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Engineering

Fluorescencia de resonancia de un punto cuántico de InGaAs en una cavidad plana usando detección y excitación ortogonal

Published: October 13, 2017 doi: 10.3791/56435
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Physics and Astronomy, West Virginia University

Summary

Se logra excitación resonante de un punto cuántico uno mismo-montado único modo ortogonal a la modalidad de colección de fluorescencia de excitación. Demostrar un método utilizando la guía de onda y modos de Fabry-Perot de una microcavidad planar que rodea los puntos cuánticos. El método permite total libertad en la polarización de la detección.

Abstract

La capacidad para realizar la detección simultánea de excitación y la fluorescencia resonante es importante para la medición óptica cuántica de puntos cuánticos (QDs). La excitación resonante sin detección de fluorescencia – por ejemplo, una medición de transmisión diferencial, puede determinar algunas propiedades del sistema de emisión, pero no permite aplicaciones o medidas basadas en los fotones emitidos. Por ejemplo, la medida de correlación de fotones, observación del trío Mollow y realización de fuentes de fotones individuales todos requieren de colección de la fluorescencia. Incoherente excitación con detección de fluorescencia – por ejemplo, sobre excitación del boquete de la venda, se puede utilizar para crear fuentes de fotones individuales, pero la perturbación del medio ambiente debido a la excitación reduce la indistinción de los fotones. Fuentes de fotones individuales basadas en QDs tendrá que ser resonantly emocionados de tener la indistinguibilidad de fotones alta y colección simultánea de los fotones será necesario hacer uso de ellos. Demostrar un método resonantly excitar un QD sola incrustado en una cavidad plana por el haz de excitación de acoplamiento en esta cavidad de la cara cortada de la muestra durante la percepción de la fluorescencia en la dirección normal superficial de la muestra. Combinando cuidadosamente el haz de excitación para el modo de guía de onda de la cavidad, la luz de excitación puede acoplar en la cavidad e interactuar con el QD. Los fotones dispersados pueden acoplar al modo de Fabry-Perot de la cavidad y escape en la dirección normal de superficie. Este método permite total libertad en la polarización de la detección, pero la polarización de excitación está restringida por la dirección de propagación del haz de excitación. La fluorescencia de la capa de adherencia de soldadura proporciona una guía para alinear la ruta de la colección con respecto al haz de excitación. La ortogonalidad de los modos de excitación y detección permite excitación resonante de un QD solo con fondo de dispersión láser insignificante.

Introduction

La excitación resonante de un emisor único cuántica combinada con detección de fluorescencia fue un desafío experimental a largo plazo debido principalmente a la incapacidad para discriminar espectralmente la fluorescencia débil de la dispersión de excitación fuerte. Esta dificultad, sin embargo, ha sido superada en la última década por dos enfoques diferentes: excitación confocal campo oscuro basado en polarización discriminación1,2,3,4 ,5y excitación ortogonal-detección basada en el modo espacial discriminación6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Ambos enfoques demuestran una fuerte capacidad para inhibir significativamente la dispersión láser y así se adoptó ampliamente en varios experimentos, por ejemplo, observación de spin-fotón enredo5,15, 16, demostración de Estados con2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26y manipulación coherente de giros cerrados3,27,28,29,30. Ni enfoque puede aplicarse universalmente a todas las situaciones; cada uno se limita a algunas condiciones específicas. La técnica de campo oscuro utiliza el grado de libertad de polarización de los fotones para suprimir la dispersión láser de excitación. Esta técnica tiene varias ventajas. Por ejemplo, no hay ningún requisito para un modo de guía de onda bien definida, que permite la implementación sólo confocal. La aplicación confocal permite la excitación polarizada circularmente y posiblemente un enfoque del haz de excitación en el emisor de la cuántica, dando por resultado la mayor intensidad de excitación. Sin embargo, este método selectivo de polarización restringe la polarización detección para ser ortogonal a la polarización de excitación y así evita una caracterización completa de las propiedades de polarización de la fluorescencia. En comparación, la discriminación espacial de modo conserva la libertad completa de polarización detección utilizando la ortogonalidad entre los modos de propagación de la excitación y detección de vigas para suprimir la dispersión de láser4. Las limitaciones de esta técnica son la necesidad de una estructura de guía de onda en la muestra para proporcionar un modo de la excitación ortogonal al modo de detección y la restricción de la polarización de excitación al ser perpendicular a la dirección de propagación de la viga .

Aquí, demostramos un protocolo para la construcción de una instalación libre de espacio-ortogonal excitación-detección basada para experimentos de fluorescencia de resonancia. Comparado con el trabajo pionero sobre la discriminación de modo espacial donde una fibra óptica fue utilizada para acoplar la luz en la cavidad6, este protocolo proporciona una solución en el espacio y no requiere componentes cinéticos para montar bien la muestra o el fibra en criostato. Control fino de las direcciones de la viga de la excitación y la trayectoria de detección son manipulados por óptica externa al criostato, mientras que las lentes asféricas camiseta actúan como enfoque objetivos dentro de la región fría de criostato. Proporcionamos imágenes representativas de los pasos clave de la alineación en el proceso de lograr excitación resonante y detección de la fluorescencia de un punto cuántico único.

