Резонансной флюоресценции InGaAs Квантовая точка в плоские полости с использованием ортогональных возбуждения и обнаружения

Общей целью данного протокола является достижение резонансного возбуждения квантовой точки и одновременного детектирования флуоресценции с использованием ортогональных режимов возбуждения и детектирования. Реализация резонансного возбуждения с помощью флуоресцентного детектирования имеет важное значение для изучения взаимодействий световой материи в низкоразмерных наноструктурах и была использована для иллюстрации квантовых оптических эффектов, таких как состояния одежды. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он использует ортогональность между модами возбуждения и детектирования для минимизации сбора лазерного рассеяния, что сохраняет поляризацию флуоресценции.

Этот метод применим для основанных на квантовых точках источников крайне неразличимых одиночных фотонов, а также для когерентного контроля и измерения спинов электронов в квантовых точках. Установите элементы эксперимента на оптическую скамью. Криостат для хранения образца находится в центре эксперимента.

Оптические элементы направляют и фокусируют выходной сигнал трех источников света. На этой схеме представлен обзор конфигурации. Опять же, образец, хранящийся в криостате, находится в центре.

Одним из источников света является диодный лазер с внешним резонатором, используемый для резонансного возбуждения. Другой — гелий-неоновый лазер, используемый для возбуждения над изгибом. Также есть светодиод для подсветки.

Лазерный луч резонансного возбуждения проходит через поляризатор и поступает через одно окно криостата. Линзы E1 и E2 образуют капилляров телескоп. E1 находится на двухкоординатном столике, что позволяет смещать точку возбуждения в сторону.

E2 находится в корпусе зума, что позволяет варьировать глубину резкости. Свет от источника освещения и гелий-неонового лазера попадает в другое окно криостата. Внутри образца свет взаимодействует с квантовыми точками на основе арсенида индия-галлия, встроенными между двумя распределенными брэгговскими отражателями.

Расщепленная поверхность образца подвергается воздействию лазера резонансного возбуждения. Фотолюминесценция от квантовой точки распространяется обратно по оптическому пути гелий-неонового лазера. Он проходит через второй капилляров телескоп с конструкцией, аналогичной первому, но с кратным увеличением.

Камера находится в положении, позволяющем улавливать свет от образца, чтобы облегчить юстировку. Спектрометр предназначен для сбора фотолюминесценции из образца для интенсивного и спектрального анализа. Положение откидного зеркала M1 определяет, на что направляется свет: на камеру или на спектрометр.

Первым делом необходимо подготовить образец для проведения эксперимента. Экспериментальные образцы откалываются от более крупного образца, выращенного с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. В дополнение к образцу имейте наготове медную пластину для образца, теплопроводящую краску, алмазный писец и пинцет с плоским концом.

Подойдите к образцу с помощью алмазного писца. Используйте его, чтобы сделать небольшую царапину на краю верхней поверхности образца. Затем с помощью пинцета удерживайте образец с каждой стороны царапины и приложите вращающий момент наружу.

Переместите расколотый образец на медную пластину для образца и прикрепите его теплопроводящей краской. Затем отнесите медную пластину с образцом к криостату, чтобы установить ее. Убедитесь, что образец правильно ориентирован для проведения эксперимента.

Следующим этапом является установка асферической линзы объектива в криостат. Этот объектив закреплен в поступательном креплении с тремя степенями свободы. Он находится в пути резонансного возбуждения лазера и фокусирует свет на расщепленном конце образца.

В начале объектив должен находиться на расстоянии более одного фокусного расстояния от образца. Установив линзу в криостат, включите возбуждающий лазер и центрируйте линзу по нему. Высота линзы должна быть такой же, как и высота центра образца.

Затем установите экран из белой бумаги на лазерной траектории позади образца и наблюдайте за экраном с помощью инфракрасного просмотрщика. Должно быть яркое пятно из-за света, проходящего через образец. Медленно переместите линзу к образцу.

Наблюдайте за экраном через средство просмотра и остановитесь, когда появится четкое силуэтное изображение образца. Отрегулируйте положение линзы, чтобы центрировать силуэт в центре яркого пятна. Продолжайте медленно перемещать линзу к образцу.

Изображение силуэта на экране будет увеличиваться и может смещаться по горизонтали. Продолжайте регулировать линзу так, чтобы центрировать изображение, и увеличивайте его, пока не станут видны интерференционные полосы. Медленно перемещайте линзу дальше к образцу.

В каждой позиции глубины следите за полосами, перемещая объектив влево и вправо. Переместите линзу в положение, которое максимизирует расстояние между двумя группами бахромы, и закрепите ее. Затем отрегулируйте боковое положение линзы, чтобы свести к минимуму полосы на бумажном экране.

Далее отрегулируйте капилляров телескоп на пути возбуждения. Две линзы должны быть центрированы на резонансном возбуждающем лазерном луче. Обратившись к схеме, расположите линзу E2 так, чтобы она и асферическая линза были разделены на сумму их фокусных расстояний.

