Summary
単一自己形成量子ドットの共鳴励起は、励起蛍光コレクション モードに直交モードを使用できます。光導波路と量子ドットを囲む平面微小共振器のファブリ ・ モードを使用して、メソッドを紹介します。メソッドは、検出偏光で完全な自由をことができます。
Abstract
同時共鳴励起、蛍光検出を実行する能力は、量子ドット (Qd) の量子光学計測用が重要です。共鳴励起蛍光検出-たとえば、差動伝送測定-なし発光システムのいくつかのプロパティを確認することができますが、アプリケーションまたは放出される光子を用いた測定はできません。たとえば、光子相関測定、Mollow トリプレットの観察、すべて単一光子源の実現、蛍光のコレクションが必要です。インコヒーレント励起-たとえば、上記バンド ギャップ励起-蛍光検出を使用して、単一光子源を作成できます、加振による環境の乱れは、光子の識別不能性を低減します。単一光子源量子ドットに基づく高い光子識別不能性に共鳴励起にしなければならないし、光子の同時コレクションを確認する必要がありますそれらを使用します。サンプルの表面の法線方向に沿って蛍光を収集しながらサンプルの切断面からこの空洞に励起光を結合することによって平面共振器に埋め込まれた単一量子ドットの共鳴励起する方法を紹介します。共振器の導波管モードを励起光を慎重に一致する、励起光は、キャビティにカップルし、量子ドットと対話できます。散乱の光子は、キャビティ表面の法線方向のエスケープのファブリ ・ モードに結合できます。このメソッドにより、検出偏光の完全な自由が、励起分極励起光の伝搬方向によって制限されています。ぬれ層からの蛍光は励起光に対するコレクションのパスを整列するためのガイドを提供します。励起と検出モードの直交性が無視できるレーザー散乱背景を持つ単一量子ドットの共鳴励起を可能にします。
Introduction
共鳴励起蛍光検出と組み合わせて単一量子エミッタは強力な励起散乱から弱い蛍光スペクトルを差別できないのため主に長期的な実験課題だったこの難易度では、ただし、正常にで克服されている過去 10 年間で 2 つの異なるアプローチ: 暗視野共励振による偏波識別1,2,3,4 、5、および直交励起検出に基づく空間モード差別6,7,8,9,10、11、 12,13,14。両方のアプローチの大幅レーザー散乱を抑制する強力な能力し、スピン光子エンタングルメント5,15,の観測などの様々 な実験でこのように広く採用されて16、服を着た状態2,7,12,17,18,19,20,21のデモ,22,23,24,25,26日と限られたスピン3,27,28,29,30のコヒーレント操作。どちらのアプローチは、すべての状況に普遍的に適用できます。それぞれはいくつかの特定の条件に限定されます。暗視野法では、光子励起レーザー散乱抑制の自由度偏波を採用しています。このテクニックには、いくつかの利点があります。たとえば、共焦点のみの実装を可能にする明確に定義された導波管モードの要件はありません。共焦点の実装は円偏波励振および高い励起強度の結果として量子エミッタに励起光の可能性がより緊密なフォーカスをことができます。ただし、この偏波選択メソッドは励起分極に直交するように検出偏光を制限し、蛍光の偏光特性の完全な評価を防止すること。比較では、空間モード差別はレーザー散乱4を抑制するための励起と検出ビームの伝搬モードの間直交性を用いた偏波検出の完全な自由を保持します。この手法の制約がサンプルの導波路構造の直交検出モード励振モードを提供する必要性とビームの伝搬方向に対して垂直に励起分極の制限.
