Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Resonans fluorescens av en InGaAs Quantum Dot i en Planar hålighet med ortogonala Excitation och upptäckt

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

Summary

Resonant excitation av en enda själv monterade kvantpricken kan uppnås med en magnetiseringen läge ortogonalt till fluorescens insamling läge. Vi visar en metod med hjälp av vågledare och Fabry-Perot transportsätt en planar microcavity kring kvantprickarna. Metoden tillåter fullständig frihet i den Upptäck polariseringen.

Abstract

Förmågan att utföra samtidiga resonant excitation och fluorescens upptäckt är viktigt för quantum optiska mätningar av kvantprickar (QDs). Resonant excitation utan fluorescens upptäckt – till exempel en differentiell överföring mätning – kan fastställa några egenskaper hos det utsändande systemet, men tillåter inte program eller mätningar utifrån avgivna fotonerna. Till exempel kräver mätning av fotonen korrelationer, observation av Mollow triplett, och förverkligandet av single photon källor alla insamling av fluorescensen. Osammanhängande excitation med fluorescens upptäckt – till exempel ovan band-gap excitation – kan användas för att skapa single photon källor, men störningen av miljön på grund av magnetiseringen minskar indistinguishability av fotonerna. Single photon källor baserat på QDs måste vara resonantly glada över att ha hög photon indistinguishability och samtidig insamling av fotonerna kommer att behöva göra använda av dem. Vi visar en metod att resonantly excitera en enda QD inbäddade i en planar hålighet av koppling excitation balken i denna hålighet från kluvna inför provet samtidigt samla fluorescensen längs provets yta normalt riktning. Genom att noggrant matcha excitation balken till vågledare läge av kaviteten, kan excitation ljuset par i kaviteten och interagera med QD. Den spridda fotoner kan par till Fabry-Perot läge av hålrum och fly i ytan normal riktning. Denna metod tillåter fullständig frihet i upptäckt polarizationen, men excitation polarizationen begränsas av förökningen riktningen av magnetiseringen balken. Fluorescensen från vätning lagret ger en guide om du vill justera samling sökvägen med avseende på excitation balken. Ortogonalitet av lägena excitation och detektion möjliggör resonant excitation av en enda QD med försumbar laser scattering bakgrund.

Introduction

Resonant excitation av en enda quantum emitter kombinerat med fluorescens upptäckt var en långsiktig experimentell utmaning främst på grund av oförmågan att spektralt diskriminera den svag fluorescensen från starka magnetiseringen spridningen. Denna svårighet, dock har varit framgångsrikt övervinna under det senaste decenniet av två olika metoder: mörkt-fält confocal excitation baserat på polarisering diskriminering1,2,3,4 ,5och ortogonala excitation-påvisande baserat på spatialt läge diskriminering6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Båda metoderna Visa en stark förmåga att avsevärt undertrycka laser spridning och således är allmänt antas i olika experiment, till exempel observation av spin-photon entanglement5,15, 16, demonstration av klädd staterna2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26och sammanhängande manipulation av trånga spins3,27,28,29,30. Varken strategi kan tillämpas allmänt på varje situation; Vart är begränsad till vissa specifika villkor. Mörka fält tekniken använder tredjeparts frihet att polarisering av fotoner att undertrycka excitation laser spridningen. Denna teknik har flera fördelar. Till exempel finns det inget krav på en väldefinierad vågledare läge, vilket gör att endast confocal genomförandet. Confocal genomförandet möjliggör cirkulärt polariserad excitation och eventuellt snävare fokus för magnetisering balken på quantum utsändaren, vilket resulterar i högre excitation intensitet. Dock denna polarisering-selektiv metod begränsar upptäckt polarisationen vara ortogonal till magnetiseringen polariseringen, och därmed hindrar en fullständig karakterisering av egenskaperna polarisering av fluorescensen. I jämförelse bevarar spatialt läge diskriminering full frihet för upptäckt polarisering genom att utnyttja ortogonalitet mellan lägena förökning av excitation och upptäckt balkar att undertrycka den laser scattering4. Begränsningarna av denna teknik är behovet av en vågledare struktur i urvalet för att ge en magnetiseringen läge ortogonal mot Läcksökningsläge och begränsning av magnetiseringen polarisationen vara vinkelrät mot förökningen av balken .

