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Fluorescence de résonance d’un point de InGaAs quantique dans une cavité plane à l’aide de détection et Excitation Orthogonal

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

Summary

Excitation résonante d’un point unique quantiques auto-assemblées peut être réalisée à l’aide d’un mode d’excitation orthogonal à la mode de collecte de fluorescence. Nous démontrons une méthode utilisant le Guide d’ondes et les modes de Fabry-Perot d’une microcavité planaire entourant les points quantiques. La méthode permet une liberté totale dans la polarisation de la détection.

Abstract

La possibilité d’effectuer la détection simultanée de fluorescence et de l’excitation résonante est importante pour la mesure optique quantique des points quantiques (QDs). Excitation résonante sans détection de fluorescence – par exemple, une mesure de la transmission différentielle – peut déterminer certaines propriétés du système électroluminescent, mais n’autorise pas les applications ou les mesures basées sur les photons émis. Par exemple, la mesure des corrélations de photon, l’observation du triplet Mollow et réalisation des sources de photon unique tous les besoin de collection de la fluorescence. Excitation incohérente avec détection par fluorescence – par exemple, ci-dessus l’excitation de la bande interdite – peut être utilisée pour créer des sources de photon unique, mais la perturbation de l’environnement en raison de l’excitation diminue les végétations des photons. Sources de photon unique issus des QDs devront être résonance heureux d’avoir des végétations photon haute et collection simultanée des photons sera nécessaire pour rendre les utilisent. Nous démontrons une méthode résonance exciter une QD même incorporé dans une cavité planaire en couplant le faisceau de l’excitation dans cette cavité de la face clivée de l’échantillon, tout en collectant la fluorescence le long de la direction normale surface de l’échantillon. En faisant soigneusement correspondre le faisceau d’excitation sur le mode de guide d’ondes de la cavité, la lumière d’excitation peut coupler dans la cavité et d’interagir avec la QD. Les photons dispersés peuvent coupler sur le mode de Fabry-Perot de la cavité et d’évasion dans la direction normale de surface. Cette méthode permet une liberté totale dans la polarisation de la détection, mais la polarisation de l’excitation est limitée par la direction de propagation du faisceau excitation. La fluorescence de la couche de mouillage fournit un guide pour aligner le chemin de la collection en ce qui concerne le faisceau de l’excitation. L’orthogonalité des modes d’excitation et de détection permet une excitation résonante d’une seule QD avec fond de diffusion laser négligeable.

Introduction

Excitation résonante d’un émetteur de quantique unique combinée avec la détection par fluorescence a été un défi expérimental à long terme, principalement en raison de l’incapacité à discriminer spectralement la fluorescence faible de la diffusion de forte excitation. Cette difficulté, cependant, a été surmontée avec succès ces dix dernières années par deux approches différentes : champ sombre excitation confocale basé sur la polarisation discrimination1,2,3,4 ,5et orthogonale excitation-détection basée sur le mode spatial discrimination6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Les deux approches démontrent une forte capacité significativement réprimer la diffusion laser et donc sont largement adoptées dans diverses expériences, par exemple, l’observation de spin-photon enchevêtrement5,15, 16, démonstration d’États habillé2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26et manipulation cohérente du clos tours3,27,28,29,30. Aucune approche peut être universellement appliqué à toutes les situations ; chacun se limite à certaines conditions précises. La technique de fond noir utilise le degré de liberté de polarisation des photons pour réprimer la diffusion de laser d’excitation. Cette technique présente plusieurs avantages. Par exemple, il n’y a aucune exigence pour un mode de guide d’onde bien définie, qui permet seule confocal mise en œuvre. La mise en œuvre confocale permet excitation polarisée circulairement et éventuellement plus serré mise au point de la poutre d’excitation à l’émetteur de quantique, ce qui entraîne une plus forte intensité d’excitation. Toutefois, cette méthode de polarisation sélective restreignent la polarisation de détection pour être orthogonal à la polarisation de l’excitation et empêche ainsi une caractérisation complète des propriétés de polarisation de la fluorescence. En comparaison, la discrimination mode spatial préserve la liberté complète de polarisation de détection en utilisant l’orthogonalité entre les modes de propagation de l’excitation et détection des poutres pour réprimer la diffusion de laser4. Les contraintes de cette technique sont la nécessité d’une structure de guide d’ondes dans l’échantillon de fournir un mode d’excitation orthogonal à la mode de détection et la restriction de la polarisation de l’excitation d’être perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau .

Ici, nous démontrons un protocole pour la construction d’une installation gratuite-space-based orthogonal excitation-détection pour les expériences de fluorescence de résonance. Comparée au travail pionnier sur la discrimination mode spatial où une fibre optique a été utilisée pour coupler la lumière dans la cavité6, ce protocole offre une solution dans l’espace libre et ne nécessite pas de constituants cinétiques pour monter soit l’échantillon ou le fibre au cryostat. Un contrôle précis des directions de la poutre de l’excitation et le chemin d’accès détection sont manipulées par optique externe au cryostat, tandis que les lentilles asphériques singulet servent de mise au point des objectifs à l’intérieur de la région froide du cryostat. Nous fournissons des images représentatives des étapes clés de l’alignement en voie d’atteindre l’excitation résonante et détection de la fluorescence par un point quantique unique.