ここでは、共鳴蛍光実験用無料スペース ベース直交励起検出設定を構成するプロトコルを示す.6空洞に光を連結する光ファイバーを用いて空間モード判別に関する先駆的な仕事と比較して、このプロトコル, 自由空間におけるソリューションを提供します、どちらかサンプルをマウントする動的コンポーネントを必要としないまたはクライオスタットの繊維。励起光の検出パス方向の微調整は、一重項の非球面レンズは、クリオスタットの冷たい領域内の目的を中心として、クライオスタット、外部光学系によって操作されます。共鳴励起と単一量子ドットからの蛍光性の検出を達成する過程でキー配置手順の代表的な画像を提供します。
このデモで使用するサンプルは、分子線エピタキシー (MBE 法) により栽培されています。InGaAs 量子ドット (Qd) は、図 1のサンプルのビューでズームで示すように、2 つ分布ブラッグ反射鏡 (Dbr) によって囲まれている GaAs スペーサーに埋め込まれます。Dbr 領域間 GaAs のスペーサーは、励起光が全反射によって限られている、導波管として機能します。Dbr 領域は、試料面にほぼ垂直な wavevectors 用高反射率ミラーとしても使用。これを形成する量子ドットの蛍光を発光するときカップル ファブリ ・ モード。ファブリ ・ ペロー モードは整数である GaAs スペーサーが必要です、量子ドットの発光波長 λ と共鳴する必要があります λ/n、n は GaAs の屈折の倍数。このデモでは、GaAs のスペーサーの厚さは 4λ/n に選ばれた、入射励起光の回折限界のスポット サイズ近くなるように、約 1 μ m であります。狭いスペーサー低結合効率励起光の導波管モードになります。
実験装置は図 1に示します。開口数 NA で非球面単レンズ目的 Eobj結合効率を最大化する = 0.5 とサンプルの劈開面に励起光を集中する 8 mm の焦点距離を選択。励起パスでケプラー式望遠鏡 (レンズのペアの E1 と E2 で構成) の機能は 2 倍: 励起光は良いモード一致 (導波管をしっかりと焦点を当てて、励起電子の目的objの開口部を入力する (1)この実現平行ビーム径が 2.5 mm)、(2) 3 サンプルの劈開面に励起光の焦点を操縦する自由度を提供します。レンズ E1 は、劈開サンプル面の平面で自由に励起スポットをシフトする自由の 2 つの学位を提供する X と Y の並進マウントにマウントされています。レンズの E2 は、非回転ズームのサンプルで焦点の深さを選択する自由を提供する住宅にマウントされます。これらの 3 自由度サンプル自体の動きを必要とせず単一量子ドットの共鳴励起を最適化すること。
蛍光コレクションのパス同じようなレンズ構成 (LobjL1 と L2) を使用して、サンプルの異なった部分からの蛍光性の検出を許可します。サンプルからの光がフォーカスされてか赤外線高感度カメラ (Lカム) に 2 つの管のレンズの 1 つまたは分光計 (L仕様) の入口スリット。L1 の z 軸方向の動きが、イメージの焦点を調整し、L2 の側面翻訳、サンプルの平面全体をスキャンする画像します。L1 と L2 の焦点距離の長さが等しいので、倍率は統一です。これは、ケラレが発生する前に、L2 を翻訳できる範囲を最大限に実行されます。
配置とを QD の場所を容易にするには、ケーラー照明に基づいて家造られた照明は、図 1に示すように、セットアップに組み込まれます。ケーラー照明の目的のサンプルに均一な照明を提供し、ことを確認することです i照明光源の魔道士はサンプル画像で表示されません。照明とコレクションのパスの両方のレンズ構成はサンプルと光源の共役像面を別々 に慎重に設計されています。コレクションのパスにすべてのレンズはその焦点距離の合計で隣国から区切られます。これにより、どこにサンプル画像は、フォーカス--カメラのセンサーで光源の像は完全にデフォーカスのよう。同様に、光源の像がフォーカス--対物レンズの後焦点面でサンプル画像が完全に多重のよう。光源は、発光ダイオード (LED) ・ 940 商業発光 nm。絞り、照度の調整が可能、フィールド ダイヤフラムは明るくしてビューのフィールドを決定します。均一な照明を実現するキーはの間の距離を設定するのには、レンズの 2 つのレンズの焦点距離の長さの合計に K4 と L2 とする L の開口部を確保するため、objが照明によって詰めすぎていません。このプロトコルでは、照明はまた Lobjとサンプル間距離を最適化するために使用されます。
目的 Lobjとチューブ レンズのどちらかは、カメラや分光計で 20 倍の倍率を提供します。Lobjと L仕様のレンズのペア L3 と L4 は、電荷結合素子 (CCD) の分光計のイメージに余分な 4 倍を提供する別のケプラー式望遠鏡を形成します。L3 と L4 の結果の合計倍率 80 x は、空間的近くドット L3 と L4 から蛍光を区別する必要があるため、表示倍率の切り替えを容易にするマウントを反転にマウントされているレンズの 20 倍の倍率。サンプルのビューの大きなフィールドを提供します。
光導波路を介して励起光のパスを持つコレクションのパスのビューのフィールドが重複する湿潤層量子ドットの連続体から排出が便利です。上記のバンド ギャップ励起下でサンプルの発光スペクトルを測定することによって濡れ層の発光波長を決定できます。サンプルでは、約 880 で発生しますぬれ層排出 4.2 K で nm880 でcwレーザを結合することによってサンプルの導波路に nm、1 つは付属のビデオで示されているぬれ層から PL によって形成されるストリーク パターンを観察できます。ストリーク カメラは、導波路に結合されて励起光の伝搬経路を明らかにします。配置を簡単に試料の表面のイメージを機能と組み合わせてこの連勝の存在。
