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Engineering

Fluorescenza di risonanza di un puntino di InGaAs Quantum in una cavità planare usando rilevazione ed eccitazione ortogonale

Published: October 13, 2017 doi: 10.3791/56435

Summary

Risonante eccitazione di un puntino di singolo quantum autoassemblati può essere raggiunto utilizzando una modalità di eccitazione ortogonale per la modalità di raccolta di fluorescenza. Dimostriamo un metodo utilizzando la guida d'onda e la modalità di Fabry-Perot di una microcavità planare che circondano i punti quantici. Il metodo permette una completa libertà nella polarizzazione di rilevazione.

Abstract

La possibilità di eseguire la rilevazione simultanea di eccitazione e fluorescenza risonante è importante per le misure di ottica quantistica di punti quantici (QD). Risonante eccitazione senza rilevazione di fluorescenza – ad esempio, una misura di trasmissione differenziale – può determinare alcune proprietà del sistema di emissione, ma non consente applicazioni o misurazioni basate sui fotoni emessi. Ad esempio, la misurazione delle correlazioni di fotone, osservazione del tripletto Mollow e realizzazione di tutte le fonti di singolo fotone richiedono insieme della fluorescenza. Eccitazione incoerente con rilevazione della fluorescenza – ad esempio, di sopra della eccitazione band-gap – può essere utilizzato per creare fonti di singolo fotone, ma la dispersione dell'ambiente dovuto alla stimolazione riduce tali dei fotoni. Fonti di singolo fotone basati su QD dovranno essere risonante entusiasti di avere tali fotoni ad alta, e raccolta simultanea dei fotoni sarà necessario fare uso di essi. Dimostriamo un metodo risonante eccitare un singolo QD incorporato in una cavità planare accoppiando il fascio di eccitazione in questa cavità dalla faccia spaccata del campione durante la raccolta la fluorescenza lungo la direzione normale alla superficie del campione. Abbinando con attenzione il fascio di eccitazione per la modalità di guida d'onda della cavità, la luce di eccitazione può coppia nella cavità e interagire con il QD. I fotoni sparsi possono accoppiarsi per la modalità di Fabry-Perot della cavità e fuga nella direzione normale alla superficie. Questo metodo permette una completa libertà nella polarizzazione di rilevazione, ma la polarizzazione di eccitazione è limitata dalla direzione di propagazione del fascio di eccitazione. La fluorescenza dallo strato bagnante fornisce una guida per allineare il percorso della raccolta per quanto riguarda il fascio di eccitazione. L'ortogonalità delle modalità di rilevamento e di eccitazione consente risonante eccitazione di un singolo QD con sfondo di scattering laser trascurabile.

Introduction

Eccitazione di risonanza di un emettitore di singolo quantum combinato con rilevazione della fluorescenza è stata una sfida sperimentale a lungo termine principalmente a causa dell'incapacità di discriminare spettralmente la fluorescenza debole dalla dispersione forte eccitazione. Questa difficoltà, tuttavia, è stato con successo superata nell'ultimo decennio da due diversi approcci: campo scuro confocale eccitazione basato su polarizzazione discriminazione1,2,3,4 ,5e ortogonali eccitazione-rilevazione basata su modalità spaziale discriminazione6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Entrambi gli approcci dimostrano una forte capacità di sopprimere significativamente scattering laser e così ampiamente sono adottati in vari esperimenti, per esempio, osservazione di spin-fotone entanglement5,15, 16, dimostrazione di stati vestita2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26e manipolazione coerente di ristretti giri3,27,28,29,30. Né l'approccio può essere universalmente applicato ad ogni situazione; ognuno è limitato ad alcune condizioni specifiche. La tecnica del scuro-campo utilizza il grado di libertà di polarizzazione dei fotoni per sopprimere la dispersione del laser di eccitazione. Questa tecnica presenta diversi vantaggi. Ad esempio, non c'è nessun requisito per una modalità di guida d'onda ben definita, che consente solo confocale implementazione. L'implementazione confocale permette per eccitazione polarizzata circolarmente e possibilmente più stretta messa a fuoco del fascio di eccitazione l'emettitore di quantum, con conseguente più alta intensità di eccitazione. Tuttavia, questo metodo di polarizzazione-selettiva limita la polarizzazione di rilevazione per essere ortogonali per la polarizzazione di eccitazione e quindi impedisce una completa caratterizzazione delle proprietà di polarizzazione di fluorescenza. In confronto, discriminazione spaziale modalità conserva la completa libertà di polarizzazione di rilevamento utilizzando l'ortogonalità tra i modi di propagazione di fasci di eccitazione e rilevamento per sopprimere il laser scattering4. I vincoli di questa tecnica sono la necessità di una struttura di guida d'onda del campione per fornire una modalità di eccitazione ortogonale per la modalità di rilevamento e la restrizione della polarizzazione eccitazione per essere perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio .

Qui, dimostriamo un protocollo per la costruzione di un setup di rilevamento-eccitazione ortogonali gratis-spaziali per esperimenti di risonanza di fluorescenza. Rispetto per il lavoro pionieristico sulla discriminazione modalità spaziale dove una fibra ottica è stata utilizzata per accoppiare luce nella cavità6, questo protocollo fornisce una soluzione nello spazio libero e non richiede componenti cinetiche per montare sia il campione o il fibra a criostato. Controllo fine delle direzioni del fascio di eccitazione e il percorso di rilevamento sono manipolati da ottiche esterne al criostato, mentre lenti asferiche singoletto agiscono come messa a fuoco degli obiettivi all'interno della regione fredda del criostato. Forniamo immagini rappresentative dei passaggi chiave allineamento nel processo di raggiungimento di eccitazione risonante e rilevamento della fluorescenza da un punto di singolo quantum.