L’échantillon utilisé pour cette démonstration est cultivé par épitaxie par jet moléculaire (MBE). Les boîtes quantiques InGaAs (QDs) sont incorporés dans une entretoise de GaAs qui est délimitée par deux réflecteurs de Bragg distribués (DBRs), comme illustré dans la vue zoom de l’échantillon à la Figure 1. L’entretoise de GaAs entre le DBRs agit comme un guide d’onde, où le faisceau d’excitation se limite de réflexion totale interne. Le DBRs a également agir comme grande réflectivité miroirs pour wavevectors qui sont presque perpendiculaire au plan de l’échantillon. Celui-ci constitue un mode de Fabry-Perot auquel les QDs couple lors de l’émission de fluorescence. Le mode de Fabry-Perot doit être en résonant avec l’émission longueur d’onde λ des QDs, qui exige l’entretoise de GaAs être un entier multiple de λ/n, où n est l’indice de réfraction de GaAs. Pour cette démonstration, l’épaisseur de l’entretoise de GaAs est choisie pour être 4λ/n, qui est environ de 1 µm, afin d’être près de la taille de tache de diffraction limitée du faisceau incident d’excitation. Un espacement plus étroit se traduirait par une efficacité de couplage plus faible de la poutre de l’excitation dans le mode de guide d’ondes.

Le montage expérimental est illustré à la Figure 1. Pour maximiser l’efficacité de couplage, un objectif de simple lentille asphérique Eobj avec ouverture numérique NA = 0,5 et focale de 8 mm est choisi pour focaliser le faisceau d’excitation sur la face clivé de l’échantillon. La fonction du télescope képlérienne (composée de la paire de lentille E1 et E2) dans le chemin d’accès d’excitation est double : (1) pour obturer l’ouverture de l’excitation objectif Eobj de sorte que le faisceau d’excitation est étroitement axé pour mode-correspondant mieux à Guide d’ondes (en Cette prise de conscience du diamètre de faisceau collimaté est de 2,5 mm) et (2) pour fournir les trois degrés de liberté de manœuvre le point focal de la poutre d’excitation à la face clivée de l’échantillon. Objectif E1 est monté sur une monture de translationnelle XY qui fournit les deux degrés de liberté de déplacer le spot d’excitation librement dans le plan de la face de l’échantillon clivées. Objectif E2 est monté sur un zoom antirotation logement qui offre la liberté de choisir la profondeur du point focal dans l’échantillon. Ces trois degrés de liberté nous permettent d’optimiser l’excitation résonante d’une seule QD sans nécessiter le déplacement de l’échantillon lui-même.

Dans le chemin d’accès de la collection de fluorescence, une configuration similaire de la lentille (Lobj, L1 et L2) est utilisée pour permettre la détection de la fluorescence provenant de différentes parties de l’échantillon. La lumière de l’échantillon est portée par un des deux verres tube sur soit une sensible IR caméra (Lcam) ou la fente d’entrée du spectromètre (Lspec). Mouvement de L1 le long de l’axe z ajuste la mise au point de l’image, et translation latérale de L2, l’image est de balayer le plan de l’échantillon. Les focales de L1 et L2 sont égaux, donc leur grossissement est l’unité. Ceci est fait pour maximiser la gamme que L2 peuvent être traduits avant le vignettage se produit.

Pour faciliter l’alignement et l’emplacement d’une QD, un illuminateur de construction artisanale fondé sur l’illumination Kohler est incorporé dans la configuration, comme illustré à la Figure 1. L’illumination de Kohler vise à fournir un éclairage homogène à l’échantillon et de veiller à ce qu’un image de la source lumineuse de l’éclairage n’est pas visible dans l’image de l’échantillon. Les configurations de la lentille de l’illuminateur et le chemin de la collection sont soigneusement conçues pour séparer les avions conjugué image de l’échantillon et la source lumineuse. Toutes les lentilles dans le chemin de la collection sont séparé de ses voisins par la somme de leurs longueurs focales. Ceci garantit que chaque fois que l’image de l’échantillon est mise au point – tels que vers le capteur de la caméra – l’image de la source lumineuse est complètement défocalisé. De même, où l’image de la source lumineuse est en bref – comme dans le plan focal arrière de l’objectif – l’image de l’échantillon est complètement défocalisé. La source lumineuse est un commercial light emitting diode (LED) émettant à 940 nm. L’ouverture du diaphragme permet le réglage de l’intensité de l’éclairage et le diaphragme de champ détermine le champ de vision à être éclairée. Les clés pour réaliser un éclairage homogène sont pour définir la distance entre K4 et L2 pour correspondre à la somme de la longueur focale des deux lentilles de l’objectif, et faire en sorte que l’ouverture de Lobj n’est pas trop rempli par l’éclairage. Dans ce protocole, l’éclairage est également utilisé pour optimiser la distance entre Lobj et l’échantillon.

L' objectif Lobj et soit l’objectif tube fournit un grossissement de 20 x sur l’appareil ou le spectromètre. La paire de lentille L3 et L4 entre Lobj et Lspec forme un autre télescope képlériens qui fournit un grossissement de 4 supplémentaire x à l’image sur le dispositif de couplage charge (CCD) du spectromètre. L’ajout de lentilles entraîne un grossissement total de 80 x, ce qui est nécessaire de distinguer dans l’espace fluorescence de proximité QDs. L3 et L4 L3 et L4 est montés sur le retournement de montures pour faciliter le passage de l’agrandissement, car un grossissement x 20 fournit un plus grand champ de vision sur l’échantillon.