La muestra utilizada para esta demostración es cultivada por epitaxia de haces moleculares (MBE). Los puntos cuánticos de InGaAs (QDs) están integrados en un espaciador de GaAs que está delimitado por dos reflectores Bragg distribuidos (DBRs), como se muestra en la vista de zoom de la muestra en la figura 1. El GaAs el espaciador entre el DBRs actúa como una guía de onda, donde se confina el haz de excitación por reflexión interna total. Los DBRs también actúan como espejos de alta reflectividad para wavevectors que son casi normales al plano de muestra. Esto forma un modo de Fabry-Perot que el QDs pareja cuando emiten fluorescencia. El modo de Fabry-Perot debe ser resonancia con la longitud de onda λ de emisión de los QDs, que requiere el distanciador de GaAs a ser un número entero múltiplo de λ/n, donde n es el índice de refracción del GaAs. Para esta demostración, el espesor del espaciador de GaAs es escogido para ser 4λ/n, que es aproximadamente de 1 μm, con el fin de estar cerca del tamaño de punto de difracción limitada de la viga de incidente de la excitación. Un espaciador más estrecho resultaría en una baja eficiencia de acoplamiento del haz de excitación en el modo de guía de onda.

El montaje experimental se muestra en la figura 1. Para maximizar la eficiencia de acoplamiento, un objetivo de lente asférico Eobj con apertura numérica NA = 0,5 y longitud focal de 8 mm se elige para enfocar el haz de excitación sobre el cara cortada de la muestra. La función del telescopio de Keplerian (compuesto por par de lentes E1 y E2) en el camino de la excitación es doble: (1) para llenar la apertura de la excitación objetivo Eobj para el haz de excitación se centra firmemente para mejor modo-adecuación a la guía de onda (en Esta realización el diámetro del haz colimado es 2,5 mm) y (2) para proporcionar tres grados de libertad para maniobrar el punto focal del haz de excitación en la cara cortada de la muestra. E1 objetivo se monta en una montura traslacional de X-Y que proporciona los dos grados de libertad para cambiar el punto de excitación libremente en el plano de la cara cortada de la muestra. E2 de la lente está montada sobre un zoom sin rotación de vivienda que ofrece la libertad de escoger la profundidad del punto focal de la muestra. Estos tres grados de libertad nos permite optimizar la excitación resonante de un QD sola sin necesidad de movimiento de la muestra sí mismo.

En el camino de la colección de fluorescencia, una configuración similar de la lente (Lobj, L1 y L2) se utiliza para permitir la detección de la fluorescencia de diferentes partes de la muestra. La luz de la muestra se centra en uno de dos tubos en ya sea un IR-sensible a la cámara (Lcam) o la ranura de entrada del espectrómetro (L.spec). Movimiento de L1 a lo largo del eje z ajusta el enfoque de la imagen y traducción lateral de L2 hace que la imagen a escanear en el plano de la muestra. Las longitudes focales de L1 y L2 son iguales, por lo que su aumento es unidad. Esto se hace para maximizar la gama que L2 puede ser traducido antes de que produce viñeteado.

Para facilitar la alineación y la ubicación de un QD, un iluminador de fabricación casera basado en la iluminación de Kohler se incorpora en la configuración, como se muestra en la figura 1. El propósito de la iluminación de Kohler es proporcionar una iluminación uniforme a la muestra y asegurar que una iMago de la fuente de iluminación de luz no es visible en la imagen de muestra. Las configuraciones de la lente de la luz y el camino de la colección están diseñadas cuidadosamente para separar los planos de imagen conjugada de la muestra y la fuente de luz. Cada lente en el camino de la colección es separada de sus vecinos por la suma de sus distancias focales. Esto asegura que siempre que la imagen muestra en foco – como en el sensor de la cámara, la imagen de la fuente de luz es totalmente desenfocada. Del mismo modo, donde la imagen de la fuente de luz está en foco – como en el plano focal detrás del objetivo – la imagen de muestra es completamente defocused. La fuente de luz es una luz comercial emisión de diodo (LED) emiten a 940 nm. El diafragma de la abertura permite el ajuste de la intensidad de la iluminación y el diafragma de campo determina el campo de visión que se iluminará. Son las claves para la realización de una iluminación uniforme establecer la distancia entre la lente K4 y L2 para la suma de las longitudes focales de las dos lentes, y para asegurarse de que la apertura de Lobj no se llena por la iluminación. En el presente Protocolo, la iluminación sirve también para optimizar la distancia entre Lobj y la muestra.

El objetivo Lobj y cualquier lente de tubo proporciona un aumento de x 20 sobre la cámara o el espectrómetro. El par de lente L3 y L4 entre Lobj y LEspecificaciones forma otro telescopio de Keplerian que proporciona un aumento extra de 4 x a la imagen en el dispositivo de carga acoplada (CCD) del espectrómetro. La adición de lentes L3 y L4 resultado en un aumento total de x 80, que es necesario distinguir espacialmente fluorescencia de cerca QDs. L3 y L4 es montado sobre soportes para facilitar el cambio de la ampliación porque los bancos aumento 20 x proporciona un mayor campo de visión en la muestra.