Il campione utilizzato per questa dimostrazione è coltivato da epitassia da fasci molecolari (MBE). I punti quantici di InGaAs (QD) sono incorporati in un distanziatore di GaAs che è delimitato da due riflettori Bragg distribuiti (DBRs), come mostrato nella visualizzazione zoom-in di esempio nella Figura 1. Il distanziale di GaAs tra la DBRs agisce come una guida d'onda, dove il fascio di eccitazione viene confinato dalla riflessione interna totale. La DBRs fungono anche da specchi ad alta riflettività per wavevectors che sono quasi normale al piano del campione. Questo costituisce una modalità di Fabry-Perot a cui QD coppia quando emette fluorescenza. La modalità di Fabry-Perot deve essere risonante con il λ di lunghezza d'onda di emissione dei QD, che richiede il distanziale di GaAs sia un numero intero multiplo di λ/n, dove n è l'indice di rifrazione di GaAs. Per questa dimostrazione, lo spessore del distanziale GaAs viene scelto per essere 4 λ/n, che è di circa 1 µm, in modo da essere vicino a dimensione dello spot di diffrazione limitata del fascio incidente di eccitazione. Un distanziatore più ristretto si tradurrebbe in una minore efficienza di accoppiamento del fascio di eccitazione in modalità di guida d'onda.

La messa a punto sperimentale è illustrato nella Figura 1. Per massimizzare l'efficienza di accoppiamento, un obiettivo di singola lente asferica Eobj con apertura numerica NA = 0.5 e lunghezza focale di 8 mm è scelto di focalizzare il fascio di eccitazione sul viso spaccato del campione. La funzione del telescopio kepleriano (composto da coppia lente E1 ed E2) nel percorso di eccitazione è duplice: (1) per riempire l'apertura dell' obiettivo E eccitazioneobj così il fascio di eccitazione è focalizzato per la migliore corrispondenza di modalità per la guida d'onda (in Questa realizzazione il diametro del fascio collimato è 2,5 mm) e (2) per fornire tre gradi di libertà di manovra il punto focale del fascio di eccitazione il volto spaccati del campione. Obiettivo E1 è montati su un X-Y traslazionale che fornisce i due gradi di libertà di spostare il punto di eccitazione liberamente nel piano del viso fenduti campione. E2 lente è montata su uno zoom non rotante alloggiamento che fornisce la libertà di scegliere la profondità del punto focale nel campione. Questi tre gradi di libertà ci permettono di ottimizzare l'eccitazione risonante di un singolo QD senza richiedere spostamento dello stesso campione.

Nel percorso di raccolta di fluorescenza, una simile configurazione obiettivo (Lobj, L1 e L2) viene utilizzata per consentire il rilevamento della fluorescenza da diverse parti del campione. La luce dal campione è a fuoco da uno dei due lenti di tubo su sia una telecamera della IR-sensibile (Lcam) o la fessura di entrata dello spettrometro (Lspec). Movimento di L1 lungo l'asse z regola la messa a fuoco dell'immagine, e laterale traduzione di L2 determina l'immagine eseguire la scansione attraverso il piano del campione. Le lunghezze focali di L1 e L2 sono uguali, quindi loro ingrandimento è l'unità. Questo viene fatto per massimizzare la gamma che L2 può essere tradotto prima la vignettatura si verifica.

Per facilitare l'allineamento e la posizione di un QD, un illuminatore autocostruite basato su illuminazione di Kohler è incorporato nell'installazione, come mostrato nella Figura 1. Lo scopo di illuminazione di Kohler è di fornire un'illuminazione uniforme al campione e garantire che imago della sorgente luminosa illuminazione non è visibile nell'immagine di esempio. Le configurazioni di lente di entrambi l'illuminatore e il percorso della raccolta sono accuratamente progettate per separare gli aerei coniugato immagine del campione e la sorgente di luce. Ogni obiettivo nel percorso della raccolta è separato dai suoi vicini, dalla somma delle loro lunghezze focali. In questo modo ovunque l'immagine del campione è a fuoco – come il sensore della fotocamera – l'immagine della sorgente di luce è completamente defocused. Allo stesso modo, dove l'immagine sorgente luminosa è a fuoco – come al piano focale posteriore dell'obiettivo – l'immagine di esempio è completamente sfocato. La sorgente luminosa è un commerciale luminescente diodo (LED) che emettono 940 nm. Il diaframma di apertura consente la regolazione dell'intensità di illuminazione, e il diaframma di campo determina il campo di vista di essere illuminato. Sono le chiavi per realizzare un'illuminazione uniforme per impostare la distanza tra lente K4 e L2 per essere la somma delle lunghezze focali delle due lenti, e per garantire che l'apertura di Lobj non è troppo pieno dell'illuminazione. In questo protocollo, l'illuminazione è anche utilizzato per ottimizzare la distanza tra Lobj e il campione.