Pour chevaucher le champ de vision de la trajectoire de la collection avec le chemin de la poutre de l’excitation grâce à Guide d’ondes, les émissions provenant du continuum du mouillage couche point quantique sont utile. On peut déterminer la longueur d’onde d’émission de la couche de mouillage en mesurant le spectre d’émission de l’échantillon sous ci-dessus l’excitation de la bande interdite. Pour notre exemple, mouillage d’émission couche se produit à environ 880 nm à 4,2 K. En couplant un faisceau de laser cw à 880 nm dans le Guide d’ondes de l’échantillon, on peut observer un motif stries formées par la PL de la couche de mouillage, qui est montrée dans la vidéo ci-jointe. Le streak révèle le chemin de propagation de la lumière d’excitation qui a été couplé à Guide d’ondes. La présence de cette série combinée avec la capacité de la surface de l’échantillon d’images facilite l’alignement de personnalisation.

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Protocol

mise en garde : s’il vous plaît être conscient des dangers possibles de la diffusion pendant l’alignement laser. Porter des lunettes de sécurité appropriées pour la protection. Afin de faciliter le processus d’alignement, une visionneuse infrarouge (IR-viewer) est nécessaire. Une carte fluorescente IR sensibles est également utile mais pas nécessaire.

1. préparation des échantillons

  1. utiliser un diamant scribe pour faire une infime éraflure sur le bord de la surface supérieure de l’échantillon à l’emplacement désiré de la cleave. Utiliser deux paires de pinces culot plat pour contenir l’échantillon des deux côtés de la rayure. Appliquer un couple de rotation vers l’extérieur avec la pince à épiler et l’échantillon va Cliver.
    NOTE : Une longue éraflure n’est pas nécessaire de promouvoir le clivage, et il sera probablement coupé à travers la couche de guide d’ondes, ce qui rend impossible le voyant de couplage. La face clivée est assez délicate pour que n’importe quel contact sur sa surface susceptible d’endommager le visage de guide d’ondes.
  2. Fixer le morceau de clivées échantillon sur une plaque de cuivre d’échantillon à l’aide de peinture argentée thermoconducteur ou époxy alu.
    NOTE : Le visage clivé doit affleurer le bord de la plaque de montage afin que le laser d’excitation va frapper le visage de l’échantillon sans ingérence.
  3. Monter la plaque de cuivre dans le cryostat afin qu’aussi bien le visage clivé et la surface de l’échantillon sont optiquement accessibles à travers les fenêtres du cryostat.

2. L’alignement du parcours d’Excitation résonante

Remarque : afin de maximiser l’efficacité de couplage dans le Guide d’ondes, le profil du faisceau incident excitation doit être comparée à celle d’un imaginaire en arrière se propageant faisceau sortant le Guide d’ondes.

  1. Grossier alignement du faisceau de laser d’excitation à la face clivée de l’échantillon.
    1. Utiliser les degrés de liberté, de la fibre optique coupleur FC0 et miroir M0 pour diriger le faisceau de l’excitation sur le visage clivé de l’échantillon avant que les lentilles d’excitation sont installées.
    2. Mettre à niveau le faisceau d’excitation horizontalement par rapport au plan de l’échantillon tant en ce qui concerne la table optique.
  2. Installation d’objectif d’excitation E obj
    1. mettre lentille asphérique E obj dans une monture translationnelle avec trois degrés de liberté de translation. Centre E obj sur le laser et régler la hauteur du E obj soit le même que le centre de l’échantillon.
    2. Mis en place un écran blanc derrière l’échantillon sur le chemin de l’excitation. Utilisez une IR-visionneuse pour observer une tache lumineuse sur le papier en raison de la lumière laser en passant par l’échantillon.
    3. E glisser obj dans l’échantillon du lentement jusqu'à ce qu’une image de la silhouette claire de l’échantillon peut être vu sur le papier. Régler la position horizontal et vertical de E obj pour centrer la silhouette au milieu de la tache lumineuse.
    4. Continuer à glisser lentement E obj dans l’échantillon, et l’image de la silhouette sur l’écran subit un grossissement. Dans le même temps, ajuster la position latérale de E obj (gauche/droite) pour compenser le décalage horizontal de l’image de la silhouette.
      Remarque : Pendant le mouvement lent de E obj sur l’échantillon, franges de diffraction vont commencer à apparaître à un moment donné. Ceci fournit une nouvelle référence pour mettre l’endroit ciblé à la couche de surface de l’échantillon.
    5. Continuer à glisser lentement E obj dans l’échantillon. A chaque emplacement de E obj, obj Maj E gauche/droite augmenter l’espacement de frange jusqu'à ce qu’il n’y a qu’une seule frange visible à chercher des franges sur l’écran.
      Remarque : Il y aura deux groupes de franges, un à gauche et l’autre à droite de la surface de l’échantillon.
    6. Localiser Slide E obj Eobj à une position qui minimise le nombre de franges visibles.
  3. L’alignement des lentilles télescope E1 et E2
    1. Insérez lentilles E1 et E2 dans le chemin d’accès d’excitation centrée sur le faisceau laser. Position E2 séparés E obj par la somme de leurs longueurs focales. Définir la séparation entre E1 et E2 est la somme de leurs longueurs focales, par exemple, f 1 + f 2 = 150 mm.
    2. observer la silhouette et diffraction le patron sur le papier avec un IR-viewer. Régler la hauteur du E1 pour centrer la silhouette au centre de la tache d’illumination laser lumineux.
    3. Glisser E2 rapprochent ou s’éloignent E1 tout en ajustant la position latérale de E1. Sûr E1 et E2 aux positions que les deux frange groupes disparaissent ou afficher un nombre minimum de franges à la vue.
    4. Insérer un polariseur orienté verticalement POL avant E1 et la centrer sur le faisceau de l’excitation.
      Remarque : certains polariseurs ont une angle de biseau léger, dans lequel cas le faisceau d’excitation connaîtra une déviation angulaire. Utilisez E1 et E2 pour compenser cet écart.

