twee balken op de balk splitter output naar het pad van de collectie, één van de reflectie van het monster, en ene interne reflectie in de kubus.
    8. Draaien de kubus door een kleine hoek (~ 5 graden), zodat de twee balken kunnen eenvoudig worden gescheiden bij de uitgang. Het licht weerspiegeld vandoor naar de oppervlakte van het monster kan worden gebruikt als een ruwe gids voor de camera uitlijnen.
      Opmerking: De richting van de intern weerkaatste lichtbundel zal niet veranderen wanneer de kubus om de verticale as wordt gedraaid.
    9. Niveau de kubus ten opzichte van het optische tabbladLe doordat de lichtbundel van de HeNe overeenkomt met de interne reflectie binnen de kubus is op dezelfde hoogte als de binnenkomende lichtbundel.
    10. Put een IR-gevoelige camera in het pad van de rug weerspiegeld HeNe lichtbundel. Gebruik een buis lens L cam met een brandpuntsafstand van 200 mm de voorbeeldafbeelding op de camera richten.
      Opmerking: Een huis-gebouwde buis systeem wordt gebruikt naar het huis van de lens L cam, zoals weergegeven in Figuur 1, die worden gedetecteerd door de camera van verdwaalde kamer licht verhindert.
    11. Instellen een 800 nm long pass filter, F1, voor L cam uitfilteren van de HeNe licht, waarmee de waarneming van PL uit het monster met de camera.
  2. Installatie en optimalisatie van de positie van lens L obj
    1. zetten de asferische lens L obj in een translationeel montering met drie translationeel vrijheidsgraden. L obj op de HeNe laser centrum en stelt u de scheiding van het monster de brandpuntsafstand, f obj = 10 mm.
    2. Set lens koppelen L1 en L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) met behulp van een X-Y translationeel mount waarbij één zijde wordt vastgesteld en de andere kant roerende in het laterale vlak gecontroleerd door micrometers.
      Opmerking: Lens L2 gaat in de roerende kant van de berg. L1 is gehouden door de buis van een lens en gekoppeld aan de vaste zijde van de berg. De buis systeem biedt de vrijheid om de afstand tussen de twee lenzen door schroeven in/uit de buis van de lens holding L1 langs de optische as.
    3. Stelt u de afstand tussen de twee lenzen zijn 100 mm. Set L2-in het midden van de berg door aanpassing van de micrometers.
    4. Wordt de L1 en L2 lens combo invoegen door het pad van de HeNe tussen NPBS en de cryostaat. Stel de afstand tussen L1 en L obj als f obj + f 1. L1 en L2-centrum op het incident HeNe licht.
    5. Invoegen het hulplicht en pellicle in de collectie-pad, zoals afgebeeld in Figuur 1. Stel de afstand tussen lens K4 en L2 om de som van hun brandpuntsafstanden.
    6. Center van de lichtbundel van de verlichting op L2-door het aanpassen van de hoek van het hulplicht.
    7. De hoek van de pellicle naar de achterkant weerspiegeld verlichting licht zichtbaar in het camera beeld aan de PL plek veroorzaakt door HeNe excitatie center aanpassen.
      Opmerking: Met het oog op de aanpassing, kunt een sluiten het diafragma veld om te zoeken van het centrum van de verlichte ruimte.
    8. Met behulp van alleen de illuminator licht, vinden een oppervlakte defect of stof op het monster door te kijken naar de camera. Zoeken van andere delen van het monster zo nodig door het bewegen van L2 lateraal.
    9. Tik iets op L obj in/out langs de optische as om de rand van het defect of de stof scherpste.
    10. Shift L2 terug naar het midden van de vatting.
    11. Weergave de HeNe-opgewonden PL ter plaatse op de camera, en L obj horizontaal verplaatsen, zodat de PL-spot 1-2 mm van de gekloofd rand van het monster is.