Para superponer el campo de visión de la trayectoria de la colección con la trayectoria del haz de excitación a través de la guía de onda, la emisión de la serie continua del punto de quantum mojando la capa es útil. Uno puede determinar la longitud de onda de emisión de la capa de adherencia de soldadura midiendo el espectro de emisión de la muestra bajo sobre excitación del boquete de la venda. Para nuestro ejemplo, emisión de la capa de adherencia de soldadura se produce en aproximadamente 880 nm a 4,2 K. Por acoplamiento de un rayo de láser cw a 880 nm en la guía de onda de la muestra, se puede observar un patrón de rayado formado por el PL de la capa de adherencia de soldadura, que se muestra en el video que lo acompaña. La racha revela la trayectoria de la propagación de la luz de excitación que se han unido en la guía de onda. La presencia de esta veta combinada con la capacidad de la superficie de la muestra de la imagen hace alineación sencilla.

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Protocol

PRECAUCIÓN: por favor, ser conscientes de los posibles peligros de dispersión láser durante la alineación. Use anteojos de seguridad apropiados para la protección. Para facilitar el proceso de alineación, es necesario un visor de infrarrojos (IR-espectador). Una tarjeta fluorescente de infrarrojos sensibles también es útil pero no necesario.

1. preparación de la muestra

  1. uso un diamante Escribano para hacer un rasguño minúsculo en el borde de la superficie de la muestra en la ubicación deseada de la hiende. Utilice dos pares de pinzas de punta plana para mantener la muestra a ambos lados de la raya. Aplicar un par de rotación hacia fuera con la pinza y la muestra se hiende.
    Nota: Un arañazo largo es innecesario promover hiende, y probablemente cortará a través de la capa de guía de onda impidiendo el acoplamiento de la luz. La cara descamada es lo suficientemente delicada que cualquier toque en su superficie puede dañar la cara de la guía de onda.
  2. Ate el pedazo de muestra cortada en un plato de cobre muestra mediante pintura de plata conductora térmica o epoxi.
    Nota: La cara cortada debe quedar al ras con el borde de la placa de montaje para que el láser de excitación puede golpear la cara de la muestra sin interferencia.
  3. Montar la placa de cobre en el criostato para que la cara cortada y la superficie de la muestra son ópticamente accesibles a través de las ventanas de criostato.

2. Alineación del camino de excitación resonante

Nota: para maximizar la eficiencia de acoplamiento en la guía de onda, el perfil de la viga de incidente de excitación tiene que ser igualada con la de un imaginario de propagación hacia atrás Haz salir el Guía de onda.

  1. Gruesa alineación del haz de láser de excitación a la cara cortada de la muestra.
    1. Usar los grados de libertad del acoplador de fibra óptica FC0 y M0 para dirigir el haz de excitación sobre el cara cortada de la muestra antes de instalación las lentes de la excitación del espejo.
    2. Nivel del haz de excitación horizontal con respecto a la tabla óptica tanto con respecto al plano de la muestra.
  2. Instalación de objetivo de excitación E obj
    1. poner la lente asférica E obj en una montura traslacional con tres grados de libertad traslacional. Centro E obj en el laser y ajustar la altura de E obj a ser el mismo que el centro de la muestra.
    2. Configurar una pantalla de papel blanco detrás de la muestra a lo largo de la ruta de la excitación. Utilizar un visor de IR a observar un punto brillante en el papel debido a la luz del láser pasa por la muestra de.
    3. E Deslice obj hacia la muestra lentamente hasta que una imagen clara de la silueta de la muestra puede verse en el papel. Ajustar la posición vertical y horizontal de E obj a la silueta en medio del punto brillante del centro.
    4. Mantener deslizando lentamente E obj hacia la muestra, y la imagen de la silueta de la pantalla experimenta un aumento. Mientras tanto, ajustar la posición lateral del E obj (izquierda/derecha) para compensar el desplazamiento horizontal de la imagen de la silueta.
      Nota: Durante el movimiento lento de E obj a la muestra, franjas de difracción empezarán a aparecer en algún momento. Esto proporciona una nueva referencia para poner el punto enfocado en la capa superficial de la muestra.
    5. Mantener deslizando lentamente E obj hacia la muestra. En cada lugar de E obj obj de cambio E izquierda/derecha aumentar el espaciamiento de la franja hasta que hay solamente una franja visible buscar franjas en la pantalla.
      Nota: Habrá dos grupos de franjas, uno a la izquierda y otro a la derecha de la superficie de la muestra.
    6. Localizar Deslice E obj Eobj en una posición que reduce al mínimo el número de franjas visibles.
  3. Alineación de lentes de telescopio E1 y E2
    1. Insertar lentes E1 y E2 en el camino de la excitación centrado en el rayo láser. Posición E2 separados E obj por la suma de sus distancias focales. Establecer la separación entre E1 y E2 que la suma de sus distancias focales, por ejemplo, f 1 + f 2 = 150 mm.
    2. observar el patrón de silueta y la difracción en el papel con un visor de IR. Ajustar la altura del E1 al centro la silueta en el centro del punto láser brillante iluminación.
    3. E2 Deslice hacia o lejos de E1 al ajustar la posición lateral de E1. E1 y E2 en las posiciones que ambos grupos de la franja desaparecen o mostrar un número mínimo de franjas en la vista
    4. introducir un polarizador vertical orientado POL antes de E1 y céntrelo en el haz de excitación.
      Nota: unos polarizadores tienen un ángulo de cuña ligeramente, en el cual caso el haz de excitación experimentará una desviación angular. Use E1 y E2 para compensar esta desviación.