L' obiettivo Lobj e sia lente di tubo fornisce un ingrandimento di 20x la fotocamera o lo spettrometro. La coppia di lente L3 e L4 tra Lobj e Lspec forma un altro telescopio kepleriano che fornisce un supplemento di 4 ingrandimenti dell'immagine sul charge coupled device (CCD) dello spettrometro. L'aggiunta di L3 e L4 risultati in un ingrandimento totale di 80 x, che è necessario distinguere spazialmente fluorescenza da vicina QD. L3 e L4 sono montati il flipping monta per facilitare il passaggio dell'ingrandimento perché lenti ingrandimento 20x fornisce un campo visivo più grande sul campione.

Per sovrapporre il campo di vista del percorso insieme con il percorso del fascio di eccitazione attraverso la guida d'onda, l'emissione dal continuum del puntino di quantum strato di bagnatura è utile. Si può determinare la lunghezza d'onda di emissione dello strato bagnante misurando lo spettro di emissione del campione sotto sopra eccitazione band-gap. Per il nostro campione, emissione di strato di bagnatura si verifica a circa 880 nm a 4,2 K. Accoppiando un fascio laser di cw a 880 nm in Guida d'onda del campione, si può osservare un modello di striscia formata da PL dal livello di bagnatura, che viene mostrato nel video di accompagnamento. La striscia rivela il percorso di propagazione della luce di eccitazione che è stato accoppiato in Guida d'onda. La presenza di questa striscia combinata con l'abilità all'immagine la superficie del campione rende semplice l'allineamento.

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Protocol

Attenzione: si prega di essere consapevoli dei possibili pericoli di scattering laser durante l'allineamento. Indossare occhiali di sicurezza adeguate per la protezione. Per facilitare il processo di allineamento, un visore a infrarossi (IR-visualizzatore) è necessario. Una carta fluorescente IR sensibile è anche utile ma non indispensabile.

1. preparazione del campione

  1. uso un diamante scrivano per rendere un minuscolo graffio sul bordo della superficie superiore del campione a nella posizione desiderata del fendente. Utilizzare due coppie di pinzette estremità piatta per tenere il campione su entrambi i lati del graffio. Applicare una coppia di rotazione verso l'esterno con le pinzette e il campione sarà fendere.
    Nota: Non un graffio lungo è necessario promuovere di sfaldatura, e probabilmente taglierà attraverso lo strato di guida d'onda rendendo impossibile la luce di accoppiamento. Il volto fenduto è abbastanza delicato che qualsiasi tocco sulla sua superficie potrebbe danneggiare il volto di guida d'onda.
  2. Fissare il pezzo campione spaccati su una piastra di rame campione utilizzando vernice argento termicamente conduttivi o epossidica argento.
    Nota: Il volto fenduto deve essere a filo con il bordo della piastra di fissaggio affinché il laser di eccitazione sarà colpito il volto del campione senza interferenza.
  3. Montare la piastra di rame nel criostato, in modo che il volto spaccato e la superficie del campione sono otticamente accessibile attraverso le finestre del criostato.

2. Allineamento di risonante eccitazione percorso

Nota: per massimizzare l'efficienza di accoppiamento in Guida d'onda, il profilo del fascio incidente eccitazione deve corrispondere con quella di un immaginario indietro propagazione fascio uscendo il waveguide.

  1. Grossolana allineamento del fascio laser di eccitazione al viso spaccato del campione.
    1. Utilizzare i gradi di libertà dell'accoppiatore di fibra ottica FC0 e specchio M0 per dirigere il fascio di eccitazione sul viso spaccato del campione prima che vengano installate le lenti eccitazione.
    2. Livello il fascio di eccitazione in orizzontale rispetto al piano del campione sia per quanto riguarda la tabella ottica.
  2. Installazione dell'obiettivo di eccitazione E obj
    1. mettere la lente asferica E obj in un Monte traslazionale con tre gradi di libertà traslazionale. Centro E obj sul laser e impostare l'altezza di E obj essere lo stesso come il centro del campione.
    2. Installare uno schermo di carta bianca dietro il campione lungo il percorso di eccitazione. Utilizzare un visualizzatore di IR per osservare un punto luminoso sulla carta a causa della luce di laser l'esempio passing by.
    3. Slide E obj verso il campione lentamente fino a quando un'immagine chiara della siluetta del campione può essere visto sulla carta. Regolare la posizione verticale e in orizzontale di E obj per centrare la sagoma al centro dello spot luminoso.
    4. Mantenere scorrevole E obj verso il campione lentamente, e l'immagine di sagoma sullo schermo esperienze un ingrandimento. Nel frattempo, regolare la posizione laterale della E obj (destra/sinistra) per compensare lo spostamento orizzontale dell'immagine sagoma.
      Nota: Durante il movimento lento di E obj al campione, frange di diffrazione inizierà ad apparire a un certo punto. Questo fornisce un nuovo riferimento per mettere il punto mirato allo strato superficiale del campione.
    5. Mantenere scorrevole E obj verso il campione lentamente. Ogni posizione di E obj, spostamento E obj a sinistra/destra aumentare la spaziatura di frangia fino a quando non c'è solo una frangia visibile a cercare frange sullo schermo.
      Nota: Ci saranno due gruppi di frange, uno a sinistra e uno a destra della superficie del campione.
    6. Individuare E far scorrere obj Eobj in una posizione che riduce al minimo il numero di frange visibile.
  3. Allineamento delle lenti telescopio E1 ed E2
    1. inserire il percorso di eccitazione centrato il raggio laser lenti E1 ed E2. Posizione E2 che separa E obj dalla somma delle loro lunghezze focali. Impostare la separazione tra E1 ed E2 per essere la somma delle loro lunghezze focali, ad es., f 1 + f 2 = 150 mm.
    2. osservare il modello silhouette e diffrazione sulla carta con un visualizzatore di IR. Regolare l'altezza della E1 per centrare la sagoma al centro dello spot illuminazione laser luminoso.
    3. E2 scivolare verso o lontano da E1 regolando la posizione laterale della E1. Sicuro E1 ed E2 alle posizioni che entrambi frangia gruppi o scompaiono o visualizzare un numero minimo di frange in tale vista.
    4. inserire un polarizzatore orientato verticalmente POL prima E1 e centrarlo sul fascio di eccitazione.
      Nota: alcuni polarizzatori hanno un angolo di leggera zeppa, in cui caso il fascio di eccitazione sperimenterà una deviazione angolare. Utilizzare E1 ed E2 per compensare questa deviazione.