Här visar vi ett protokoll för att konstruera en gratis-rymdbaserade ortogonala excitation-detection setup för resonans fluorescens experiment. Jämfört med det banbrytande arbetet på spatialt läge diskriminering där en optisk fiber användes till par ljus in i kaviteten6, detta protokoll ger en lösning i ledigt utrymme, och kräver inte kinetiska komponenter att montera antingen provet eller den fiber i kryostaten. Fina kontroll av riktningarna av magnetiseringen balken och upptäckt sökväg är manipulerade av optik utanför kryostaten, medan asfäriska singlet linser fungerar som fokusera mål inuti regionen kalla kryostaten. Vi tillhandahåller representativa bilder av nyckel justering steg i processen att uppnå resonant excitation och upptäckt av fluorescens från en enda quantum dot.

Det prov som används för denna demonstration odlas av molekylärt stråla epitaxyen (MBE). De InGaAs kvantprickarna (QDs) är inbäddade i en GaAs-spacer som avgränsas av två distribuerade Bragg reflektorer (DBRs), som visas i vyn zooma in av provet i figur 1. GaAs distanshylsan mellan DBRs fungerar som en vågledare, där excitation balken är enbart av totalreflexion. DBRs också fungera som hög-reflektionsförmåga speglar för wavevectors som är nästan normala prov mittplan. Detta bildar en Fabry-Perot läge som QDs par när avger fluorescens. Fabry-Perot läget måste vara resonant med de utsläpp våglängd λ av QDs, vilket kräver GaAs mellanlägget vara ett heltal multipel av λ/n, där n är brytningsindex av GaAs. För denna demonstration, är tjockleken på GaAs avståndsbilden valt att vara 4λ/n, vilket är ungefär 1 µm, så att nära diffraktion begränsad plats storleken på infallande excitation balken. En smalare spacer skulle resultera i en lägre koppling effektivitet av magnetiseringen balken in i vågledare-läge.

Den experimentella setup visas i figur 1. Att maximera kopplingen effektivitet, en asfäriska enögda mål Eobj med numeriska bländaröppningen NA = 0,5 och 8 mm brännvidd är valt att fokusera excitation balken på kluvna inför provet. Funktionen Keplerian teleskopet (bestående av objektiv par E1 och E2) i sökvägen magnetisering är tvåfaldigt: (1) att fylla bländare på den excitation mål Eobj så magnetiseringen balken är hårt fokuserad för bättre läge-matchning till waveguide (i denna insikt kollimerad stråle diametern är 2,5 mm), och (2) för att ge tre grader av frihet att manövrera brännpunkten av magnetiseringen balken på kluvna inför provet. Lins E1 är monterad på en X-Y translationell fäste som ger de två frihetsgrader att skifta excitation plats fritt i planet av klyvs prov ansiktet. Lins E2 är monterad på en icke-roterande zoom bostäder som ger frihet att välja djupet i brännpunkten i provet. Dessa tre grader av frihet tillåter oss att optimera resonant excitation av en enda QD utan rörelse av provet själv.

I sökvägen fluorescens samling används en liknande Linskonfiguration (Lobj, L1 och L2) att möjliggöra upptäckt av fluorescens från olika delar av provet. Ljuset från provet fokuseras av en av två tube linser på antingen en IR-känslig kamera (Lcam) eller ingången skåran i spektrometern (Lspec). Rörelse av L1 längs z-axeln justerar fokus i bilden, och laterala översättning av L2 orsakar bilden att skanna över ytan av provet. Brännvidderna L1 och L2 är lika så deras förstoringen är enighet. Detta görs för att maximera intervallet L2 kan översättas innan vinjettering uppstår.

För att underlätta anpassningen och plats för en QD, är en hembyggda illuminator baserat på Kohler belysning införlivas setup, som visas i figur 1. Kohler belysning syftar att ge jämn belysning i urvalet och se till att en jagmage i belysning och ljuskällor syns inte i exempelbilden. Lins konfigurationer av både lampan och samling banan är noggrant utformade för att separera konjugat bild hyvlar av provet och ljuskälla. Varje lins i sökvägen samling är separerad från sina grannar med summan av deras brännvidder. Detta säkerställer att varhelst exempelbilden är i fokus – såsom på sensorn i kameran – ljuskällan bilden helt oskärpa. På samma sätt, där ljuskällan bilden är i fokus – såsom vid tillbaka fokalplanet målet – exempelbilden är helt oskärpa. Ljuskällan är en kommersiell ljusavgivande diod (LED) avger på 940 nm. Aperturbländaren möjliggör justering av belysning intensitet och fältbländaren avgör synfältet som skall belysas. Nycklarna till att inse jämn belysning är att ställa in avståndet mellan lins K4 och L2 vara summan av brännvidderna av två linser, och för att säkerställa att bländaren lobj inte är överfyllt av belysningen. I detta protokoll används belysning också för att optimera avståndet mellan Lobj och provet.