3. Alineación de Photoluminescence colección camino

Nota: el rendimiento del proyección de imagen sistema construido en la ruta de la colección se determina principalmente por la precisión de la colocación de L obj debido a su corta distancia focal ( f obj = 10 mm, NA = 0,55). Dos pasos generales están involucrados en la alineación de L obj: alineación gruesa usando un láser de HeNe y afinando muy bien usando el iluminador y la emisión de excitón a granel de GaAs. Estos pasos de alineamiento se realizaron con la muestra a temperatura ambiente.

  1. Alineación del anterior camino de excitación del boquete de la venda (HeNe) y la instalación de la cámara:
    1. par un rayo de láser de boquete de la venda anterior (HeNe) en una fibra monomodo.
    2. Directa de la viga de la salida del colimador fibra FC1 sobre la muestra a través de un espejo M3.
    3. FC1 de inclinación horizontal para centrar el láser spot en la muestra de aproximadamente 1 mm del borde hendido. Incline el M3 horizontalmente para desplazar la reflexión posterior del haz de láser a ser justo por encima o por debajo del haz incidente. Repita este proceso varias veces hasta satisfacer ambos criterios.
    4. FC1 de inclinación y M3 verticalmente a nivel de la viga de HeNe con respecto al cuadro óptico y dirigió en la muestra.
    5. Utilizar el visor de IR para localizar el láser resonante y los puntos de láser HeNe en la muestra. Compruebe que el centro del punto láser HeNe es a la misma altura que el punto láser resonante. Si no, use FC1 y M3 para emparejar las alturas de la viga manteniendo el HeNe rayo nivel con la tabla de.
    6. Inserte el no polarizante beam splitter cubo (90: 10), NPBS, el camino de HeNe. Centro del cubo en el haz incidente de HeNe.
    7. Localizar dos vigas en la salida de divisor de viga para la ruta de la colección, uno de la reflexión de la muestra y otro de reflexión interna dentro del cubo.
    8. Girar el cubo con un ángulo pequeño (~ 5 grados) que los dos haces se pueden separar fácilmente a la salida. La luz reflejada de la superficie de la muestra puede utilizarse como una guía cruda para alinear la cámara fotográfica.
      Nota: La dirección de la viga reflejada internamente no va a cambiar cuando el cubo se gira sobre el eje vertical.
    9. Nivel del cubo con respecto a la ficha ópticaasegurándose de que el rayo de HeNe correspondiente a la reflexión interna dentro del cubo es a la misma altura de la viga entrante.
      10. Cámara de
    10. poner un IR-sensible en el camino de la parte posterior refleja HeNe rayo. Utilice un tubo lente L cam con una distancia focal de 200 mm para enfocar la imagen de muestra en la cámara de.
      Nota: Se utiliza un sistema de tubo casa construida para alojar la lente L leva, como se muestra en la figura 1, que impide que la luz perdida sala siendo detectado por la cámara.
    11. Configurar un 800 nm de largo filtro de paso, F1, frente L cam para filtrar la luz, HeNe que permite la observación de la PL de la muestra con la cámara fotográfica.
  2. Instalación y optimización de la posición de la lente L obj
    1. poner la lente asférica L obj en una montura traslacional con tres grados de libertad traslacional. Centro L obj en el láser de HeNe y establece la separación de la muestra que la longitud focal, f obj = 10 mm.
    2. Set up lente par L1 y L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) utilizando un montaje de traslación X-Y donde se fija un lado y del otro lado es movible en el plano lateral controlado por micrómetros.
      Nota: La lente L2 entra la parte movible del Monte. L1 es sostenido por un tubo y unido a la parte fija del Monte. El sistema de tubo proporciona la libertad para ajustar la distancia entre las dos lentes atornillando de entrada/salida del tubo de la lente sostiene L1 a lo largo del eje óptico.
    3. Fijar la distancia entre las dos lentes de 100 mm. L2 situado en el centro de la montura ajustando el micrómetros.
      4. Combo de
    4. Insertar la lente L1 y L2 en la trayectoria de HeNe entre NPBS y criostato. Establecer la distancia entre L1 y L obj que f obj + f 1. Centro de L1 y L2 sobre el incidente HeNe luz.
    5. Inserte el iluminador de película en el camino de la colección como se muestra en la figura 1. Ajuste la distancia entre la lente K4 y L2 para la suma de sus distancias focales.