3. Allineamento del percorso della raccolta di fotoluminescenza

Nota: le prestazioni del sistema di imaging costruito nel percorso della raccolta sono determinata prevalentemente dalla precisione del posizionamento di L obj a causa della sua lunghezza focale corta ( f obj = 10 mm, NA = 0,55). Due passaggi generali sono coinvolti nell'allineamento di L obj: allineamento grossolano utilizzando un laser HeNe, e bene tweaking utilizzando l'illuminatore e l'emissione di eccitone di massa di GaAs. Questi passaggi di allineamento vengono eseguiti con il campione a temperatura ambiente.

  1. Allineamento del band-gap (HeNe) eccitazione percorso sopra e installazione della telecamera:
    1. coppia un fascio di laser di fascia-spacco (HeNe) sopra in una fibra monomodale.
    2. Dirigere il fascio di uscita dal collimatore fibra FC1 sul campione tramite uno specchio M3.
    3. Tilt FC1 orizzontalmente al centro il laser spot sul campione circa 1 mm dal bordo fenduto. Inclinare la M3 in orizzontale per spostare la riflessione del raggio laser per essere appena di sopra o di sotto del fascio incidente. Ripetere questo processo più volte fino a soddisfare entrambi i criteri.
    4. Tilt FC1 e M3 verticalmente per livellare il fascio di HeNe per quanto riguarda la tabella ottica e tenere e ' diretto al campione.
    5. Utilizzare il Visualizzatore di IR per individuare sia il laser risonante e le macchie di laser HeNe sul campione. Verifica che il centro dello spot laser HeNe è alla stessa altezza come il punto laser risonante. Se non, utilizzare FC1 e M3 per regolare le altezze dei raggi mantenendo il fascio di HeNe livello con la tabella.
    6. Inserire il non-polarizzazione beam splitter cubo (90: 10), NPBS, il percorso di HeNe. Centro del cubo nel fascio incidente HeNe.
    7. Individuare due travi presso l'uscita del divisore di fascio per il percorso della raccolta, uno da riflesso dal campione e uno dalla riflessione interna all'interno del cubo.
    8. Ruotare il cubo da un angolo piccolo (~ 5 gradi), tale che i due fasci possono essere facilmente separati all'uscita. La luce riflettuta dalla superficie del campione può essere utilizzata come guida grezza per allineare la telecamera.
      Nota: La direzione del fascio internamente riflessa non cambierà quando il cubo viene ruotato intorno all'asse verticale.
    9. Livello del cubo per quanto riguarda la scheda otticale assicurando il fascio di HeNe corrispondente alla riflessione interna all'interno del cubo è alla stessa altezza come il fascio in entrata.
    10. Macchina fotografica di
    11. mettere un IR-sensibile nel percorso della schiena riflette HeNe fascio. Utilizzare un tubo lente L cam con una lunghezza focale di 200mm a fuoco l'immagine di esempio sulla telecamera.
      Nota: Un sistema di tubi di casa costruita viene utilizzato per ospitare la lente L camma, come mostrato in Figura 1, che impedisce di randagio camera luminosa da essere rilevato dalla telecamera.
    12. Set up un 800 nm lungo filtro passa, F1, davanti L cam per filtrare la luce, HeNe che permette l'osservazione di PL dal campione con la fotocamera.
  2. Installazione e ottimizzazione della posizione della lente L obj
    1. mettere la lente asferica L obj in un Monte traslazionale con tre gradi di libertà traslazionale. Centro L obj sul laser HeNe e impostare la separazione dal campione per essere la lunghezza focale, f obj = 10 mm.
    2. Set lente coppia L1 e L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) utilizzando un montaggio traslazionale di X-Y dove un lato è fisso e l'altro lato è mobile nel piano laterale controllato da micrometri.
      Nota: Lente L2 va nella parte mobile del Monte. L1 è tenuto da un tubo di lente e collegato al lato fisso del Monte. Il sistema di tubo fornisce la libertà di regolare la distanza tra le due lenti avvitando in/out del tubo di lente che tiene L1 lungo l'asse ottico.
    3. Impostare la distanza tra le due lenti da 100 mm. L2 impostato al centro del Monte regolando i micrometri.
    4. Inserire il combo lente L1 e L2 per il percorso di HeNe tra NPBS e il criostato. Impostare la distanza tra L1 e L obj essere f obj + f 1. Centro di L1 e L2 l'incidente luce HeNe.
    5. Inserire il percorso della raccolta come mostrato nella Figura 1 l'illuminatore e la pellicola. Impostare la distanza tra lente K4 e L2 per essere la somma delle loro lunghezze focali.