Кроме того, установите расстояние между E1 и E2 как сумму их фокусных расстояний. Используйте инфракрасное средство просмотра для наблюдения за дифракционной картиной на бумажном экране во время регулировки высоты линзы E1. Цель состоит в том, чтобы снова наблюдать за интерференционными полосами. Двигайте E2 вперед и назад, наблюдая за бахромой, скользя E1 влево и вправо.

Поместите E2 в положение, где группы краев находятся дальше всего друг от друга. Наконец, отрегулируйте линзу E1 в боковом направлении, чтобы бахрома исчезла или была сведена к минимуму. Снимите экран и продолжайте размещать и юстировать оставшиеся оптические элементы.

Охладите образец до 4,2 Кельвина и подготовьте к спектрометрии. Аппарат должен быть сконфигурирован так, как показано на данной схеме. Возбудите образец гелий-неоновым лазером и направьте фотолюминесценцию от образца к спектрометру.

Исходя из полученного измеренного спектра излучения, определите пик излучения между 860 и 900 нанометрами. Это соответствует эмиссии из смачивающего слоя. Для следующего измерения измените конфигурацию для использования камеры.

Используйте длинночастотный фильтр перед камерой, чтобы блокировать гелиевый неоновый свет. Также включите подсветку. Сместите объектив L2 в сторону во время просмотра изображения с камеры.

Образец изображения будет панорамироваться за счет движения объектива. Остановитесь после обнаружения расколотого края образца. Теперь включите лазер резонансного возбуждения с длиной волны, равной резонансной со смачивающим слоем.

На камере определите яркое пятно рассеяния на расщепленном крае образца. Далее отрегулируйте горизонтальное положение E1. Цель состоит в том, чтобы наблюдать полосу фотолюминесценции на камере и максимизировать ее интенсивность. Затем переместите E1 вертикально, чтобы перекрыть полосу с пятном фотолюминесценции, вызванным возбуждением гелиевого неона.

Контролируйте и записывайте интенсивность фотолюминесценции. Систематически регулируйте линзы E1 и E2, чтобы максимизировать интенсивность. Измените конфигурацию обратно, чтобы использовать спектрометр.

Настройте его на мониторинг дифракции первого порядка в центре длины волны излучения ансамбля квантовых точек. Далее переходим к возбуждению лазера. Настройте его частоту по всему энергетическому диапазону ансамбля квантовых точек.

Наблюдайте за излучаемой фотолюминесценцией с помощью ПЗС-камеры, прикрепленной к спектрометру. Резонансно возбужденная квантовая точка будет выглядеть как диск, окруженный кольцами, известными как площадная структура. Выберите яркую квантовую точку для работы.

Максимизируйте интенсивность фотолюминесценции точки за счет точной настройки длины волны лазера резонансного возбуждения. Совместно отрегулируйте E1 в горизонтальном направлении и E2 в осевом направлении для достижения максимальной интенсивности. Эта серия изображений получена с нейтральной квантовой точки при различных отстройках, как указано гигагерцами в верхней части каждого изображения.

Для сравнения, этот ряд из заряженной квантовой точки при разных расстройках, также указанных в верхней части изображений. Заряженное состояние не может быть определено только с помощью спектра. Использование изображений с нейтральными квантовыми точками и интегрирование интенсивности в радиусе четырех пикселей от центра изображения дает спектр.

Этот спектр является результатом аналогичной процедуры с изображениями заряженных квантовых точек и радиусом в шесть пикселей. Оранжевые точки обозначают нормированную интенсивность возбуждения резонансной фотолюминесценции. Синие квадраты — это данные из соответствующего набора изображений.

Эти изображения получены от восьми различных квантовых точек с разными резонансными длинами волн, которые монотонно увеличиваются слева направо. Узор диска с центральной площадью и окружающими кольцами является типичным изображением квантовой точки. Радиусы колец и диска изменяются из-за взаимозависимости длин волн и углов излучения резонаторных мод

Как правило, люди, плохо знакомые с этим методом, будут испытывать трудности с попаданием лазерного света в волнововод образца, потому что юстировка очень чувствительна, а затратная часть должна выполняться при комнатной температуре. После того, как экспериментальные компоненты подготовлены, юстировка может быть выполнена за пару часов, если она выполнена правильно. При попытке выполнить эту процедуру важно контролировать интерференционные полосы, чтобы правильно расположить лазеры возбуждения, а высокое качество визуализации поверхности образца имеет решающее значение для выравнивания путей возбуждения и обнаружения.

После этой процедуры тракт детектирования может быть изменен для включения дополнительных элементов, таких как поляризационный анализатор или перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо. Этот метод проложил путь исследователям в области твердотельной квантовой оптики к изучению резонансных явлений в нулевых размерных структурах, таких как квантовые точки. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как добиться резонансного возбуждения квантовой точки и одновременного детектирования флуоресценции с помощью ортогональных режимов возбуждения и детектирования.