    6. Centro de la viga de la iluminación sobre L2 ajustando el ángulo de la luz.
    7. Ajustar el ángulo de la película al centro de la parte posteriora reflejada iluminación luz visible en la imagen para el punto PL causada por excitación de HeNe.
      Nota: A los efectos de alineación, uno puede cerrar el diafragma de campo para localizar el centro de la zona iluminada.
    8. Usando sólo la luz del iluminador, buscar un defecto superficial o polvo en la muestra de mirando a la cámara. Buscar otras partes de la muestra según sea necesario moviendo lateralmente L2.
    9. Toque ligeramente L obj en/hacia fuera del eje óptico para hacer el borde del defecto o polvo más.
    10. Cambio de L2 hacia el centro del Monte.
    11. Vista el PL HeNe-emocionado del punto de la cámara y mover L obj horizontalmente para que el punto PL es 1-2 mm del borde hendido de la muestra.
      Nota: Para una distancia de menos de 1 mm, la dispersión de láser desde el borde hendido de la muestra se recaudaría por objetivo L obj. Mientras que para una distancia muy lejos de la cara cortada, el haz de excitación puede experimentar atenuación antes de llegar a la QD, que reduce la potencia de excitación máxima disponible.
    12. L2 cambio horizontal hasta el borde hendido de la muestra se muestra en la cámara bajo iluminación.
    13. Lentamente cambio L obj verticalmente en busca de un láser brillante punto en el borde hendido de la muestra, que es causada por la dispersión del haz de excitación resonante en la cara cortada de la muestra de.
    14. El punto PL causado por excitación de HeNe al láser brillante punto en el borde hendido de la muestra de nivel.
  3. De realineación de la ruta de la excitación de HeNe con respecto a la nueva ubicación de L obj .
    Nota: Para maximizar el área escaneable y reducir al mínimo el viñeteo, es necesario volver a centrar la óptica de la excitación y el haz de excitación con respecto a la ubicación de L obj.
    1. Quitar L1 y L2. El haz de excitación en L obj asegurando el rayo está en la dirección normal de superficie de la muestra centro.
    2. Centro de L2 en el Monte. Centro de L1 y L2 en la viga de incidente de la excitación. Ajuste la distancia entre L1 y L obj la suma de las dos longitudes focales, es decir, f 1 + f obj.
    3. Reposición L cam haz de tal que se centra en HeNe reflejada. Vuelva a colocar la cámara tal que el HeNe emocionado PL (uso de un filtro de paso de largo) se centra en la imagen.
    4. Ajustar el ángulo de la luz y la película a la luz en L2 y en el punto PL causada por excitación de HeNe de iluminación del centro.
  4. Alineación de los espejos M1 y M2.
    Nota: Un láser dirigido hacia atrás a través del espectrómetro facilitará la alineación.
    1. PL monitor HeNe-emocionado de la muestra a la cámara. Centro de un diafragma (Iris A) en PL entre la película y el M1.
    2. Centro de lente L spec en la viga reversa y coloque una longitud focal f especificación de la ranura de entrada del espectrómetro.
    3. Enviar el rayo inverso desde el espectrómetro para la muestra por lo que se refleja en dos espejos, M1 y M2.
    4. Configurar otro iris (Iris B) entre M2 y L spec y el centro que en la viga reversa.
    5. M2 dirigir al centro del reverso la viga Iris A. M1 de dirigir al centro de el PL en Iris B. Repeat este proceso varias veces hasta que ambos criterios se cumplen.
    6. Ubique el centro de la ranura de entrada (30 μm ancho) del espectrómetro del CCD, mediante el control de la orden cero de difracción de la luz de la habitación.
    7. Abra la ranura de entrada del espectrómetro. Mediante el uso de un filtro de pase largo 800 nm, el PL de la muestra bajo excitación de HeNe se observan en el CCD.
    8. M1 de dirigir al centro de este lugar en la entrada del espectrómetro y en la altura media del CCD, la raja y dirigir M2 para centrar el rayo inverso en Iris A. Repeat este proceso varias veces hasta que ambos criterios son met
    9. Alineación de lente par L3 y L4: L3 de la posición en la ruta de la colección de PL en una ubicación que es f 2 + f 3 lentes del L2. L4 de lugar en la trayectoria de la colección separada de L3 por la suma de sus distancias focales, f 3 f 4. Ajustar la posición lateral de L4 al punto central del PL en el CCD.