3. Alignement de Photoluminescence Collection chemin

Remarque : les performances du système d’imagerie construit dans le chemin de la collection sont déterminée principalement par la précision du positionnement de L obj en raison de sa longueur focale courte () f obj = 10 mm, NA = 0,55). Deux étapes générales sont impliqués dans l’alignement de L obj : alignement grossier par un laser HeNe et de les retravailler très bien à l’aide de l’éclairage et l’émission d’exciton en vrac de GaAs. Ces étapes d’alignement sont effectuées avec l’échantillon à la température ambiante.

  1. L’alignement de la chemin d’excitation de bande interdite (HeNe) ci-dessus et l’installation de la caméra :
    1. Couple un faisceau laser de ci-dessus bande interdite (HeNe) dans une fibre monomode.
    2. Diriger le faisceau de sortie de la fiber collimateur FC1 sur l’échantillon via un miroir M3.
    3. Tilt FC1 horizontalement pour centrer le laser spot sur l’échantillon d’environ 1 mm du bord clivé. Inclinez le M3 horizontalement pour décaler la réflexion arrière du faisceau laser d’être immédiatement au-dessus ou au-dessous du faisceau incident. Répétez ce processus plusieurs fois jusqu'à ce que les deux critères de.
    4. Tilt FC1 et M3 verticalement au niveau de la poutre HeNe en ce qui concerne la table optique et le donjon, il a ordonné à l’échantillon.
    5. Utiliser la visionneuse de l’IR pour localiser le laser résonant tant les taches de laser HeNe sur l’échantillon. Vérifier que le centre du spot laser HeNe est à la même hauteur que le faisceau laser résonante. Si non, utilisez FC1 et M3 pour correspondre à la hauteur de la poutre tout en gardant le faisceau HeNe niveau avec la table.
    6. Insérer le non polarisant beam splitter cube (90/10), NPBS, dans l’acheminement de HeNe. Centrez le cube dans le faisceau incident de HeNe.
    7. Localiser les deux faisceaux à la sortie de séparateur de faisceau vers le chemin de la collection, une réflexion à partir de l’échantillon et l’autre de réflexion interne dans le cube.
    8. Tourner le cube par un petit angle (~ 5 degrés) de telle sorte que les deux faisceaux peuvent être facilement séparés à la sortie. La lumière réfléchie par la surface de l’échantillon peut servir comme guide brut d’aligner la caméra.
      NOTE : La direction du faisceau réfléchi en interne ne changera pas quand le cube tourne autour de l’axe vertical.
    9. Niveau du cube en ce qui concerne l’onglet optiquele en s’assurant que le faisceau de HeNe correspondant à la réflexion interne à l’intérieur du cube est à la même hauteur que le faisceau entrant.
      10. Caméra
    10. put une IR-sensible dans le chemin d’accès du dossier reflète HeNe faisceau. Utiliser un tube lentille L cam avec une longueur focale de 200 mm pour mettre l’image de l’échantillon sur la caméra.
      NOTE : Un système de construction artisanale tube est utilisé à la maison de la lentille L cam, comme illustré à la Figure 1, qui empêche errant chambre lumineuse d’être détecté par la caméra.
    11. Mis en place un filtre de long-pass nm 800, F1, devant L cam pour filtrer la lumière, HeNe qui permet l’observation des PL de l’échantillon avec la caméra.
  2. De l' installation et l’optimisation de la position de la lentille L obj
    1. mettre lentille asphérique L obj dans une monture translationnelle avec trois degrés de liberté de translation. Centre L obj sur le laser HeNe et définissez la séparation de l’échantillon à la distance focale, f obj = 10 mm.
    2. Ensemble lentille paire L1 et L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) en utilisant un montage translationnel XY où un côté est fixe et l’autre côté est mobile dans le plan latéral contrôlé par micromètres.
      NOTE : Lentille L2 va dans le côté mobile du Mont. L1 est détenue par un tube de lentille et attachés à la partie fixe de la monture. Le système de tube offre la liberté d’ajuster la distance entre les deux lentilles en vissant la sortie du tube de lentille holding L1 le long de l’axe optique /.
    3. Régler la distance entre les deux lentilles pour être 100 mm L2 mis au centre de la monture en ajustant les micromètres.
    4. Insérer le combo de lentille L1 et L2 dans l’acheminement de HeNe entre NPBS et le cryostat. Définir la distance entre la L1 et L obj f obj + f 1. Centre de L1 et L2 sur l’incident de lumière HeNe.
    5. Insérer l’illuminateur et la pellicule dans l’acheminement de collection, comme illustré à la Figure 1. Définir la distance entre K4 et L2 pour correspondre à la somme de leurs focales de l’objectif.