    6. Centro del fascio di illuminazione sulla L2 regolando l'angolo dell'illuminatore.
    7. Regolare l'angolo della pellicola al centro riflette sul retro illuminazione luce visibile nell'immagine della telecamera al PL macchia causata da eccitazione HeNe.
      Nota: Ai fini di allineamento, uno può chiudere il diaframma di campo per individuare il centro dell'area illuminata.
    8. Utilizzando solo la luce della lampadina, trovare un difetto superficiale o polvere sul campione guardando la telecamera. Cerca altre parti del campione come necessario spostando lateralmente L2.
    9. Leggermente toccare L obj in/out lungo l'asse ottico per rendere più nitido il bordo del difetto o polvere.
    10. Shift L2 indietro verso il centro del Monte.
    11. Visualizza il PL HeNe-emozionante spot sulla fotocamera e spostare L obj orizzontalmente in modo che lo spot di PL è 1-2 mm dal bordo spaccato del campione.
      Nota: Per una distanza inferiore a 1 mm, la dispersione di laser dal bordo spaccato del campione sarebbe essere raccolti da obiettivo L obj. Mentre per una distanza troppo lontano dalla faccia spaccata, il fascio di eccitazione può un'attenuazione prima di raggiungere il QD, che riduce il potere di eccitazione massima disponibile.
    12. Shift L2 orizzontalmente fino il bordo spaccato del campione viene mostrato sulla fotocamera sotto illuminazione.
    13. Lentamente MAIUSC L obj verticalmente per cercare un laser luminoso posto sul bordo spaccato del campione, che è causato dalla dispersione del fascio risonante eccitazione il volto spaccati del campione.
    14. Il posto di PL causato da HeNe eccitazione al laser luminoso posto sul bordo spaccato del campione di livello.
  3. Riallineamento del percorso HeNe eccitazione rispetto alla nuova posizione della L obj .
    Nota: Per massimizzare l'area scansionabile e minimizzare la vignettatura, è necessario ricentrare l'ottica di eccitazione e il fascio di eccitazione per quanto riguarda la posizione di L obj.
    1. Rimuovi L1 e L2. Centro il fascio di eccitazione su L obj, garantendo nel contempo la trave è nella direzione normale alla superficie del campione.
    2. Centro L2 sul Monte. Il fascio incidente eccitazione il centro sia L1 e L2. Impostare la distanza tra L1 e L obj per essere la somma delle due lunghezze focali, cioè, f 1 + f obj.
    3. Riposizionare L cam tali che è incentrato su riflessa HeNe fascio. Riposizionare la fotocamera tali che il HeNe eccitato PL (uso un filtro passa-lungo) è centrato sull'immagine.
    4. Regolare l'angolazione dell'illuminatore e la pellicola per centrare l'illuminazione luce su L2 e la PL macchia causata da HeNe eccitazione.
  4. Allineamento degli specchi M1 e M2.
    Nota: Un laser diretto all'indietro attraverso lo spettrometro faciliterà l'allineamento.
    1. PL monitor HeNe-eccitato dal campione alla macchina fotografica. Centrare un iris (Iris A) su PL tra la pellicola e la M1.
    2. Centro lente L spec sulla trave inversa e inserirlo una lunghezza focale f spec lontano la fessura d'ingresso dello spettrometro.
    3. Inviare il fascio inverso dello spettrometro al campione via riflette due specchi, M1 e M2.
    4. Impostare un altro iris (Iris B) tra M2 e L spec e centro e sulla trave inversa.
    5. Steer M2 per centrare l'inverso trave su Iris A. Steer M1 per centrare il PL su Iris B. Repeat questo processo più volte fino a quando sono soddisfatti entrambi i criteri.
    6. Individuare il centro della fessura d'ingresso (30 μm larghezza) dello spettrometro sul CCD monitorando la diffrazione di ordine zero della luce camera.
    7. Aprire la fessura d'ingresso dello spettrometro. Utilizzando un filtro di passaggio lungo 800 nm, il PL dal campione in HeNe eccitazione può essere osservato sul CCD.
    8. Guidare la M1 al centro questo posto all'ingresso dello spettrometro e alla metà dell'altezza del CCD, a fessura e dirigere M2 per centrare il fascio inverso su Iris A. Repeat questo processo più volte fino a quando entrambi i criteri sono met.
    9. Allineamento delle lenti coppia L3 e L4: posizione L3 nel percorso della raccolta PL in una posizione che è f 2 + f 3 lontano obiettivo L2. L4 posto nel percorso di raccolta separati da L3 dalla somma delle loro lunghezze focali, f 3 + f 4. Regolare la posizione laterale della L4 al punto centrale del PL sul CCD.