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Protocol
注意: に配置中のレーザー光散乱の可能な危険にご注意ください。保護のための適切な安全ゴーグルを着用します。配置プロセスを容易にする、赤外線ビューアー (IR ビューアー) が必要です。赤外線に敏感な蛍光カードも役立ちますが、必須ではありません
。1 です。 サンプル準備
- 使用ダイヤモンド スクライブを劈開の目的の場所でサンプルの上面の端に非常に小さい傷を作る。スクラッチの両側にサンプルを保持するためにピンセットのフラット エンドの 2 つのペアを使用します。ピンセットで内向きに回転トルクを適用し、サンプルが切断されます
。 注: 長い傷は切断、促進するために必要なそれは可能性が高い光結合は不可能導波路層を介してカットします。劈開面が表面に任意のタッチは導波管の顔を傷つける恐れが十分に繊細 。
- は、熱伝導性銀塗料または銀エポキシを使用して銅のサンプル プレートに劈開サンプル作品を添付します
。 注: 劈開面が揃うように取付板のエッジ励起レーザー、干渉されることがなくサンプルの顔にヒットするようにします 。
- クリオスタットで銅板をマウントし、劈開面と試料表面が光学クライオスタット windows からアクセスできるようにします 。
2。共鳴励起パスの配置
注: 導波管への結合効率を最大にする入射励起光のプロファイルは後方ビーム終了を伝播する架空のそれと一致するが、導波路
。- サンプルの劈開面に励起レーザー光の粗配置。
- 光ファイバカプラー FC0 の自由度を使用して、励起レンズをインストールする前に、サンプルの劈開面に励起光を直接に M0 をミラー化します 。
- 励起光を水平レベル両方光学テーブルについては、サンプルの面内 。
- 励起目的のインストール E obj
- 3 並進自由度で並進マウントで非球面レンズ E obj を置きます。E obj レーザーを中心し、するサンプルのセンターと同じ E obj の高さを設定します 。
- は、励起のパスに沿ってサンプルの後ろのホワイト ペーパー スクリーンを設定します。サンプルで通過するレーザ光により用紙に明るいスポットを観察する IR ビューアーを使用します 。 サンプルの
- スライド E obj へ明確なシルエットまでゆっくりとサンプル画像は、紙の上で見ることができます。明るいスポットの真ん中でシルエットを中心に E obj の高さと横方向の位置を調整します 。
- で E obj サンプルに向かって、ゆっくりと滑り続けるし、画面上のシルエット イメージ経験倍率。一方、E obj (左/右) シルエット画像の水平シフトを補償するための横方向の位置を調整します
。 注: サンプル E obj の遅い動きの間に回折縞はいくつかの点で表示されるように開始されます。これはサンプルの表面層に焦点を当てたスポットを置く新しいリファレンスを提供します 。
- は、E obj サンプルの方をゆっくりと滑り続けます。E obj のそれぞれの場所でシフト E obj 左/右は画面に縞のように見える 1 つだけフリンジがあるまでフリンジ間隔増加します
。 注: ある縞、左に 1 つ、サンプル表面の右側に 1 つの 2 つのグループになります 。
- スライド E の検索 obj 見える縞の数を最小限に抑える位置にある Eobj です 。
- 望遠鏡レンズの E1 と E2 の配置
- レーザー光を中心とした励起パスに E1 と E2 のレンズを挿入します。位置 E2 は、その焦点距離の合計で E obj から区切られます。E1 と E2 の焦点距離、例えば f 1 + f 2 の合計をする間の分離を設定 = 150 mm。
- IR ビューアーで紙の上のシルエットと回折パターンを観察。明るいレーザー光スポットの中心にシルエットを中心に E1 の高さを調整します 。
- スライド E2 に向かってまたは離れて E1 の横方向の位置を調整しながら E1。セキュリティで保護されたの E1 と E2 の両方がグループをフリンジの位置でどちらかが消えるまたはビューで縞の最小数を表示
- 垂直方向の偏光板 E1、前に POL を挿入し、励起ビームの中心
注: いくつかの偏光板を持って、わずかなくさび角、ケース励起光が角度の偏差が経験されます。この偏差を補正するために E1 と E2 を使用します 。
3。フォトルミネッ センス コレクションのパスの配置
注: コレクションのパスで構築されたイメージング システムのパフォーマンスは、その短い焦点距離 (のため L obj の位置決め精度によって決まります主f obj = 10 mm、NA = 0.55)。2 つの一般的な手順は、L obj の配置に関与している: HeNe レーザーを使用し、照明と GaAs のバルク励起子発光による細かい調整によって粗配置。室温でサンプルでこれらの配置手順が実行されます
。- 上記のバンド ギャップ (HeNe) 励起パスとカメラのインストールの配置:
- カップルのシングル モード光ファイバーに上記バンド ギャップ レーザー ビーム (HeNe).