      Opmerking: Voor een afstand van minder dan 1 mm, de verstrooiing van de laser van de gekloofd rand van het monster zou worden verzameld door de doelstelling L obj. Terwijl voor een afstand te ver van het gekloofd gezicht, de excitatie lichtbundel kunt ervaren demping vóór het bereiken van de QD, waardoor de beschikbare maximale excitatie-stroom.
    12. Shift L2 horizontaal tot de gekloofd rand van het monster wordt weergegeven op de camera onder verlichting.
    13. Langzaam shift L obj verticaal op zoek naar een plek op de gekloofd rand van het monster, die wordt veroorzaakt door de verstrooiing van de lichtbundel resonant excitatie het gekloofd gezicht van het monster heldere laser.
    14. De plek van de PL veroorzaakt door HeNe excitatie aan de heldere laser ter plaatse op de gekloofd rand van het monster niveau.
  3. Herschikking van de HeNe excitatie pad met betrekking tot de nieuwe locatie van L obj .
    Nota: Om scanbare gebied te maximaliseren en minimaliseren vignettering, is het noodzakelijk de excitatie-optica en de excitatie-bundel met betrekking tot de locatie van L obj opnieuw gecentreerd.
    1. Verwijderen L1 en L2. Centrum de excitatie lichtbundel op L obj waarbij de lichtbundel in de oppervlakte normale richting van het monster is.
    2. Center L2 op de berg. Centreren zowel L1 en L2 op de excitatie van de invallende lichtbundel. Stel de afstand tussen L1 en L obj de som van de twee brandpunten, dat wil zeggen, f 1 + f obj.
    3. Verplaatsen L cam zodanig dat het is gecentreerd op gereflecteerde HeNe beam. Verplaatsen van de camera zodanig dat de HeNe opgewonden PL (gebruik een long pass filter) op de afbeelding wordt gecentreerd.
    4. Aanpassen van de hoek van het hulplicht en de pellicle naar het midden van de verlichting licht op L2 en de PL plek veroorzaakt door HeNe excitatie.
  4. Uitlijning van spiegels M1 en M2.
    Opmerking: Een laser gericht achteruit door de spectrometer zal vergemakkelijken uitlijning.
    1. PL monitor de HeNe-opgewonden van het monster op de camera. Centreren van een iris (Iris A) op de PL tussen de pellicle en de M1.
    2. Center lens L spec op de omgekeerde straal en plaatst u deze een brandpuntsafstand f spec uit de buurt van de gleuf van de ingang van de spectrometer.
    3. De omgekeerde straal van de spectrometer doorgeeft aan het monster weerspiegelt off van de twee mirrors, M1 en M2.
    4. Instellen op een andere iris (Iris B) tussen M2 en L spec en midden op de omgekeerde straal.
    5. Sturen naar het midden van het omgekeerde M2 beam op Iris A. sturen M1 naar het midden van de PL op Iris B. Repeat dit proces meerdere malen totdat beide criteria is voldaan.
    6. Het midden van de gleuf (30 μm breedte) van de ingang van de spectrometer liggen op de CCD zoeken door de diffractie van de nul-volgorde van de kamer licht controle.
    7. Open de gleuf van de ingang van de spectrometer. Met behulp van een 800 nm lange pass filter, de PL uit het monster onder HeNe excitatie kan worden waargenomen op de CCD.
    8. Sturen naar center deze plek bij de ingang van de gleuf van de spectrometer liggen en op de middelste hoogte voor de CCD, en sturen van M2 naar het midden van de omgekeerde straal op Iris A. herhalen dit proces meerdere malen totdat beide criteria met. zijn M1
    9. Aanpassing van lens paar L3 en L4: positie L3 in het PL collectie pad op een locatie die is f 2 + f 3 weg van de lens L2. Plaats L4 naar het pad van de collectie van L3 gescheiden door de som van hun brandpuntsafstanden, f 3 + f 4. Pas de laterale positie van L4 naar centrum de PL plek op de CCD.