4. Traslapo de la ruta de colección del PL con respecto a la trayectoria de excitación resonante

  1. Cool por la muestra a 4,2 K. Con la excitación por encima de la banda, usar el espectrómetro para determinar con precisión la longitud de onda de emisión de la capa de adherencia de soldadura (típicamente alrededor de 880 nm).
  2. Establecer un 800 nm de largo filtro F1 delante L cam para bloquear la luz de HeNe. Con la ayuda de la luz iluminar, cambiar L2 horizontalmente para localizar el borde hendido de muestra en la cámara de.
  3. Fijar la longitud de onda de excitación de lado para ser resonante con la capa de adherencia de soldadura. Localizar un punto brillante de la dispersión en el borde hendido de la muestra de la cámara.
  4. Observar un " patrón de la raya " de fotoluminiscencia en la cámara mediante el ajuste de la posición lateral de E1. Maximizar la intensidad de la raya desplazando lateralmente E1.
    Nota: La " racha " es la emisión de la capa de adherencia de soldadura, que implica que el haz de excitación se acopla a la guía de onda de la muestra.
  5. E1 ajustar verticalmente para pasar la racha se superponen con el punto PL, causado por la excitación de HeNe.
  6. Registrar la intensidad de la capa de adherencia de soldadura PL. E2 ajuste en una dirección, y luego volver a optimizar la posición de E1; otra vez registrar la intensidad de la PL y comparar el valor anterior.
  7. Si la intensidad ha aumentado, repita el ajuste del E2 en la misma dirección. Si la intensidad ha disminuido, luego invierta el ajuste de E2. Repita este procedimiento para encontrar la posición óptima para E1 y E2.

5. La excitación resonante de un solo punto cuántico

< clase p = "jove_content"> Nota: Hay dos posibles enfoques para realizar la excitación resonante de un QD sola: tune (1) la frecuencia de excitación del láser para que coincida con una específica resonancia QD; o (2) analizar la frecuencia de láser a través de las energías de resonancia del conjunto QD hasta que se observe fluorescencia de resonancia de un QD sola.

  1. Excitación del método (1) - objetivada:
    1. fijar el espectrómetro para monitorear la difracción de primer orden en el centro de la longitud de onda de emisión del conjunto QD bajo sobre excitación del boquete de la venda. Abra la ranura de entrada del espectrómetro.
    2. Ajustar la potencia de la excitación por encima de la banda hasta que aparezca un fondo brillante debido a la excitación de la cola de la continuidad de los Estados de capa de adherencia de soldadura. Cerca de la entrada de la raja a 30 μm.
    3. Cambio L2 lateralmente para encontrar un QD conveniente - por ejemplo, una más brillante a la vista. Registrar la longitud de onda el λ de QD QD como es medido por el espectrómetro de.
    4. Ajustar la longitud de onda del láser de excitación resonante que el mismo valor que λ QD.
      Nota: A menudo, el espectrómetro puede recoger la señal débil de la dispersión de la excitación resonante laser desde la óptica. Si no, directamente un split-off del haz de excitación en el espectrómetro de.
    5. Maximizar el QD ' intensidad s PL en el CCD, por afinar la frecuencia de excitación del laser de la.
      Nota: Para algunos QDs, una pequeña cantidad de HeNe luz es necesaria para permitir que el QD que resonantly emocionado 10 , 31 , 32. La potencia del láser HeNe requiere es generalmente tan baja - unos cien nanowatts - ninguna fluorescencia causada únicamente por este rayo de HeNe puede ser detectada por el CCD.
    6. Maximizar la intensidad de la PL de la QD ajustando la altura y la posición lateral de la lente E1 y la posición axial del lente E2. Optimizar conjuntamente la posición de lentes E1 y E2 para maximizar la intensidad de la fluorescencia de resonancia de la QD.
  2. Método (2) - búsqueda espectral:
    1. fijar el espectrómetro para monitorear la difracción de primer orden en el centro de la longitud de onda de emisión del conjunto QD. Abra la ranura de entrada del espectrómetro.
    2. Sintoniza la frecuencia del láser de excitación en toda la gama de energía del conjunto QD. Un QD resonantly emocionado aparecerá en la CCD como un punto rodeado de par de Anillos luminosos. Escoger un QD que es brillante.
    3. Maximizar su intensidad de PL por afinar la longitud de onda del láser de excitación.
    4. Maximizar la intensidad de la PL del punto de ajuste de la altura y posición de la lateral de E1and la posición axial del lente E2. Optimizar conjuntamente la posición de lentes E1 y E2 para maximizar la intensidad de la fluorescencia de resonancia de la QD.

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Representative Results

La figura 1 muestra una realización particular de los equipos necesarios para lograr la excitación resonante de un punto cuántico único. Otras realizaciones son posibles, pero los componentes críticos son: un camino de excitación a la pareja a la guía de onda; un camino de colección a la guía de fluorescencia detectores; un camino de confocal excitación excitar a lo largo de la trayectoria de la colección; y un camino de iluminación para permitir la proyección de imagen de la superficie de la muestra.