    6. Centre du faisceau d’éclairage sur L2 en ajustant l’angle de l’illuminateur.
    7. Ajuster l’angle de la pellicule au centre de l’arrière reflète éclairage lumière visible dans l’image de la caméra à la PL tache causée par excitation HeNe.
      Remarque : Dans le but de l’alignement, on peut fermer le diaphragme de champ pour trouver le centre de la zone éclairée.
    8. En utilisant uniquement la lumière illuminateur, trouver un défaut de surface ou de la poussière sur l’échantillon en regardant la caméra. Rechercher d’autres parties de l’échantillon au besoin en déplaçant latéralement les L2.
    9. Touchez légèrement L obj in/out, le long de l’axe optique pour faire le bord du vice ou de poussière plus forte.
    10. MAJ L2 de retour au centre de la monture.
    11. Vue la PL HeNe-excité spot sur la caméra et déplacer L obj horizontalement afin que le spot de PL est 1-2 mm du bord clivé de l’échantillon.
      Remarque : Pour une distance inférieure à 1 mm, la dispersion de laser du bord clivé de l’échantillon serait perçue par objectif L obj. Alors que pour une distance trop loin de la face clivée, le faisceau d’excitation peut éprouver atténuation avant d’atteindre la QD, qui réduit la puissance d’excitation maximale disponible.
    12. MAJ L2 horizontalement jusqu’au bord clivé de l’échantillon est indiquée sur l’appareil photo sous illumination.
    13. Lentement Maj L obj verticalement pour rechercher un laser lumineux spot sur le bord clivé de l’échantillon, qui est causée par la dispersion du faisceau à la face clivé de l’échantillon excitation résonante.
    14. Niveau de la tache de PL causée par HeNe excitation au laser lumineux spot sur le bord clivé de l’échantillon.
  3. Nouveau tracé du chemin HeNe excitation en ce qui concerne le nouvel emplacement de L obj .
    Remarque : Pour maximiser la zone numérisable et réduire le vignettage, il est nécessaire de recentrer l’optique de l’excitation et le faisceau d’excitation en ce qui concerne l’emplacement de L obj.
    1. Remove L1 et L2. Centre de la poutre d’excitation sur L obj tout en s’assurant de la poutre est dans la direction normale surface de l’échantillon.
    2. Centre de L2 sur la monture. Centrez les L1 et L2 sur le faisceau incident d’excitation. Définir la distance entre la L1 et L obj étant la somme des deux distances focales, c'est-à-dire, f 1 + f obj.
    3. Repositionner L cam telle qu’elle est centrée sur HeNe réfléchie du faisceau. Repositionner la caméra tels que le HeNe excité PL (utiliser un filtre passe-longue) sont centrée sur l’image.
    4. Ajuster l’angle de l’éclairage et la pellicule pour centrer l’éclairement lumineux sur L2 et sur le spot de PL causé par une excitation HeNe.
  4. L’alignement des miroirs M1 et M2.
    NOTE : Un laser dirigé vers l’arrière par le spectromètre permettra de faciliter l’alignement.
    1. PL moniteur le HeNe et excités de l’échantillon à la caméra. Centre de l’iris (Iris A) sur la PL entre la pellicule et la M1.
    2. Centre lentille L spec sur la poutre arrière et placer un focale f spec loin de la fente d’entrée du spectromètre.
    3. Envoyer le faisceau inverse partir le spectromètre à l’échantillon en se reflétant sur les deux miroirs, M1 et M2.
    4. Mis en place un autre iris (Iris B) entre le centre et M2 et L spec sur la poutre arrière.
    5. Steer M2 au centre de l’inverse du faisceau sur Iris A. Steer M1 pour centrer le PL sur Iris B. Repeat ce processus plusieurs fois jusqu'à ce que les deux critères sont respectés.
    6. Trouver le centre de la fente d’entrée (largeur de 30 μm) du spectromètre du capteur CCD, en surveillant la diffraction de zéro-ordre de la lumière ambiante.
    7. Ouvrir la fente d’entrée du spectromètre. En utilisant un filtre de longue passe 800 nm, le PL de l’échantillon sous excitation HeNe peut être observée sur le CCD.
    8. Steer M1 au centre de cet endroit à l’entrée du spectromètre et à la mi-hauteur de la CCD, à fente et diriger M2 pour centrer le faisceau inverse sur Iris A. Repeat ce processus plusieurs fois jusqu'à ce que les deux critères sont satisfaites.
    9. Alignement de lentille paire L3 et L4 : Position L3 dans le chemin d’accès de PL collection à un emplacement qui est f 2 + f 3 de la lentille L2. L4 de la place dans la voie de la collection séparée de L3 par la somme de leurs longueurs focales, de f 3 + de f 4. Ajustez la position latérale du L4 pour point central le PL sur le CCD.