Den objektiva Lobj och antingen röret lins ger en förstoring på 20 x på kameran eller spektrometern. Lins para L3 och L4 mellan Lobj och Lspec bildar en annan Keplerian teleskop som ger en extra 4 x förstoring till bilden på avgift – tillsammans enhet (CCD) av spektrometern. Tillägg av linser L3 och L4 resulterar i en total förstoring av 80 x, som är nödvändigt att rumsligt skilja fluorescens från närliggande QDs. L3 och L4 är monterade på vändning fästen för att underlätta byte av förstoring eftersom 20 x förstoring ger en större synfält på provet.

Om du vill överlappa synfältet av samling sökvägen med sökvägen till magnetiseringen strålen genom vågledare, är utsläpp från kontinuum kvantprickens vätning lager bra. Kan man bestämma utsläpp våglängden av lagrets vätning genom att mäta emissionsspektrum av provet enligt ovan band-gap excitation. För våra prov, vätning lager utsläpp sker vid cirka 880 nm vid 4,2 K. Genom att koppla en cw laserstråle på 880 nm i waveguide av provet, kan man observera en strimma mönstret bildas av PL från vätning lagret, som visas i medföljande videon. Streak avslöjar sökvägen förökning av magnetiseringen ljuset som har varit kopplade till waveguide. Förekomsten av denna strimma kombinerat med förmågan att bild ytan av provet gör anpassning enkel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

försiktighet: Vänligen var medveten om de eventuella farorna av laser spridning under justeringen. Bär lämpliga skyddsglasögon för skydd. För att underlätta justeringsprocessen, visningsprogram infraröd (IR-viewer) är nödvändigt. En IR-känslig fluorescerande kortet är också bra men inte nödvändigt.

1. provberedning

  1. Använd en diamant scribe att göra en mycket liten repa på kanten av den övre ytan av provet vid önskad plats av cleave. Använda två par flat ände pincett för att hålla provet på båda sidor av scratch. Applicera en passiv-roterande moment med pincetten och provet kommer att klyva.
    Obs: En lång repa är onödigt att främja klyva, och kommer det sannolikt att skära genom vågledare lagret omöjliggör ljus koppling. Klyvs ansiktet är känsliga nog att någon touch på dess yta kan skada vågledare ansiktet.
  2. Fäst klyvs prov bit på koppar prov plåt med termiskt ledande silver färg eller silver epoxi.
    Obs: Klyvs ansiktet ska vara jäms med kanten av monteringsplattan så att magnetiseringen lasern kommer att drabba prov ansiktet utan störningar.
  3. Montera på kopparplåt i kryostaten så att både klyvs ansiktet och prov ytan är optiskt tillgängliga via Fönstren kryostaten.

2. Justering av Resonant Excitation sökvägen

Obs: för att maximera kopplingen effektiviteten i vågledare, profilen för incident excitation balken har matchas med en imaginär bakåt förökningsmaterial beam avsluta den vågledare.