Dos espectros representativos de la pelicula se muestran en la figura 2. Se recogen de un QD neutral [figura 2(a) y (b)] y un cargado QD [figura 2(c) y (d)]. El estado de carga exacto de QD cargado no se puede determinar examinando el espectro. Para lograr la mejor relación señal a ruido, dispersión de láser debe mantenerse al mínimo. Las imágenes de la derecha en la figura 2(a) y (c) mostrar el fondo de dispersión cuando el láser de excitación está lejos desintonizado de resonancia. La dispersión de láser es mucho más débil que la fluorescencia de QD, pero para ilustrar los patrones típicos de dispersión, las imágenes que se han mejorado por 284 y 23 veces, respectivamente. Si estas imágenes se encuentran en la alineación, que implica que existe una dispersión laser fuerte. Múltiples causas pueden conducir a este resultado, como el desalineamiento del acoplamiento en la guía de onda, rasguños en la cara hendida de la guía de onda, un campo de visión demasiado cerca del borde hendido de la muestra, etcetera. Discusiones detalladas sobre cada punto se encuentran en la parte de discusión del presente Protocolo.

La imagen de un QD resonantly emocionado en una microcavidad planar usualmente tendrá disco central con anillos alrededor de ella como se muestra en la figura 3. Este patrón de resultados del acoplamiento de la QD a los eigenmodes plano-agita de la cavidad, cuyas direcciones de propagación son longitud de onda dependiente33. Por lo tanto, la fluorescencia de una sola longitud de onda emerge de la cavidad en un cono hueco cuyo ángulo del vértice se determina por la longitud de onda de la emisión. Cuando esta luz es colimada por el objetivo y enfocada por la lente del tubo, la imagen formada tiene la estructura de anillo-como evidente en la figura 2 y figura 3. Los radios de los anillos y el disco se determinará por el ángulo del ápice y, por tanto, la longitud de onda de emisión. Cuanto menor sea la longitud de onda de emisión, más el ángulo del ápice y menor los radios. El menor ángulo posible del vértice es cero, lo que significa que hay un límite de longitud de onda larga para emisiones que pueden escapar de la cavidad. El mayor ángulo posible apex es determinado por el NA de la lente del objetivo, que significa que hay un atajo de corta longitud de onda de emisión que puede ser recolectado por el sistema óptico. Un objetivo con una NA más grande - o la adición de una lente de inmersión sólidos - extendería este extremo inferior de la banda de colección a más cortos longitudes de onda. Por otro lado, el final de la onda larga de la banda de colección no se puede modificar excepto por cambiar la estructura de la muestra. La figura 3 muestra imágenes de fluorescencia de QDs con longitudes de onda de emisión diferentes que van desde el mínimo hasta la longitud de onda de corte.

Figure 1
Figura 1. Esquema del experimento.
Excitación resonante de un QD solo se realiza por acoplamiento de un haz de láser cw linewidth estrecho (1 MHz) en la guía de onda de la muestra, como se muestra por el camino naranja. La fotoluminiscencia de la muestra se recoge desde el modo de Fabry-Perot, siguiendo el camino rojo. Un láser de helio-Neon (HeNe) proporciona la excitación anterior del boquete de la venda confocally, siguiendo el camino verde. Un iluminador de fabricación casera proporciona una iluminación uniforme de la superficie de la muestra con luz de 940 nm, como se muestra por el camino amarillo. Observe que el esquema no está a escala. FC: acoplador de fibra; Anuncio: diafragma de la abertura; FD: diafragma de campo; POL: polarizador; F: largo filtro; NPBS: polarización cubo divisor de viga; DBR: distribuido reflector de Bragg; CCD: dispositivo de carga acoplada; LED: diodo emisor de luz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. Fluorescencia de resonancia de un punto cuántico único.
(a) imágenes de fluorescencia de un punto cuántico neutral a los detunings diferentes, en frecuencia lineal en la parte superior de cada imagen. Cero desintonización corresponde a 927.8597 nm. (b) espectro de la pelicula del mismo QD neutral, mediante la integración de la intensidad de la PL en un área circular con un diámetro de 8 píxeles alrededor del centro. (c) imágenes de fluorescencia de un QD cargada en diferentes detunings, indicado en frecuencia lineal en la parte inferior de cada imagen. Cero desintonización corresponde a 927.653 nm. (d) espectro pelicula de la misma carga QD, integrando la intensidad de la PL en un área circular de un diámetro de 12 píxeles alrededor del centro. e medida de correlación second-order de la QD neutral en (a) bajo excitación resonante en el pico de bajo consumo de energía. Los marcos de la derecha en (a) y (c) son las imágenes de lejos desintonizado de la excitación, con la intensidad multiplicadas por 284 y 23, respectivamente, para mostrar el fondo de dispersión láser de baja. Tenga en cuenta que el color de la escala para (a) y (c) son diferentes pero compartido entre las sub parcelas individuales. La intensidad normalizada de pelicula en (b) y (d) se representa por puntos orange, mientras que los cuadrados azules indican los datos correspondientes a las imágenes se muestra en (a) y (b), respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. Fluorescencia de resonancia de ocho puntos diferentes en diferentes longitudes de onda en el modo de la cavidad.
Se indica la longitud de onda de resonancia en la parte superior de cada imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Los pasos críticos en el protocolo son: el modo de coincidencia y alineación del haz de excitación al modo de guía de onda. y la alineación apropiada y enfoque de la óptica de la colección. Las partes más difíciles de estos pasos son la alineación inicial; optimizar el acoplamiento de una configuración ya alineado es relativamente sencilla. Superposición de las áreas de la colección y la excitación es un paso que con la capacidad de la muestra en la cámara de la imagen es sencillo, pero es muy difícil sin esta capacidad. Para tener imágenes de alta calidad, adecuada iluminación de Kohler es fundamental. El tema de la iluminación de Kohler está fuera del alcance de este protocolo, pero es un concepto bien conocido en microscopía y se discute ampliamente en la literatura publicada34,35.