4. Chevauchement du chemin en ce qui concerne le chemin d’Excitation résonante Collection PL

  1. Cool vers le bas de l’échantillon à 4,2 K. Avec l’excitation de l’au-dessus-band, utiliser le spectromètre pour déterminer la longueur d’onde d’émission de la couche de mouillage (généralement autour de 880 nm).
  2. Mis en place un filtre F1 de 800 nm long passage devant L cam pour bloquer la lumière HeNe. Avec l’aide de la lumière éclairante, décaler L2 horizontalement pour repérer le bord clivé de l’échantillon sur la caméra.
  3. Définir la longueur d’onde de côté excitation d’être en résonance avec la couche de mouillage. Localiser une tache de diffusion lumineuse au bord clivé de l’échantillon sur la caméra.
  4. Observer un " modèle strie " de photoluminescence sur la caméra en ajustant la position latérale de E1. Maximiser l’intensité de la raie en déplaçant latéralement les E1.
    Remarque : Le " strie " est l’émission de couche de mouillage, ce qui implique que le faisceau d’excitation est couplé dans le Guide d’ondes de l’échantillon.
  5. E1 ajuster verticalement pour déplacer le streak se chevaucher avec la tache de PL causée par l’excitation HeNe.
  6. Enregistrer l’intensité de la couche de mouillage PL. E2 de régler dans un sens, puis ré-optimiser la position de E1 ; encore enregistrer l’intensité de la PL et comparer la valeur antérieure à.
  7. Si l’intensité a augmenté, répétez l’ajustement de E2 dans le même sens. Si l’intensité a diminué, puis retournez l’ajustement de l’E2. Répétez cette procédure pour trouver des positions optimales pour E1 et E2.

5. Excitation résonante d’un simple point de Quantum

< classe p = « jove_content »> NOTE : Il y a deux approches possibles pour réaliser une excitation résonante d’une seule QD : (1) Réglez la fréquence d’excitation du laser pour correspondre à une résonance QD spécifique ; ou (2) balayez la fréquence du laser sur les énergies de résonance de l’ensemble QD jusqu'à ce qu’on observe la fluorescence de résonance d’une seule QD.

  1. Excitation méthode (1) - ciblé :
    1. définie le spectromètre pour surveiller la diffraction de premier ordre au centre de la longueur d’onde d’émission de l’ensemble QD sous ci-dessus l’excitation de la bande interdite. Ouvrir la fente d’entrée du spectromètre.
    2. Régler la puissance de l’excitation au-dessus de bande jusqu'à ce qu’un fond lumineux apparaît en raison de l’excitation de la queue du continuum des États couche mouillant. Fermer l’entrée à fente à 30 μm.
    3. MAJ L2 latéralement pour trouver une convenable QD - par exemple, celui plus brillants en vue. Enregistrer la longueur d’onde de la λ QD QD telle que mesurée par le spectrophotomètre.
    4. Régler la longueur d’onde du laser excitation résonante d’être la même valeur que λ QD.
      NOTE : Souvent, le spectromètre peut capter le signal de faiblesse de la diffusion de l’excitation résonante de laser de l’optique. Si non, diriger une scission de la poutre de l’excitation dans le spectromètre.
    5. Optimiser la QD ' intensité s PL à relatives à la Convention par la fréquence du laser excitation affiner.
      Remarque : Pour certains QDs, une petite quantité de lumière HeNe est nécessaire pour permettre la QD à résonance excité 10 , 31 , 32. La puissance du laser HeNe requise est habituellement faible - quelques centaines nanowatts - qu’aucune fluorescence ne causée uniquement par ce faisceau HeNe peut être détectée par le capteur CCD.
    6. Maximiser l’intensité de la PL de la QD en ajustant la hauteur et la position latérale de lentille E1 et la position axiale de lentille E2. Optimiser conjointement les positions des lentilles E1 et E2 pour maximiser l’intensité de la fluorescence de résonance de la QD.
  2. Méthode (2) - recherche spectrale :
    1. définir le spectromètre pour surveiller la diffraction de premier ordre au centre de la longueur d’onde d’émission de l’ensemble de la QD. Ouvrir la fente d’entrée du spectromètre.
    2. Régler la fréquence de l’excitation de laser sur toute la gamme d’énergie de l’ensemble de la QD. Une résonance heureux QD apparaîtra sur le CCD comme un point entouré de deux ou trois anneaux aérée. Choisir une QD c’est lumineuse.
    3. Maximiser son intensité PL en affiner la longueur d’onde du laser excitation.
    4. Maximiser l’intensité de la PL de la dot en réglant la hauteur et le latéral du poste de E1and la position axiale de lentille E2. Optimiser conjointement les positions des lentilles E1 et E2 pour maximiser l’intensité de la fluorescence de résonance de la QD.

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Representative Results

La figure 1 montre une réalisation particulière de l’équipement nécessaire pour accomplir une excitation résonante d’un point quantique unique. Autres réalisations sont possibles, mais les pièces essentielles : un chemin d’excitation pour le couple à Guide d’ondes ; un chemin de collection pour guider la fluorescence aux détecteurs ; un chemin d’accès d’excitation confocal pour exciter le long du sentier de la collection ; et un circuit d’éclairage pour permettre à l’imagerie de la surface de l’échantillon.