- ミラー M3 経由でサンプルにファイバコリメータ FC1 から出力ビームを指示します 。 サンプル切断端から約 1 mm の
- レーザーを中心に水平方向にチルト FC1 スポット。M3、真上または真下入射ビームにレーザー光の反射をシフトする水平方向に傾けます。両方の条件を満たすまで何度もこのプロセスを繰り返します 。
- 傾斜 FC1 と M3 は、垂直方向にサンプルでそれは指示し、光学テーブルに関して HeNe ビームを水平にします 。
- では、IR ビューアーを使用して、サンプルに共鳴レーザー、HeNe レーザー スポットを探します。HeNe レーザ スポットの中心は共鳴レーザー スポットと同じ高さをチェックしてください。そうでなかったら、HeNe ビームのテーブルのレベルを維持しながらビームの高さに合わせて FC1 と M3 を使用しています 。
- は、HeNe パス、非偏光ビームスプリッター (90: 10)、NPBS に挿入します。HeNe 入射でキューブをセンターします 。
- コレクションのパス、試料からの反射から 1 つ、1 つのキューブ内で内部反射からビーム分割出力で 2 つのビームを探します 。
- は出口 2 つのビームを簡単に分離することができますような小さい角 (~ 5 度) でキューブを回転します。サンプルの表面からの反射光は、カメラを配置する原油のガイドとして使用できます
。 注: 内部で反射されたビームの方向変更されませんキューブは垂直軸の周りを回転します 。
- レベル光タブに関してキューブ立方体の内部反射に対応する HeNe ビームを確保することによってルは入射光と同じ高さにします 。 背面のパスで
- 入れて赤外線高感度カメラは、HeNe ビームを反映されます。200 mm の焦点距離とカメラの上にサンプル イメージを集中するチューブ レンズ L カム を使用します
。 注: 家造られた管システム、L レンズの カム を家に使用されてのように 図 1、浮遊室内灯がカメラによって検出されるを防ぐ 。
- カメラでサンプルから PL の観察を可能にする、800 nm ロングパス ・ フィルター、F1、光、HeNe を除外する L カム の前に設定します 。
- のインストールとレンズの位置の最適化 L obj
- 3 並進自由度で並進マウントで非球面レンズ L obj を置きます。L obj HeNe レーザを中心し、する焦点距離、f obj サンプルからの分離を設定 = 10 mm 。 レンズを
- セット ペア L1 と L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) X Y 並進マウント片側が固定された、他の側はマイクロメータによって制御される横面に可動を使用しています
。 注: レンズ L2 は、マウントの可動側に入ります。L1 が保有するレンズの筒とマウントの固定側に接続されています。管システム/光軸に沿って L1 を保持しているレンズの筒をねじ込んで 2 つのレンズ間の距離を調整する自由を提供します 。
- が 100 mm ピッチにて 2 つのレンズ間の距離を設定、マイクロ メーターを調整することによってマウントのセンターで L2 を設定します 。
- は、NPBS と、クリオスタット HeNe パスに L1 と L2 レンズのコンボを挿入します。F 1 + f obj L1 L obj の間の距離を設定します。HeNe 光事件で L1 と L2 をセンターします 。
- は、 図 1 に示すように、コレクションのパスに照明とペリクルを挿入します。間の距離の設定のレンズの焦点距離の長さの合計に K4 と L2 。
- センターの照明の角度を調整することにより l2 照明ビーム 。
- は、背面反射照明スポットの PL にカメラの画像に表示される HeNe 励起による光センターにペリクルの角度を調整します
。 注: 配置、ため 1 つ閉じることができます照射領域のセンターを検索するフィールド ダイヤフラム 。
- 、カメラ目線でサンプル上のほこりや表面欠陥を見つける照明光のみを使用しています。L2 を横方向に移動することによって必要に応じてサンプルの他の部分を検索します 。
- L obj/ズームアウトするほこりや欠陥のエッジをシャープな光軸を少しタップします 。
- マウントのセンターに戻るシフト L2 。
- ビュー HeNe 励起 PL カメラ上のスポットし、して PL スポットがサンプルの切断端から 1-2 mm L obj を水平方向に移動します
。 注: 1 未満の距離 mm、レーザー散乱サンプルの切断端から収集される目的 L obj で。劈開面から遠くの距離、しばらく励起光は利用可能な最大励振電力を下げる QD に達する前に減衰を体験できます 。
- サンプルの切断端まで水平方向にシフト L2 は照明下でカメラに表示されます 。
- 垂直方向に明るいレーザー サンプルの劈開面に共鳴励起光の散乱によって引き起こされるサンプルの切断端にスポットを探してゆっくりとシフト L obj 。
- レベルのサンプルの明るいレーザー切断エッジ上のスポットに HeNe 励起による PL スポット 。
- の新しい場所に関する HeNe 励起道の再編 L obj .