  1. Grov justering av magnetiseringen laserstrålen till kluvna inför provet.
    1. Använd frihetsgrader av optisk fiber koppling FC0 och spegel M0 direkt excitation balken på kluvna inför provet innan excitation linserna installeras.
    2. Nivå excitation balken horisontellt både med avseende på tabellen optiska och med avseende på planet provets.
  2. Installation av magnetiseringen mål E obj
    1. sätta den asfäriska objektiv E obj i en translationell fäste med tre translationell frihetsgrader. Centrum E obj på laser och ställa in höjden på E obj vara samma som i mitten av provet.
    2. Inrätta en vitbok skärm bakom provet längs sökvägen excitation. Använda en IR-viewer för att observera en ljuspunkt på papper på grund av laserljuset passerar genom provet.
    3. Skjut E obj mot provet långsamt tills en tydlig siluett bild av provet kan ses på papperet. Justera höjd och lateral position E obj att centrera silhuetten i mitten av den ljusa fläcken.
    4. Hålla glidande E obj mot provet långsamt och silhouette bilden på skärmen upplever en förstoring. Under tiden justera laterala E obj (vänster/höger) att kompensera den horisontella förskjutning av silhouette bilden.
      Obs: Under den långsamma satsen av E obj till provet, diffraktion fransar kommer att börja visas någon gång. Detta ger en ny referens för att sätta fokuserad plats på ytskiktet av provet.
    5. Hålla glidande E obj mot provet långsamt. På varje plats du E obj, öka SKIFT E obj vänster/höger på fringe avstånd tills det syns endast en Frans att leta efter fransar på skärmen.
      Obs: Det kommer att finnas två grupper av fransar, en till vänster och en till höger om provet ytan.
    6. Lokalisera Skjut E obj Eobj på en position som minimerar antalet fransar synliga.
  3. Justering av teleskop objektiv E1 och E2
    1. in sökvägen excitation centrerad på laserstrålen linser E1 och E2. Ställning E2 separerad från E obj av summan av deras brännvidder. Ange avståndet mellan E1 och E2 vara summan av deras brännvidder, t.ex., f 1 + f 2 = 150 mm.
    2. Observera siluett och diffraktion mönster på papperet med en IR-viewer. Justera höjden på E1 att centrera silhuetten i mitten av den ljusa laser belysning platsen.
    3. Skjut E2 mot eller bort från E1 medan du justerar E1 lateral position. Säkert E1 och E2 på positioner att båda Frans grupper antingen försvinna eller visa ett minsta antal fransar i den vyn.
    4. Infoga en lodrätt orienterad polarisator POL innan E1 och centreras på den excitation beam.
      Obs: vissa polarisatorer har en liten kil vinkel, i vilket fall excitation balken kommer att uppleva en vinkelavvikelse. Använda E1 och E2 för att kompensera denna avvikelse.

3. Justering av fotoluminescens samling sökvägen

Obs: prestanda för bildgivande systemet byggt i sökvägen samling bestäms främst av precision positionering av L obj på grund av dess kort brännvidd ( f obj = 10 mm, NA = 0,55). Två allmänna steg är involverade i anpassningen av L obj: grov justering med hjälp av en HeNe laser och böter tweaking med hjälp av belysningen och bulk exciton utsläpp av GaAs. Här justeringen utförs med provet vid rumstemperatur.