4. La sovrapposizione del percorso della raccolta PL rispetto al percorso di eccitazione risonante

  1. Cool giù il campione a 4,2 K. Con l'eccitazione di sopra-banda, utilizzare lo spettrometro per individuare la lunghezza d'onda di emissione dello strato bagnante (in genere circa 880 nm).
  2. Impostare un filtro di passa-lungo nm di 800 F1 davanti L cam per bloccare la luce HeNe. Con l'aiuto della luce illuminante, shift L2 orizzontalmente per individuare il bordo spaccato del campione sulla fotocamera.
  3. Impostare la lunghezza d'onda di eccitazione lato essere risonante con lo strato di bagnatura. Individuare un punto di dispersione luminosa al bordo spaccato del campione sulla fotocamera.
  4. Osservare un " modello striscia " di fotoluminescenza sulla fotocamera regolando la posizione laterale della E1. Massimizzare l'intensità della striscia spostando lateralmente E1.
    Nota: Il " striscia " è l'emissione di strato di bagnatura, che implica che il fascio di eccitazione è accoppiato in Guida d'onda del campione.
  5. E1 regolare verticalmente per spostare la striscia di sovrapposizione con il PL macchia causata dall'eccitazione di HeNe.
  6. Registrare l'intensità del livello di bagnatura PL. regolare E2 in una direzione, poi ri-ottimizzare la posizione di E1; nuovamente registrare l'intensità del PL e confrontare con il valore precedente.
  7. Se l'intensità è aumentata, ripetere la regolazione di E2 nella stessa direzione. Se l'intensità è diminuita, quindi invertire la regolazione di E2. Ripetere questa procedura per trovare le posizioni ottimale per E1 ed E2.

5. Risonante eccitazione di un singolo Quantum Dot

< classe p = "jove_content"> Nota: Ci sono due approcci possibili per realizzare risonante eccitazione di un singolo QD: tune (1) la frequenza di eccitazione del laser per abbinare una risonanza QD specifica; o (2) la frequenza del laser di scansione attraverso le energie di risonanza dell'ensemble QD fino a quando si osserva la fluorescenza di risonanza da un singolo QD.

  1. Eccitazione metodo (1) - mirato:
    1. impostare lo spettrometro per monitorare la diffrazione di primo ordine al centro della lunghezza d'onda di emissione dell'ensemble QD sotto sopra eccitazione band-gap. Aprire la fessura d'ingresso dello spettrometro.
    2. Regolare la potenza dell'eccitazione sopra-band fino a quando uno sfondo incandescente viene visualizzato a causa di eccitazione della coda continuum degli Stati di strato di bagnatura. Chiudere l'ingresso a taglio a 30 μm.
    3. Shift L2 lateralmente per trovare un adatto QD - ad esempio, quella più luminosa in vista. Registrare la lunghezza d'onda del λ QD QD come misurato dallo spettrometro.
    4. Sintonizzare la lunghezza d'onda del laser risonante eccitazione per essere lo stesso valore di λ QD.
      Nota: Spesso, lo spettrometro può captare il segnale debole della dispersione del laser risonante eccitazione dall'ottica. Se non, dirigere una scissione del fascio di eccitazione nello spettrometro.
    5. Massimizzare il QD ' intensità s PL a sul CCD di sintonizzazione della frequenza del laser di eccitazione.
      Nota: Per alcuni QD, una piccola quantità di luce di HeNe è necessario per consentire il QD essere risonante eccitato 10 , 31 , 32. La potenza del laser HeNe richiesta è di solito così bassa - poche centinaia nanowatts - che nessuna fluorescenza causata solamente da questo fascio di HeNe può essere rilevato dal CCD.
    6. Massimizzare l'intensità di PL di QD regolando l'altezza e la posizione laterale della lente E1 e la posizione assiale della lente E2. Congiuntamente ottimizzare le posizioni delle lenti E1 ed E2 per massimizzare l'intensità della fluorescenza risonanza da QD.
  2. Metodo (2) - ricerca spettrale:
    1. impostare lo spettrometro per monitorare la diffrazione di primo ordine al centro della lunghezza d'onda di emissione dell'ensemble QD. Aprire la fessura d'ingresso dello spettrometro.
    2. Sintonizzare la frequenza del laser di eccitazione su tutta la gamma di energia dell'ensemble QD. Un risonante eccitato QD apparirà sul CCD come un puntino circondato da coppie di anelli ariosi. Scegli un QD che è luminoso.
    3. Massimizzare la sua intensità di PL di messa a punto la lunghezza d'onda del laser di eccitazione.
    4. Massimizzare l'intensità di PL del punto di regolazione in altezza e laterale posizione di E1and la posizione assiale della lente E2. Congiuntamente ottimizzare le posizioni delle lenti E1 ed E2 per massimizzare l'intensità della fluorescenza risonanza da QD.

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Representative Results

La figura 1 Mostra una realizzazione particolare delle attrezzature necessarie per realizzare risonante eccitazione di un puntino di singolo quantum. Altre realizzazioni sono possibili, ma i componenti critici sono: un percorso di eccitazione da abbinare a guida d'onda; un percorso di raccolta per guidare la fluorescenza per rivelatori; un percorso di eccitazione confocale per eccitare lungo il percorso della raccolta; e un percorso di illuminazione per consentire la formazione immagine della superficie del campione.

Due spettri RPLE rappresentativi sono mostrati nella Figura 2. Sono stati raccolti da un neutro QD [Figura 2(a) e (b)] e una carica QD [Figura 2(c) e (d)]. Lo stato di caricato QD carica esatta non può essere determinato esaminando lo spettro. Per ottenere il miglior rapporto segnale-rumore, lo scattering laser dovrà essere tenuto al minimo. Le immagini a destra nella Figura 2(a) e (c) mostrare lo sfondo di dispersione quando il laser di eccitazione è lontano-depotenziato da risonanza. La diffusione del laser è molto più debole rispetto alla fluorescenza di QD, ma per illustrare i modelli tipici di scattering, le immagini sono state migliorate da 284 e 23 volte, rispettivamente. Se queste immagini vengono rilevate nell'allineamento, essa implica che una manciata di laser forte è presente. Molteplici cause possono portare a questo risultato, come il cattivo allineamento dell'accoppiamento in Guida d'onda, graffi sulla faccia spaccata della Guida d'onda, un campo di vista troppo vicino al bordo spaccato del campione, ecc. Discussioni dettagliate su ogni punto sono fornite nella parte di discussione del presente protocollo.