注: 読み取れる領域を最大化し、ケラレを最小化するには、必要がある再励起光学系と L obj の位置に関して励起光を中央に配置する- 削除 L1 と L2。サンプルの表面の法線方向にビームを確保しながら L obj の励起光がセンター 。
- センター L2 マウントに。L1 と L2 の両方を入射励起光を中心します。2 つの焦点距離の長さ、すなわち f 1 + f obj の合計をする L1、L の obj の間の距離を設定します 。 このような反射 HeNe に中央揃えされているビーム
- 位置 L カム。PL (ロングパス ・ フィルターを使用) を HeNe に興奮など、画像を中心にカメラの位置を変更します 。
- 照明と L2 と PL スポット HeNe 励起による光のイルミネーションを中心にペリクルの角度を調整します 。
- ミラー M1 と M2 の配置
。 注: レーザーの分光計を通じて後方配置が促進されます。- モニター HeNe 励起 PL カメラのサンプルから。ペリクルと M1 の PL のアイリス (アイリス A) をセンターします 。
- センター逆梁に L 仕様 のレンズし、分光器の入口スリットからの 1 つの焦点距離 f 仕様 を配置します 。
- 、M1 と M2 の 2 つのミラーの反射によって分光計からサンプルに逆梁を送信します 。
- 別アイリス (アイリス B) m 2、L 仕様 とセンターの間を設定逆梁にします 。
- 中央に逆ステア M2 ビーム アイリス A. 操縦 M1 アイリス * 繰り返しに PL を中心にこのプロセス何回か両方の条件が満たされるまで 。
- ルーム ライトの 0 次回折を監視することにより CCD の分光計の入口スリット (30 μ m 幅) のセンターを検索します 。
- は、分光器の入口スリットを開きます。CCD に観察できる HeNe 励起下でサンプルから PL 800 nm ロングパス フィルターを使用しています 。
- センター入り口にこのスポット、CCD の中間の高さで分光器のスリットし、アイリス A. 繰り返し数回まで両方の条件が満たされたこのプロセスの逆梁の中央に M2 を操縦する操縦 M1
- レンズの配置対 L3 と L4: 位置 L3 の f 2 + f 3 レンズ L2 離れた位置で PL のコレクションのパス。コレクションのパスに場所 L4 L3、焦点距離、f 3 + f 4 の合計によって区切られます。CCD のセンター PL スポットへ L4 の横方向の位置を調整します 。
4。共鳴励起経路に関して PL コレクションのパスの重なり
- 4.2 K にサンプルをクールな
- 上記バンド励起、ぬれ層の発光波長を特定する分光計を使用 (通常約 880 nm).