Deux spectres représentatifs de RPLE sont indiquées à la Figure 2. Ils sont prélevés sur une QD neutre [Figure 2(a) et (b)] et une QD chargée [Figure 2(c) et (d)]. L’état de charge exacte de la QD chargée ne peut être déterminé en examinant le spectre. Pour obtenir le meilleur rapport signal-bruit, diffusion laser doit être réduite au minimum. Les images à droite dans la Figure 2(a) et (c) montrent le fond de diffusion lorsque le laser d’excitation est extrême-désaccordé de résonance. La dispersion de laser est beaucoup plus faible que la fluorescence QD, mais pour illustrer les modèles typiques de la diffusion, les images ont été améliorés par 284 et 23 fois, respectivement. Si ces images sont rencontrés dans l’alignement, il implique qu’une dispersion forte laser est présente. Plusieurs causes peuvent conduire à ce résultat, comme un mauvais alignement de l’accouplement dans le Guide d’ondes, rayures sur la face clivée de guide d’ondes, un champ de vision trop près du bord clivé de l’échantillon, etc.. Des discussions détaillées sur chaque point figurent dans la partie de la Discussion du présent protocole.

L’image d’une résonance heureux QD dans une microcavité planaire auront généralement un disque central avec des anneaux autour tel qu’illustré à la Figure 3. Cette tendance résulte de l’accouplement de la QD aux modes propres les ondes planes de la cavité, dont directions de propagation sont de longueur d’onde dépendant33. Ainsi, la fluorescence d’une seule longueur d’onde émerge de la cavité dans un cône creux dont angle apex est déterminée par la longueur d’onde de l’émission. Quand cette lumière est collimatée par l’objectif et portée par la lentille du tube, l’image formée a la structure de l’anneau comme évidente dans la Figure 2 et Figure 3. Les rayons des anneaux et disque seront déterminés par l’angle de sommet et donc la longueur d’onde d’émission. Plus la longueur d’onde d’émission, plus l’angle de l’apex et petits rayons. Le plus petit angle possible apex est zéro, ce qui signifie qu’il y a une coupure de longueur d’onde d’émission qui peut s’échapper de la cavité. Le plus grand angle possible apex est déterminé par la NA de l’objectif, ce qui signifie qu’il y a une coupure de courte longueur d’onde d’émission pouvant être collectées par le système optique. Un objectif avec une plus grande NA - ou l’ajout d’un objectif à immersion solide - étendrait cette extrémité inférieure de la bande de la collection de courtes longueurs d’onde. En revanche, la fin de la longueur d’onde de la bande de collection ne peut être modifiée sauf en changeant la structure de l’échantillon. La figure 3 montre les images de fluorescence de QDs longueur d’onde d’émission différentes allant du minimum jusqu'à la longueur d’onde de coupure.

Figure 1
La figure 1. Schéma de l’expérience.
Excitation résonante d’une seule QD est réalisée en couplant un faisceau de laser cw à spectre étroit (1 MHz) dans le Guide d’ondes de l’échantillon, tel que représenté par le chemin d’accès orange. La photoluminescence de l’échantillon prélevée le mode Fabry-Perot, suivant le chemin rouge. Un laser hélium-néon (HeNe) fournit l’excitation de bande interdite ci-dessus confocally, suivant le chemin vert. Un illuminateur de construction artisanale fournit un éclairage homogène de la surface de l’échantillon à 940 nm, tel que représenté par le tracé jaune. Notez que le schéma n’est pas à l’échelle. FC : coupleur de fibres ; AD : diaphragme d’ouverture ; FD : diaphragme de champ ; POL : polariseur ; F: filtre passe-longue ; NPBS : non polarisant cube séparateur de faisceau ; DBR : réflecteur de Bragg distribué ; CCD : dispositif de couplage charge ; LED : diodes électroluminescentes. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
La figure 2. Fluorescence de résonance d’un point quantique unique.
(a) les images de la fluorescence d’un point de neutre quantique à différents désaccords, a indiqué en fréquence linéaire sur le dessus de chaque image. Zéro désaccord correspond à 927.8597 nm. (b) le spectre RPLE de la même QD neutre, en intégrant l’intensité PL dans une zone circulaire d’un diamètre de 8 pixels autour du centre. (c) les images de la fluorescence d’une QD chargée à différents désaccords, a indiqué en fréquence linéaire au bas de chaque image. Zéro désaccord correspond à 927.653 nm. d spectre RPLE du même facturés QD, en intégrant l’intensité PL dans une zone circulaire d’un diamètre de 12 pixels autour du centre. (e) mesure de la corrélation de second ordre de la QD neutre au point a sous excitation résonante à l’apogée de basse énergie. Les cadres plus à droite aux alinéas a et c sont les images d’excitation extrême-désaccordé, avec l’intensité multipliées par 284 et 23, respectivement, pour montrer le contexte de diffusion laser faible. Notez que la couleur à l’échelle pour (a) et (c) sont différentes mais partagé parmi les sous-groupe des parcelles individuelles. L’intensité normalisée de RPLE (b) et (d) est représenté respectivement par les points orange, tandis que les cases bleues indiquent les données correspondant aux images montrées dans (a) et (b). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
La figure 3. Fluorescence de résonance de huit points différents à différentes longueurs d’onde dans le mode de la cavité.
La longueur d’onde de résonance est indiquée au haut de chaque image. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Les étapes critiques du protocole sont : le mode de correspondance et l’alignement du faisceau excitation à la mode de guide d’ondes ; et un alignement correct et mise au point de l’optique de la collection. Les parties les plus difficiles de ces étapes sont l’alignement initial ; optimiser le couplage d’une installation déjà aligné est relativement simple. Les collecte et l’excitation zones de chevauchement sont une étape qui est simple avec la possibilité de l’image de l’échantillon sur la caméra, mais est très difficile sans cette fonctionnalité. Afin de disposer d’imagerie de haute qualité, bon éclairage de Kohler est critique. Le sujet de l’éclairage Kohler déborde le cadre du présent protocole, mais est un concept bien connu en microscopie et on discute de manière exhaustive dans la littérature publiée34,35.