  1. Justering av ovanstående band-gap (HeNe) excitation sökväg och installation av kameran:
    1. par en ovan band-gap laserstråle (HeNe) i en single-mode fiber.
    2. Direkt utgång strålen från den fiber kollimator FC1 på provet via en spegel M3.
    3. Tilt FC1 horisontellt för att centrera laser plats på prov ca 1 mm med klyvs eggen. Tilt M3 horisontellt för att skifta tillbaka reflektion av laserstrålen är precis ovanför eller nedanför den infallande strålen. Upprepa proceduren flera gånger tills båda kriterierna.
    4. Tilt FC1 och M3 vertikalt till nivå HeNe balken med avseende på optiska tabell och behåll det riktas på provet.
    5. Använda IR viewer för att leta efter både resonant laser och HeNe laser fläckarna på provet. Kontrollera att centrera av HeNe laser plats är på samma höjd som den resonant laser platsen. Om inte, Använd FC1 och M3 för att matcha beam höjder samtidigt som HeNe balken nivå med tabellen.
    6. In icke-polarisera beam splitter kuben (90: 10), NPBS, HeNe sökvägen. Centrera kuben i infallande HeNe balken.
    7. Lokalisera två balkar på beam splitter utdata till sökvägen samling, en från reflektion från provet och en från inre reflektion inom kuben.
    8. Rotera kuben av en liten vinkel (~ 5 grader) så att de två balkarna kan lätt separeras vid avfarten. Det ljus som reflekteras från provet ytan kan användas som en grov guide för att anpassa kameran.
      Obs: Internt reflekterade strålen riktning ändras inte när kuben roterar om den lodräta axeln.
    9. Nivå kuben med avseende på fliken optiskalen genom att säkerställa HeNe balken motsvarande inre reflektion inuti kuben är på samma höjd som inkommande balken.
    10. Sätta en IR-känslig kamera i vägen för baksidan återspeglas HeNe beam. Använd en tub objektiv L cam med en brännvidd på 200 mm för att fokusera exempelbilden på kameran.
      Obs: Ett hembyggda tube system används till hus objektiv L cam, som visas i figur 1, vilket förhindrar att upptäckas av kameran av herrelösa rum ljus.
    11. Konfigurera en 800 nm lång-pass filter, F1, framför L cam att filtrera bort HeNe ljus, som tillåter observation av PL från provet med kameran.
  2. Installation och optimering av objektiv ställning L obj
    1. sätta den asfäriska objektiv L obj i en translationell fäste med tre translationell frihetsgrader. Centrum L obj på HeNe laser och ange avskiljandet från provet vara brännvidd f obj = 10 mm.
    2. Uppsättning upp linsen para ihop L1 och L2 (f 1 = f 2 = 50 mm) med hjälp av en X-Y-montering för translationell där ena sidan är fast och andra sidan är flyttbara i sidled planet styrs av mikrometrar.
      Obs: Linsen L2 går in i lös sida av berget. L1 är innehas av en lins tube och bifogas den fasta sidan av berget. Rörledningssystemet ger friheten att justera avståndet mellan de två linserna genom att skruva ut linsen röret hålla L1 längs den optiska axeln.
    3. Ange avståndet mellan de två linserna vara 100 mm. Ange L2 i mitten av fästet genom att justera mikrometrar.
    4. In på L1 och L2 objektiv combo HeNe vägen mellan NPBS och kryostaten. Ange avståndet mellan L1 och L obj vara f obj + f 1. Centrera L1 och L2 på incidenten HeNe ljus.
    5. Infogar illuminator och membran i samlingen sökvägen som visas i figur 1. Ange avståndet mellan lins K4 och L2 vara summan av deras brännvidder.
    6. Centrera belysning balken på L2 genom justering av vinkeln på Upplysaren.
    7. Justera vinkeln på den tunna hinnan Center baksidan reflekteras belysning ljus synligt i kamerabilden för PL spot orsakas av HeNe magnetiseringen.
      Obs: För anpassning, kan en nära fältbländaren för att hitta mitten av det belysta området.
    8. Använder endast illuminator ljuset, hitta en surface defekt eller damm på prov genom att titta på kameran. Sök andra delar av provet som behövs genom att flytta L2 sidled.
    9. Något tryck L obj i/ute längs den optiska axeln att göra kanten av felet eller damm skarpaste.
    10. SKIFT L2 tillbaka till mitten av fästet.
    11. Visa HeNe-upphetsad PL plats på kameran och flytta L obj horisontellt så att PL plats är 1-2 mm från provet klyvs kant.
      Obs: För ett avstånd mindre än 1 mm, laser spridningen från provet klyvs kant skulle samlas mål L obj. Medan för en bit för långt från klyvs ansiktet, excitation balken kan uppleva dämpning innan den når den QD, vilket minskar den högsta magnetiseringen effekt tillgänglig.
    12. SKIFT L2 horisontellt tills klyvs kanten av provet visas på kameran under belysning.
    13. Långsamt Skift L obj vertikalt för att leta efter en ljusa laser plats på klyvs kanten av provet, som orsakas av spridningen av resonant excitation balken på kluvna inför provet.
    14. Nivå PL plats orsakas av HeNe excitation till ljusa laser plats på klyvs kanten av provet.
  3. Uträtning av HeNe excitation sökvägen med avseende på den nya platsen för L obj .
    Obs: För att maximera Skanningsbar området och minska vinjettering, det är nödvändigt att åter centrerar magnetiseringen optiken och excitation balken med avseende på platsen för L obj.
    1. Ta bort L1 och L2. Center excitation balken på L obj samtidigt balken är i provet ytan normala färdriktning.
    2. Center L2 på fästet. Centrum både L1 och L2 på infallande excitation balken. Ange avståndet mellan L1 och L obj vara summan av de två brännvidder, dvs., f 1 + f obj.
    3. Flytta L cam så att den är centrerad på reflekterade HeNe balk. Flytta kameran så att HeNe upphetsad PL (Använd en lång-passera filter) är centrerad på bilden.
    4. Justera vinkeln på belysningen och den tunna hinnan att centrera belysning ljus på L2 och på PL spot orsakas av HeNe magnetiseringen.
  4. Justering av speglar M1 och M2.
    Obs: En laser riktad bakåt genom spektrometern kommer att underlätta anpassningen.
    1. Monitor den HeNe-upphetsad PL från provet vid kameran. Centrera en iris (Iris A) på PL mellan membran och M1.
    2. Center objektiv L spec på omvänd balken och placera den en brännvidd f spec från ingången skåran i spektrometern.
    3. Skicka omvänd strålen från spektrometern till provet genom att reflekteras två speglar, M1 och M2.
    4. Ställa in en annan iris (Iris B) mellan M2 och L spec och centrera den på omvänd balken.
    5. Styra M2 att centrera omvänt helljus på Iris A. styra M1 att centrera PL på Iris B. Repeat denna process flera gånger tills båda kriterier är uppfyllda.
    6. Hitta mitten av ingången skåran (30 μm bredd) av spektrometern på CCD genom övervakning noll ordningens diffraktion ljusets rum.
    7. Öppna ingången skåran i spektrometern. Genom att använda en 800 nm lång lågpassfilter, PL från provet enligt HeNe magnetisering kan observeras på CCD.
    8. Styra M1 till centrum denna plats vid ingången slits av spektrometern och på den mellersta höjden av CCD, och styra M2 om du vill centrera omvänd balken på Iris A. Upprepa denna process flera gånger tills båda kriterierna är basfälten
    9. Justering av objektiv par L3 och L4: Position L3 i sökvägen PL samling på en plats som är f 2 + f 3 från linsen L2. Plats L4 i samlingen banan separerade från L3 med summan av deras brännvidder, f 3 + f 4. Justera den laterala positionen L4 till center PL plats på CCD.