- は、HeNe 光を遮断する L カム の前で 800 nm ロングパス ・ フィルター F1 を設定しました。照明光の助けを借りて、カメラのサンプルの切断端を見つけるに水平方向に L2 をシフトします 。
- ぬれ層と共鳴する側の励起波長を設定します。カメラのサンプルの切断端に明るい散乱の位置を指定します 。
- 観察、" ストリーク パターン " E1 の横方向の位置を調整することによってカメラの発光。E1 を横方向にシフトすることによって光線の強度を最大化します
。 注: " 連勝 " ぬれ層放出は、励起光はサンプルの導波路に結合したことを意味します 。
- HeNe 励起による PL スポットと重複するストリークを移動する垂直方向を調整する E1 。
- 一方向にぬれ層プ調整 E2 の強度を記録し、E1 の位置を再び最適化; 再び PL の強さを記録し、以前の値と比較します 。
- 強度が増加している場合は、同じ方向に E2 の調整を繰り返します。強度が減少している場合は、E2 の調整を戻します。E1 と E2 の両方に最適の位置を見つけるにこの手順を繰り返します 。
5。単一量子ドットの共鳴励起
< p クラス ="jove_content"> メモ: 単一量子ドットの共鳴励起を実現するために 2 つの可能な方法がある: (1) 特定の量子ドット共鳴に合わせてレーザーの励起周波数チューニングまたは (2) 単一量子ドットからの共鳴蛍光が観察されるまで QD アンサンブルの共鳴エネルギーでレーザーの周波数をスキャンします。- 法 (1) - ターゲット励起:
- セット上記のバンド ギャップ励起下で QD のアンサンブルの発光波長の中心で最初高次回折光を監視する装置。分光器の入口スリットを開きます 。
- は、濡れ画層状態の連続尻尾の励起による熱烈な背景が表示されるまで、上記バンド励起の力を調整します。30 μ m スリットの入り口を閉じる 。
- シフト L2 横ビューに適した QD - たとえば、優秀な 1 つを見つけるに。量子ドット 分光計によって測定される QD λ の波長を記録します 。
- Λ QD と同じ値にする共鳴励起レーザーの波長を調整します
。 注: 多くの場合、分光計は、共鳴励起レーザー光学系からの散乱の弱い信号を拾うことができます。そうでない場合は、分光計に励起光の分割を直接します 。
- 量子ドットの最大化 ' 励起レーザの周波数の微調整によって CCD 上で s PL 強度
。 注: いくつかの量子ドット共鳴励起 10 , 31 , 32 に QD を許可するように小さな HeNe 光の量が必要です。必要な HeNe レーザー電源は通常この HeNe ビームによってもっぱら蛍光が発生しない低 - 数百 nanowatts - CCD で検出できるようにします 。
- は、高さと E1 のレンズの横方向の位置とレンズ E2 の軸位置を調整することにより、量子ドットの発光強度を最大化します。共同で量子ドットからの共鳴蛍光の強度を最大限に E1 と E2 のレンズの位置を最適化します 。
- 方法 (2) - スペクトル検索:
- QD アンサンブルの発光波長の中心で最初高次回折光を監視する装置を設定します。分光器の入口スリットを開きます 。
- は、QD のアンサンブルのエネルギー範囲にわたって励起レーザーの周波数を調整します。共鳴励起の量子ドットは、CCD に風通しの良いリングのカップルに囲まれてドットとして表示されます。明るいドットを選択します 。
- 励起レーザーの波長の微調整によって、pl 発光強度を最大化します 。
- 高さを調整することによってドットの発光強度を最大化し、横方向の位置 E1and のレンズ E2 の軸の位置。共同で量子ドットからの共鳴蛍光の強度を最大限に E1 と E2 のレンズの位置を最適化します 。
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Representative Results
図 1は、単一量子ドットの共鳴励起を達成するために必要な装置の 1 つの特定の認識を示しています。可能な他の認識が重要なコンポーネント:; 導波路にカップルに励起パス蛍光を検出器; にガイドするコレクションのパスコレクション パスに沿って刺激する共焦点励起パス試料表面のイメージングを有効にする照明パス。
2 つの代表的な RPLE スペクトルは図 2のとおりです。彼らは中立 QD [図 2(a) および (b)] や [図 2(c) と (d)] 充電 QD から収集されます。荷電 QD の正確な充電状態は、スペクトルを調べることによって決定できません。最高の信号対雑音比を達成するためにレーザ散乱を最小限に抑える必要があります。図 2の右端の画像(a) と (c)励起レーザーが共鳴から遠いデチューン散乱背景を表示。レーザー散乱は量子ドット蛍光に比べてはるかに弱いが、散乱の典型的なパターンを示すためには、画像拡張されています 284 と 23 倍、それぞれ。これらの画像が配置で発生する場合は、強いレーザー光散乱が存在することを意味します。この結果は, 結合導波路のずれなどにつながることができます複数の原因、導波管、ビューのフィールドの劈開面に傷がサンプル等の切断の端に近すぎます。各ポイントに関する詳細な議論は、このプロトコルの議論の一部で提供されます。