Les focales de noter ici sont typiques, mais pas obligatoire. Cryostats différents et autres facteurs peuvent imposer des exigences supplémentaires ou différentes sur l’arrangement de l’optique. Dans un tel cas, bon choix des focales lors de la conception est essentielle pour satisfaire aux exigences du mode de couplage dans le chemin de l’excitation et l’illumination Kohler dans le chemin de la collection. Illumination de Kohler sera satisfaite si les lentilles sont séparés par la somme de leurs longueurs focales. Bon mode de correspondance dans le Guide d’onde requiert aussi haut une NA que possible, ce qui signifie que le faisceau doit remplir l’ouverture de Eobj. L’objectif est situé dans une maison de queue d’aronde XYZ planchette qui est mobile seulement à la température ambiante, car il est situé à l’intérieur de l’espace de code du cryostat. Cette position de clôture à l’échantillon permet l’utilisation d’une grosse lentille NA tout en minimisant la variation thermique dans les monts de la lentille, ce qui augmente la stabilité mécanique. Les objectifs sont dans ce cas les lentilles asphériques singulet en raison de contraintes d’espace. Si plus d’espace est disponible, commerciales multi-objectif objectifs pourraient servir plutôt pour améliorer la qualité d’imagerie, NA et grossissement. Le montage expérimental pourrait être étendu pour permettre confocale excitation résonante ou près de résonance en remplaçant M3 avec un miroir dichroïque et diriger un faisceau d’excitation à la fois le dichroïque et le séparateur de faisceau NPBS.

Si l’arrière-plan de laser est trop fort, pauvre accouplement de la poutre de l’excitation dans le Guide d’ondes est une cause possible. L’accouplement peut être réduit par la rugosité, rayures ou contamination sur la face clivée en raison d’une mauvaise manipulation. La face qui sera couplée à ne doit pas être touchée par quoi que ce soit. C’est possible, mais difficile à nettoyer la face clivée de contamination, mais la rugosité et les rayures sont permanents. Si la qualité de surface est un problème, un emplacement différent sur le visage clivé peut être essayé, mais un clivage frais peut être nécessaire. Fond de diffusion laser solide peut aussi être causée par la partie découplée de la lumière d’excitation dispersion de la poussière sur la surface de l’échantillon. Une autre possibilité est que le champ de vision est trop près que du bord de l’échantillon et la diffusion de la lumière du bord est entrer le chemin d’accès de la collection. Enfin, il peut être que la puissance du laser est tout simplement trop élevée. En général, la puissance de laser d’excitation est de l’ordre de 0,5 à 10 µW mesuréà le wattmètre illustré à la Figure 1. En dehors de la réduction des sources de la diffusion de laser, la dispersion peut être filtrée en ajoutant un polariseur horizontal dans le chemin de la collection. Toutefois, pour voir le QD fluorescence dans cette situation exige une QD dont moment dipolaire ne correspond pas à la direction verticale.

La polarisation d’excitation est limitée à un seul choix ; dans ce cas c’est la polarisation verticale. C’est à cause de trois contraintes. Tout d’abord, la direction de propagation du faisceau excitation est contraint à être dans le plan de l’échantillon. Deuxièmement, la polarisation doit être perpendiculaire à la direction de propagation. Troisièmement, les moments dipolaires QD se trouvent dans le plan de l’échantillon. Si, comme en l’espèce, le faisceau d’excitation se propage horizontalement, alors que le seul choix de polarisation qui peut exciter les QDs est vertical. En revanche, la polarisation de détection n’a aucune contrainte placée sur elle parce que la répression de la diffusion de laser s’effectue principalement par le confinement du laser dans le Guide d’onde mode11. Une autre limitation est que ce régime d’excitation nécessite un guide d’ondes pour guider la lumière vers le point quantique, une structure qui ne peut être réalisable pour tous les échantillons. Comparez ceci au champ sombre excitation confocal technique1, qui utilise des polariseurs croisés pour réprimer la diffusion de laser. Dans ce cas, l’excitation peut utiliser la polarisation arbitraire, mais la polarisation de détection doit être orthogonale.

Boîte de quantique unique sous excitation résonante ont été démontrés monophotonique excellentes sources avec une luminosité élevée, à spectre étroit et végétations haute36. Ce protocole prévoit une approche possible pour exploiter ces propriétés exceptionnelles du système QD auto-assemblés pour diverses applications, telles que de l’information quantique et d’informatique quantique optique linéaire. En outre, les photons empêtré avec soit un autre photon ou un spin électronique exigera collection sans tenir compte de la polarisation, qui est une caractéristique de cette méthode.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs tiennent à remercier Glenn S. Solomon qui a fourni l’échantillon. Ce travail a été soutenu par 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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Fluorescence de résonance d’un point de InGaAs quantique dans une cavité plane à l’aide de détection et Excitation Orthogonal
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Chen, D., Lander, G. R., Flagg, E. B. Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection. J. Vis. Exp. (128), e56435, doi:10.3791/56435 (2017).

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