4. Överlappning av PL samling sökvägen med avseende på Resonant Excitation sökvägen

  1. Cool ner provet till 4,2 K. Med ovan-band magnetiseringen, använda spektrometern peka utsläpp våglängden av lagrets vätning (vanligtvis omkring 880 nm).
  2. Skapa en 800 nm lång-pass filter F1 framför L cam för att blockera HeNe ljuset. Med hjälp av det reflekterande ljuset, skifta L2 horisontellt för att lokalisera klyvs kanten av provet på kameran.
  3. Ange sida excitation våglängden vara resonant med vätning lagret. Leta upp en ljus spridning fläck vid klyvs kanten av provet på kameran.
  4. Observera ett " strimma mönster " av fotoluminescens på kameran genom att justera E1 lateral position. Maximera intensiteten av strimma av skiftande E1 sidled.
    Obs: Den " strimma " är vätning lager utsläpp, vilket innebär att magnetiseringen balken är kopplat till waveguide provets.
  5. Justera E1 vertikalt för att flytta den strimma överlappar PL plats orsakas av HeNe magnetiseringen.
  6. Spela in intensiteten av lagrets vätning PL. Justera E2 i en riktning, och sedan åter optimera placeringen av E1; igen spela in intensiteten i PL och jämför med det tidiga värdet.
  7. Om intensiteten har ökat, upprepa justeringen av E2 i samma riktning. Om intensiteten har minskat, sedan vända justeringen av E2. Upprepa proceduren för att hitta de optimala positionerna för både E1 och E2.

5. Resonant Excitation av en enda Quantum Dot

< p class = ”jove_content”> Obs: Det finns två möjliga tillvägagångssätt att inse resonant excitation av en enda QD: (1) Ställ in excitation frekvensen av laser för att matcha en specifik QD resonans; eller (2) scan laser frekvensen över resonans energierna av QD ensemble tills resonans fluorescens från en enda QD observeras.