L'immagine di un QD risonante eccitato in una microcavità planare avrà in genere disco centrale con anelli intorno ad esso come mostrato nella Figura 3. Questo pattern di risultati dall'accoppiamento di QD all'onda piana dei modi di vibrare della cavità, le cui direzioni di propagazione sono dipendente dalla lunghezza d'onda33. Fluorescenza di una singola lunghezza d'onda emerge così, dalla cavità in un cono vuoto angolo cui apice è determinato dalla lunghezza d'onda dell'emissione. Quando questa luce è collimata dall'obiettivo e messo a fuoco con la lente di tubo, l'immagine formata ha la struttura di anello-come evidente nella Figura 2 e Figura 3. I raggi degli anelli e disco saranno determinati dall'angolo apice e così la lunghezza d'onda di emissione. Il più piccolo della lunghezza d'onda di emissione, più grande l'angolo di apice e il più piccolo i raggi. Il più piccolo angolo possibile apex è zero, il che significa che c'è un taglio di lunghezza d'onda di emissione che possa sfuggire la cavità. L'angolo più grande possibile apex è determinato dal NA della lente dell'obiettivo, il che significa che c'è un taglio corto-lunghezza d'onda di emissione che possa essere raccolti dal sistema ottico. Un obiettivo con un più grande NA - o l'aggiunta di un obiettivo a immersione solido - si estenderebbe questa fascia bassa della band insieme a brevi lunghezze d'onda. D'altra parte, alla fine di lunghezza d'onda lunga della band insieme può essere modificata solo cambiando la struttura del campione. Figura 3 Mostra le immagini di fluorescenza da QD con lunghezze d'onda di emissione diversi che vanno dal minimo fino a lunghezza d'onda di taglio.

Figure 1
Figura 1. Disegno schematico dell'esperimento.
Eccitazione risonante di una singola QD è realizzata accoppiando un fascio laser di cw linewidth stretto (1 MHz) in Guida d'onda del campione, come raffigurato dal percorso arancione. La fotoluminescenza del campione è raccolto dalla modalità Fabry-Perot, seguendo il percorso rosso. Un laser Elio-Neon (HeNe) fornisce l'eccitazione di fascia-spacco sopra confocally, seguendo il percorso verde. Un illuminatore autocostruite fornisce un'illuminazione uniforme della superficie del campione con 940 nm luce, illustrata dal percorso giallo. Si noti che lo schema non è in scala. FC: accoppiatore di fibra; AD: diaframma di apertura; FD: diaframma di campo; POL: polarizzatore; F: filtro passa-lungo; NPBS: non-polarizzazione cubo di divisore di fascio; DBR: distribuito riflettore Bragg; CCD: charge coupled device; LED: light emitting diode. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Nella figura 2. Fluorescenza di risonanza di un puntino di singolo quantum.
(a) immagini di fluorescenza di un puntino di quantum neutro alle diverse detunings, indicato in frequenza lineare sulla cima di ogni immagine. Zero detuning corrisponde a 927.8597 nm. (b) spettro RPLE di QD neutro stesso, integrando l'intensità di PL in un'area circolare con un diametro di 8 pixel attorno al centro. (c) immagini di fluorescenza di una carica QD alle diverse detunings, indicato in frequenza lineare nella parte inferiore di ogni immagine. Zero detuning corrisponde a 927.653 nm. (d) spettro RPLE dello stesso addebitato QD, integrando l'intensità di PL in un'area circolare del diametro di 12 pixel attorno al centro. (e) misura secondo ordine correlazione di QD neutro (a) sotto eccitazione risonanza presso il picco di bassa energia. I telai più a destra (a) e (c) sono le immagini di eccitazione estremo depotenziato, con l'intensità moltiplicate per 284 e 23, rispettivamente, per mostrare lo sfondo di laser a bassa dispersione. Si noti che il colore scala per (a) e (c) sono diverse ma condivisa tra singole sotto-trame. L'intensità RPLE normalizzata (b) e (d) è rappresentata da puntini arancioni, mentre quadrati blu indicano i dati corrispondenti alle immagini mostrate (a) e (b), rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Nella figura 3. Fluorescenza di risonanza da otto diversi punti a lunghezze d'onda in modalità cavità.
La lunghezza d'onda di risonanza è indicata nella parte superiore di ogni immagine. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

I passaggi critici nel protocollo sono: la modalità di corrispondenza e l'allineamento del fascio di eccitazione per la modalità di guida d'onda; e corretto allineamento e messa a fuoco dell'ottica insieme. Le parti più difficili di questi passaggi sono l'allineamento iniziale; ottimizzare l'accoppiamento di un'installazione già allineata è relativamente semplice. La raccolta e l'eccitazione aree sovrapposte è un passo che è semplice con la capacità di immagine per il campione sulla fotocamera, ma è molto difficile senza questa funzionalità. Per avere immagini di alta qualità, adeguata illuminazione di Kohler è fondamentale. Il tema dell'illuminazione di Kohler esula dall'ambito del presente protocollo, ma è un concetto ben noto in microscopia e completamente è discussa nella letteratura pubblicata34,35.