4. Overlappen van de PL collectie pad ten opzichte van het pad excitatie Resonant

  1. koel neer aan 4.2 K. monster Met de excitatie van boven-band, de spectrometer te gebruiken voor het lokaliseren van de golflengte van de emissie van de bevochtiging laag (meestal ongeveer 880 nm).
  2. Een 800 nm long pass filter ingesteld F1 voor L cam de HeNe licht blokkeren. Met de hulp van het verhelderend licht, L2 horizontaal als u wilt zoeken de gekloofd rand van monster op de camera te verschuiven.
  3. De kant excitatie golflengte te zijn resonant met de bevochtiging laag instellen Zoek een heldere verstrooiing plek aan de gekloofd rand van het monster op de camera.
  4. Let op een " streep patroon " van fotoluminescentie op de camera door het aanpassen van de laterale positie van de E1. De intensiteit van de streak te maximaliseren door het verschuiven van E1 lateraal.
    Opmerking: De " streep " de bevochtiging laag uitstoot, wat inhoudt dat de excitatie-bundel is gekoppeld in de waveguide van het monster.
  5. Aanpassen E1 verticaal te verplaatsen van de streak naar overlappen met de PL plek veroorzaakt door de HeNe excitatie.
  6. De intensiteit van de bevochtiging laag PL. aanpassen E2 opnemen in één richting, dan opnieuw optimaliseren de positie van E1; opnieuw opnemen van de intensiteit van de PL en vergeleken met de eerdere waarde.
  7. Als de intensiteit is toegenomen, herhaalt u de aanpassing van de E2 in dezelfde richting. Als de intensiteit is afgenomen, dan omkeren de aanpassing van E2. Herhaal deze procedure om te zoeken naar de optimale posities voor zowel de E1 als de E2.

5. Resonant excitatie van een enkele Quantum Dot

< p class = "jove_content"> Opmerking: Er zijn twee mogelijke benaderingen te realiseren resonant excitatie van een enkele QD: (1) stem af de excitatie-frequentie van de laser aan een specifieke QD resonantie; of (2) de frequentie van de laser scan over de energieën van de resonantie van de QD ensemble tot resonantie fluorescentie van een enkele QD wordt waargenomen.

  1. Methode (1) - gerichte excitatie:
    1. Stel de spectrometer om te controleren de diffractie van de eerste orde in het midden van de golflengte van de emissie van de QD ensemble onder boven band-gap excitatie. Open de gleuf van de ingang van de spectrometer.
    2. Pas de kracht van de boven-band excitatie totdat een gloeiende achtergrond als gevolg van excitatie van de staart van het continuüm van de bevochtiging laag Staten verschijnt. Sluit de ingang gleuf aan 30 μm.
    3. Shift L2 lateraal te vinden van een geschikte QD - bijvoorbeeld de helderste een in het oog. Opnemen van de golflengte van de QD λ QD zoals gemeten door de spectrometer.
    4. Afstemmen op de golflengte van de laser van de resonerende excitatie als dezelfde waarde als λ QD.
      Opmerking: Vaak de spectrometer kunt oprapen het zwakke signaal van de verstrooiing van de laser van de resonerende excitatie van de optica. Zo niet, direct een split-korting van de lichtbundel van excitatie in de spectrometer.
    5. Maximaliseren de QD ' s PL intensiteit op op de CCD door fijnafstemming van de frequentie van de laser van excitatie.
      Opmerking: Voor sommige QDs, een kleine hoeveelheid HeNe licht is nodig om het toestaan van de QD als resoneert opgewonden 10 , 31 , 32. De vereiste HeNe laser macht is meestal zo laag - een paar honderd nanowatts - die geen fluorescentie uitsluitend door deze HeNe lichtbundel veroorzaakt kan worden gedetecteerd door de CCD.
      6. De PL-intensiteit van de QD maximaliseren
    6. door het aanpassen van de hoogte en de zijligging van lens E1 en de axiale positie van lens E2. Samen optimaliseren de posities van lenzen E1 en E2 te maximaliseren van de intensiteit van de fluorescentie van de resonantie van de QD.
  2. Methode (2) - spectrale zoeken:
    1. Stel de spectrometer om te controleren de diffractie van de eerste orde in het midden van de golflengte van de emissie van de QD-ensemble. Open de gleuf van de ingang van de spectrometer.
      2. De frequentie van de excitatie-laser tune
    2. over het energiebereik van de QD-ensemble. Een resoneert opgewonden QD verschijnt op de CCD als een stip omgeven door paar luchtige ringen. Kies een QD dat is helder.
    3. PL hevigheid maximaliseren door fijnafstemming de golflengte van de laser van excitatie.
    4. Maximaliseren de PL-intensiteit van de stip door de hoogte aan te passen en de laterale positie van E1and de axiale positie van lens E2. Samen optimaliseren de posities van lenzen E1 en E2 te maximaliseren van de intensiteit van de fluorescentie van de resonantie van de QD.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Figuur 1 toont een bepaalde realisatie van de nodige apparatuur om te verwezenlijken resonant excitatie van een enkele quantum dot. Andere realisaties zijn mogelijk, maar de kritieke onderdelen zijn: een excitatie pad naar paar aan de waveguide; een collectie pad naar fluorescentie begeleiden naar detectoren; een pad van de confocal excitatie te winden langs het pad van de collectie; en een pad van de verlichting om beeldvorming van het monster oppervlak.