平板形マイクロキャビティにおける共鳴励起量子ドットのイメージを図 3に示すように、それのまわりのリングの中央の円盤を持つ通常。このパターンが伝搬方向が波長依存33腔の平面波の固有モードに量子ドットの結合からの結果します。したがって、単一波長の蛍光は、その頂角は、発光の波長によって決まります中空円錐状の空洞から出ています。この光が目的で平行光に、チューブ レンズによって集束されたとき形成された画像は明らかに図 2と図 3のリングのような構造を持っています。リング及びディスクの半径は、頂点角度およびこうして発光波長によって決定されます。小さいほどの発光波長、頂点の角度が大きく、半径が小さい。最小可能な頂点の角度は 0 で、空洞を逃れることができる発光の長波長カットオフがある意味です。最大の可能な頂点角は、光学システムによって収集することができます放出の短波長のカットオフがある意味対物レンズの NA によって決定されます。大きい NA またはソリッドイマー ジョン レンズ添加の目的は、コレクション バンドのこのローエンドに短波長の光を延長します。その一方で、サンプルの構造を変更することによってを除いてコレクション バンドの長波長端を変更できません。図 3は、カットオフ波長まで最小から異なる発光波長を持つ量子ドットからの蛍光像を示します。
図 1。実験の模式図。
オレンジのパスによって示されている、単一量子ドットの共鳴励起をサンプルの導波路に狭線幅 (1 MHz) cwレーザを結合することにより実現します。サンプルの発光は、ファブリ ・ モードでは、赤のパスを次から収集されます。(HeNe) ヘリウム-ネオン レーザーは confocally、次の緑のパス上のバンド ギャップ励起を提供します。家造られた照明は、黄色のパスで示される 940 nm の光で試料表面の均一な照明を提供します。回路図ではない注のスケールに。FC: ファイバカプラー;AD: 絞り。FD: フィールド ダイヤフラム;ポル: 偏光板;F: ロングパス フィルター;NPBS: 非偏光ビームスプリッターです。DBR: 分布ブラッグ反射型;撮像素子: 電荷結合素子。LED: 発光ダイオード。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2。単一量子ドットの共鳴蛍光。
(a) 別の detunings に中立的な量子ドットの蛍光画像は各画像の上に直線的な周波数で示されます。ゼロの離調 927.8597 に対応する nm。(b) RPLE 中心 8 ピクセルの直径の円形の領域で PL 強度の増加を統合することにより、同じ中性 QD のスペクトル。(c) 別の detunings に荷電量子ドットの蛍光性のイメージは、各画像の下に直線的な周波数で示されます。ゼロの離調 927.653 に対応する nm。(d) RPLE スペクトルの同じ中心のまわりの 12 ピクセルの直径の円形の領域で PL 強度の増加を統合することによって QD の追加料金。(中立の QD の e) 二次相関測定の (、) 低エネルギーのピーク時に共鳴励起下。一番右フレームの (a) と (c) までデチューン励起画像強度とを乗じた 284 23、それぞれ低レーザー散乱の背景を表示します。色スケールのメモ (a) と (c) 異なるが、個々 のサブ プロット間で共有。正規化された RPLE 強度 (b) と (d) 描かれているオレンジ色のドットで青い正方形 (a) と (b) の映像に対応するデータを示すそれぞれ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3。キャビティ モードで別の波長で 8 つの異なるドットからの共鳴蛍光。
共鳴波長は、各画像の上に表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
プロトコルの重要な手順です: モード マッチングと導波管モードを励起光の配置適切なアライメントとコレクション光学系の焦点します。これらの手順の最も困難な部分が初期配置です。既に整列セットアップの結合を最適化するは比較的簡単です。コレクションと励起領域の重複は、この機能なしでは非常に難しいですが、カメラのサンプルをイメージする能力を持つ単純なステップです。高品質の画像を作成するために適切なケーラー照明が重要です。ケーラー照明のトピックこのプロトコルの範囲外にあるが、顕微鏡でよく知られている概念であるし、発表された文献34,35で包括的に説明されています。
レンズの焦点距離に注意ここでは、典型的なしかし、必須ではありません。異なるクリオスタットと他の要因は、光学配置に追加または異なる要件を課すかもしれません。このような場合は、設計時にレンズ焦点距離の適切な選択肢はモード整合励起パスとコレクションのパスでケーラー照明の要件を満たすための鍵です。ケーラー照明は、レンズはその焦点距離の合計で区切られます場合に満足されます。導波路に適切なモード整合はビームが Eobjの開口部を埋める必要がありますを意味する、可能な限り NA 高として必要です。目的は、クリオスタットのコード領域内にあるので部屋の温度でのみ可動は自家製蟻レール XYZ マウントに座っています。この閉じる-サンプル位置は、機械的安定性を増加させるレンズ マウントの熱変化を最小限に抑えながら大 NA レンズを使用できます。目的この場合、スペースの制約により一重項非球面レンズです。多くのスペースが利用可能な場合、商業マルチ レンズ目的は画像の品質、NA、そして倍率を向上させる代わりに使用可能性があります。実験のセットアップは、M3 をダイクロイック ミラーに交換し、二色性とビームスプリッター NPBS を介して励起光を演出共焦点の共鳴または近い共鳴励起を許可するように拡張できます。
レーザー背景が強すぎる場合は、可能性がある導波路に励起光の貧しいカップリングです。カップリングは、粗さ、傷、または不適切な取り扱い劈開面上の汚染により削減できます。何に結合されます顔を触れていない必要があります。可能ですが、汚染の劈開面をきれいにすることは困難だが、粗さや傷が恒久的です。表面品質に問題がある場合劈開面上の別の場所を試すことができます、しかし、必要があります新鮮な切断。励起光が試料の表面に塵から散乱の共役部分で強いレーザー散乱背景が起こります。別の可能性はビューのフィールドがあまりにも近くにサンプルとエッジからの光散乱の端がコレクションのパスを入力します。最後に、それは、レーザーのパワーが高すぎるだけかもしれません。通常、励起レーザは、図 1に示すように電源メーターで測定 10 に 0.5 μ の範囲内です。レーザー光散乱のソースを削減、脇は、散乱コレクションのパスで水平偏光板を追加することによってフィルターできます。ただし、この状況で蛍光量子ドットを表示する垂直方向の双極子モーメントはそろってない QD が必要です。