Le lunghezze focali degli obiettivi notati qui sono tipici, ma non obbligatorio. Criostati diversi e altri fattori possono imporre obblighi ulteriori o diverse sulla disposizione ottica. In tal caso, adeguate scelte di lunghezze focali degli obiettivi durante la progettazione è la chiave per soddisfare le esigenze di modalità di corrispondenza nel percorso di eccitazione e illuminazione di Kohler nel percorso di raccolta. Illuminazione di Kohler sarà soddisfatto se le lenti sono separate dalla somma delle loro lunghezze focali. Corretta modalità di corrispondenza in Guida d'onda richiede più in alto un NA come possibile, che significa che il fascio deve riempire l'apertura di Eobj. L'obiettivo si siede in un Monte XYZ di rail fatti in casa a coda di rondine che è mobile solo a temperatura ambiente, perché si trova all'interno dello spazio di codice del criostato. Questa posizione vicino a campione consente l'utilizzo di una grande lente di NA, riducendo al minimo la variazione termica nei supporti lente, che aumenta la stabilità meccanica. In questo caso, gli obiettivi sono lenti asferiche singoletto a causa di vincoli di spazio. Se è disponibile più spazio, commerciali multi-obiettivo obiettivi potrebbero essere utilizzati invece per migliorare imaging qualità, NA e ingrandimento. La messa a punto sperimentale potrebbe essere esteso per consentire confocale eccitazione risonante o vicino-risonante sostituendo M3 con uno specchio dicroico e dirigendo un fascio di eccitazione attraverso il dicroico e il divisore di fascio NPBS.

Se lo sfondo del laser è troppo forte, povero accoppiamento del fascio di eccitazione in Guida d'onda è una causa possibile. L'accoppiamento può essere ridotto di rugosità, graffi o contaminazione sul viso fenduto a causa di uso improprio. Il volto che sarà accoppiato a non dovrà essere toccato da nulla. È possibile, ma difficile da pulire il volto spaccato di contaminazione, ma rugosità e graffi sono permanenti. Se la qualità della superficie è un problema, una posizione diversa sul viso fenduto può essere provata, ma un fendente fresco può essere necessario. Sfondo di scattering laser forte può essere causato anche da parte disgiunta della luce di eccitazione scattering da polvere sulla superficie del campione. Un'altra possibilità è che il campo di vista è troppo vicino al che bordo del campione e dispersione della luce dal bordo sta entrando il percorso della raccolta. Infine, è possibile che la potenza del laser è troppo alta. In genere, la potenza del laser di eccitazione è nel range di 0,5 a 10 µW misurata presso il misuratore di potenza illustrato nella Figura 1. A parte la riduzione delle fonti di dispersione di laser, la dispersione possa essere filtrata con l'aggiunta di un polarizzatore orizzontale nel percorso della raccolta. Tuttavia, per vedere il QD fluorescenza in questa situazione richiede un QD cui momento di dipolo non è allineato alla direzione verticale.

La polarizzazione di eccitazione è limitata alla sola scelta; in questo caso è polarizzazione verticale. Ciò è a causa di tre vincoli. In primo luogo, la direzione di propagazione del fascio di eccitazione è vincolata a essere all'interno del piano del campione. In secondo luogo, la polarizzazione deve essere perpendicolare alla direzione di propagazione. In terzo luogo, i momenti di dipolo QD si trovano nel piano del campione. Se, come in questo caso, il fascio di eccitazione si propaga orizzontalmente, quindi l'unica scelta di polarizzazione che può eccitare QD è verticale. Al contrario, la polarizzazione di rilevazione non ha vincoli collocati su di esso perché la soppressione di scattering laser avviene principalmente mediante confinamento del laser all'interno della Guida d'onda modalità11. Un'altra limitazione è che questo schema di eccitazione richiede una guida d'onda per guidare la luce verso il punto quantico, una struttura che non può essere fattibile per tutti i campioni. Confronta questo al campo scuro confocale eccitazione tecnica1, che utilizza polarizzatori incrociati per sopprimere la dispersione del laser. In tal caso, l'eccitazione può utilizzare polarizzazione arbitraria, ma la polarizzazione di rilevazione dovrà essere ortogonale.

Punti quantici singoli sotto eccitazione risonanza sono stati dimostrati per essere fonti di eccellente singolo fotone con alta luminosità, linewidth stretto e alto tali36. Questo protocollo fornisce un approccio fattibile per sfruttare queste eccezionali proprietà del sistema auto-assemblato QD per varie applicazioni, come le informazioni di quantum e computazione quantistica ottico lineare. Inoltre, fotoni entangled sia con un altro fotone o uno spin di elettroni richiederà collezione senza riguardo di polarizzazione, che è una caratteristica di questo metodo.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori desidera ringraziare Glenn S. Solomon per la fornitura del campione. Questo lavoro è stato sostenuto dalla 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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References

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Ingegneria problema 128 Quantum dot fluorescenza fluorescenza di risonanza microcavità
Fluorescenza di risonanza di un puntino di InGaAs Quantum in una cavità planare usando rilevazione ed eccitazione ortogonale
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Chen, D., Lander, G. R., Flagg, E.More

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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