...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De kritische stappen in het protocol zijn: de mode-matching en de uitlijning van de excitatie lichtbundel naar de waveguide-modus; en juiste uitlijning en het concentreren van de collectie optica. De moeilijkste onderdelen van deze stappen zijn de aanvankelijke uitlijning; het optimaliseren van de koppeling van een reeds uitgelijnde installatie is relatief eenvoudig. Overlappende gebieden van de collectie en excitatie is een stap die is eenvoudig met de mogelijkheid om het beeld van het monster op de camera, maar is zeer...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

De auteurs wil erkennen Glenn S. Solomon voor het verstrekken van het monster. Dit werk werd gesteund door de National Science Foundation (DMR-1452840).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Tunable external cavity diode laserToptica PhotonicsDL-Pro
Closed-cycle cryostatMontana InstrumentsCryostation
Spectrometer, 750 mm focal lengthPrinceton InstrumentsSpectraPro 2750
Thermoelectrically cooled charge-coupled devicePrinceton InstrumentsPixis 100BR-eXcelon
HeNe laserJDSU1125P
Infraroodgevoelige cameraSonyNEX-5TLIR-blokkerende filter verwijderd
Vermogenmeter en detectorNewport1918-C, 918D-IR-OD3
Aanpasbare asferische vezelcollimatorThorlabsCFC-8X-A
Air-Spaced Doublet CollimatorThorlabsF810APC-842
Beschermde zilveren spiegels x 5ThorlabsPF10-03-P01
Flip-montages x 2ThorlabsFM90
Asferische condenserlens, f = 20 mm; K1ThorlabsACL2520-B
Best form sferische lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2ThorlabsLBF254-050-B
Best form sferische lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4ThorlabsLBF254-100-B
Best form sferische lens, f = 200 mm; Lspec, LcamThorlabsLBF254-200-B
Plano-convex lens, f = 400 mm; L3ThorlabsLA1172-B
Gegoten glazen asferische lens, f = 8 mm; EobjThorlabsC240TME-B
Precisie asfeer, f = 10 mm; LobjThorlabsAL1210-B
Longpass filters, 800 nm, x2ThorlabsFEL0800
Non-polariserende beam splitter cube (NPBS)ThorlabsBS029
Pellicle beam splitterThorlabsBP108
PolarizerThorlabsLPNIRE100-B
Lichtemitterende diode, 940 nmThorlabsM940D2

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Resonante excitatiefluorescentiedetectiecapillaire telescoopcryostaatuitlijningspectrometerdetectiepolarisatiecontrole

Gerelateerde artikelen