励起分極はのみ 1 つの選択肢;この場合は垂直偏波です。これは、3 つの制約のためです。まず、励起光の伝搬方向はサンプル平面内に限られます。第二に、偏光は伝搬方向に垂直である必要があります。第三に、QD の双極子モーメントはサンプル平面上にあります。このケースのように励起光を水平方向に伝達する場合は、偏光量子ドットを刺激できるの唯一の選択肢は垂直です。対照的に、検出偏光には導波管モード11内レーザーの閉じ込めによってレーザー光散乱の抑制を主に完了するためにそれに制約はありません。別の制限は、この励起方式ができない可能性がありますすべてのサンプルの構造、量子ドットに光を導く導波管を必要とすることです。レーザー散乱抑制交差偏光板を使用して、暗視野共励振法1にこれを比較します。その場合、励起は任意偏波を使用できますが、検出偏光は直交する必要があります。
共鳴励起下における単一量子ドットは、高輝度、狭線幅高識別不能性36と優秀な単一光子源をする実証されています。このプロトコルは、線形光学量子計算と量子情報などの様々 なアプリケーションに自己組織化量子ドット系のこれらの優れた特性を活用する実行可能なアプローチを提供します。さらに、どちらかと別の光子の量子もつれ光子や電子のスピン分極は、このメソッドの機能に関係なくコレクションが必要になります。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
著者は、サンプルを提供するため Glenn s. ソロモンを認めたいと思います。この作品は、全米科学財団 (DMR-1452840) によって支えられました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Tunable external cavity diode laser | Toptica Photonics | DL-Pro | |
| Closed-cycle cryostat | Montana Instruments | Cryostation | |
| Spectrometer, 750 mm focal length | Princeton Instruments | SpectraPro 2750 | |
| Thermoelectrically cooled charge-coupled device | Princeton Instruments | Pixis 100BR-eXcelon | |
| HeNe laser | JDSU | 1125P | |
| Infrared sensitive camera | Sony | NEX-5TL | IR blocking filter removed |
| Power meter and detector | Newport | 1918-C, 918D-IR-OD3 | |
| Adjustable aspheric fiber collimator | Thorlabs | CFC-8X-A | |
| Air-Spaced Doublet Collimator | Thorlabs | F810APC-842 | |
| Protected Silver Mirrors x 5 | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Flip mounts x 2 | Thorlabs | FM90 | |
| Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1 | Thorlabs | ACL2520-B | |
| Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2 | Thorlabs | LBF254-050-B | |
| Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4 | Thorlabs | LBF254-100-B | |
| Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam | Thorlabs | LBF254-200-B | |
| Plano-convex lens, f = 400 mm; L3 | Thorlabs | LA1172-B | |
| Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj | Thorlabs | C240TME-B | |
| Precision asphere, f = 10 mm; Lobj | Thorlabs | AL1210-B | |
| Longpass Filters, 800 nm, x2 | Thorlabs | FEL0800 | |
| Non-polarizing beam splitter cube (NPBS) | Thorlabs | BS029 | |
| Pellicle beam splitter | Thorlabs | BP108 | |
| Polarizer | Thorlabs | LPNIRE100-B | |
| Light emitting diode, 940 nm | Thorlabs | M940D2 |
References
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