La longitud focal de lente señalar aquí son típicos, pero no es necesario. Criostatos de diferentes y otros factores pueden imponer requisitos adicionales o diferentes de la disposición óptica. En tal caso, adecuada selección de longitudes focales de la lente durante el diseño es clave para satisfacer los requisitos de modo de juego en la ruta de la excitación y la iluminación de Kohler en el camino de la colección. Iluminación de Kohler se quedarán satisfechos si las lentes están separadas por la suma de sus distancias focales. Coincidencia de modo adecuado en la guía de onda requiere alta un NA como sea posible, que significa que el rayo debe llenar la apertura del Eobj. El objetivo se encuentra en un monte XYZ de carril casero de cola de Milano que es movible sólo a temperatura ambiente ya que se encuentra dentro del espacio de código del criostato. Esta posición de la muestra de cierre permite el uso de una lente grande de NA y reducir al mínimo la variación térmica en los montajes de la lente, que aumenta la estabilidad mecánica. En este caso, los objetivos son lentes asféricas singlete debido a limitaciones de espacio. Si más espacio disponible, objetivos comerciales de la multi-lente podrían usarse para mejorar la proyección de imagen de calidad, NA y aumento. La disposición experimental podría extenderse para permitir la excitación resonante o cerca-resonante confocal reemplazando M3 con un espejo dicroico y dirigir un haz de excitación a través de los dicroicos y el divisor de viga NPBS.

Si el fondo del láser es demasiado fuerte, pobre acoplamiento del haz de excitación en la guía de onda es una causa posible. El acoplamiento puede reducirse por aspereza, rasguños o contaminación en la cara cortada debido a manejo inadecuado. La cara que se acoplará a no debe ser tocada por nada. Es posible pero difícil de limpiar la cara hendida de contaminación, sino aspereza y arañazos son permanentes. Si la calidad superficial es un problema, una ubicación diferente en la cara descamada puede ser juzgada, pero un cleave fresca puede ser necesario. Fondo de dispersión laser fuerte puede deberse también a la parte desacoplada de la luz de excitación dispersión de polvo en la superficie de la muestra. Otra posibilidad es que el campo de visión está demasiado cerca del borde de la muestra y la dispersión de la luz del borde está entrando en el camino de la colección. Por último, puede ser que la potencia del láser es demasiado alta. Por lo general, la energía del laser de la excitación está en el rango de 0.5 a 10 MW medido en el medidor de potencia se muestra en la figura 1. Aparte de reducir fuentes de dispersión de láser, la dispersión se puede filtrar mediante la adición de un polarizador horizontal en el camino de la colección. Sin embargo, para ver la QD fluorescencia en esta situación requiere un QD cuyo momento dipolar no se alinea con la dirección vertical.

La polarización de excitación se limita a una única opción; en este caso es polarización vertical. Esto es debido a tres restricciones. En primer lugar, la dirección de propagación del haz de excitación se obliga a estar en el plano de la muestra. En segundo lugar, la polarización debe ser perpendicular a la dirección de propagación. En tercer lugar, los momentos de dipolo QD mienten en el plano de la muestra. Si, como en este caso, el haz de excitación se propaga horizontalmente, entonces la única opción de polarización que puede excitar el QDs es vertical. Por el contrario, la polarización de detección no tiene ninguna restricciones impuestas debido a la supresión de dispersión láser se logra principalmente por confinamiento del láser dentro de la guía de onda modo11. Otra limitación es que este esquema de excitación requiere una guía de onda para dirigir la luz hacia el punto cuántico, una estructura que puede no ser factible para todas las muestras. Comparar con de técnica de excitación confocal del oscuro-campo1, que usa polarizadores cruzados para suprimir la dispersión láser. En ese caso, la excitación puede utilizar polarización arbitraria, pero la polarización de detección debe ser ortogonal.

Puntos de quantum sola bajo excitación resonante han demostrado para ser fuentes de fotones individuales excelente con alto brillo, linewidth estrecho y alta indistinción36. Este protocolo proporciona un enfoque viable para aprovechar estas propiedades excepcionales del sistema QD uno mismo-montado para diversas aplicaciones, tales como la información cuántica y computación cuántica óptica lineal. Además, fotones enredaron ya sea con otro fotón o una vuelta del electrón requiere colección independientemente de polarización, que es una característica de este método.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores desean reconocer la Glenn S. Solomon para proporcionar la muestra. Este trabajo fue financiado por la National Science Foundation (DMR-1452840).

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

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