  1. Metod (1) - riktad magnetisering:
    1. Ställ in spektrometern att övervaka första ordningens diffraktion vid centrum av utsläpp våglängden av QD ensemble under ovan band-gap excitation. Öppna ingången skåran i spektrometern.
    2. Justera kraften i ovan-band magnetiseringen tills en glödande bakgrund visas på grund av excitation av kontinuum svansen av vätning lager staterna. Nära ingången skåra till 30 µm.
    3. SKIFT L2 sidled för att hitta en lämplig QD - till exempel den ljusaste som i vyn. Spela in våglängden av QD λ QD mätt som spektrometern.
    4. Tune våglängden av resonant excitation laser vara samma värde som λ QD.
      Obs: Ofta, spektrometern kan plocka upp en svag signal av spridningen av resonant excitation laser från optiken. Om inte direkt en split-off av magnetiseringen balken i spektrometern.
    5. Maximera QD ' s PL intensitet på på CCD av Finjustera frekvensen av magnetiseringen laser.
      Obs: För vissa QDs behövs en liten mängd HeNe ljus att tillåta QD vara resonantly glada 10 , 31 , 32. Krävs HeNe laser kraften är oftast så låg - några hundra nanowatts - som ingen fluorescens orsakas enbart av detta HeNe kan upptäckas av CCD.
    6. Maximera QD PL intensitet genom att justera höjden och objektiv E1 lateral position och axiell ståndpunkt av lins E2. Gemensamt optimera positionerna för linser E1 och E2 för att maximera intensiteten i resonans fluorescensen från QD.
  2. Metod (2) - spektral söka:
    1. Ställ in spektrometern att övervaka första ordningens diffraktion vid centrum av utsläpp våglängden av QD ensemble. Öppna ingången skåran i spektrometern.
    2. Finjustera frekvensen av magnetiseringen laser över energi QD ensemblen. En resonantly glada QD visas på CCD som en prick omgiven av par luftiga ringar. Plocka en QD som är ljus.
    3. Maximera dess PL intensitet genom att finjustera våglängden av magnetiseringen laser.
    4. Maximera dot PL intensitet genom att justera höjden och lateralen position av E1and lins E2 axiella ställning. Gemensamt optimera positionerna för linser E1 och E2 för att maximera intensiteten i resonans fluorescensen från QD.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 visar en viss förverkligandet av nödvändig utrustning för att utföra resonant excitation av en enda quantum dot. Andra genomföranden är möjliga, men de kritiska komponenterna är: en magnetisering sökvägen till paret att waveguide; en samling väg att vägleda fluorescens till detektorer; en confocal excitation väg att excitera längs sökvägen samling; och en belysning väg till aktivera avbildning av provet ytan.

Två representativa RPLE spectra visas i figur 2. De samlas in från en neutral QD [figur 2a och b] och en laddad QD [figur 2(c) och (d)]. Den exakta kostnad delstaten den laddade QD inte kan fastställas genom att undersöka spektrumet. För att uppnå det bästa signal-brus-förhållandet, måste laser spridning hållas till ett minimum. Längst till höger bilderna i figur 2(a) och (c) Visa scattering bakgrunden när excitation lasern är långt-detuneds från resonans. Laser spridningen är mycket svagare än QD fluorescensen, men för att illustrera de typiska mönster av spridning, bilderna har förbättrats av 284 och 23 gånger, respektive. Om dessa bilder påträffas i justeringen innebär det att det finns en stark laser spridning. Flera orsaker kan leda till detta resultat, såsom feljusteringen av kopplingen i waveguide, repor på kluvna inför vågledare, ett synfält för nära klyvs kanten av prov osv. Detaljerade diskussioner på varje punkt finns i diskussionen i detta protokoll.

Bilden av en resonantly glada QD i en planar microcavity har normalt central disk med ringar runt det som visas i figur 3. Detta mönster resulterar från kopplingen av QD till den plan-våg eigenmodes av kaviteten, vars förökning riktningar är våglängd beroende33. Således framgår fluorescens av en enda våglängd hålighet i en hålkon vars apex vinkel bestäms av våglängden av utsläpp. När detta ljus är parallellt vid mål och fokus av röret lins, har den bild som bildas ringliknande struktur framgår av figur 2 och figur 3. Radierna av ringar och disken kommer att bestämmas av apex vinkeln och därmed utsläpp våglängden. Ju mindre utsläpp våglängden, desto större apex vinkeln och ju mindre radierna. Minsta möjliga apex vinkeln är noll, vilket innebär att det finns en lång våglängd cutoff för utsläpp som kan fly hålrummet. Största möjliga apex vinkeln bestäms av NA av den objektiv, vilket innebär att det finns en kort våglängd cutoff för utsläpp som kan samlas in av det optiska systemet. Ett mål med en större NA- eller tillägg av en solid nedsänkning lins - skulle utvidga detta låg slutet av samlingen bandet till kortare våglängder. Däremot, kan inte lång våglängd slutet av samlingen bandet ändras utom genom att ändra strukturen provet. Figur 3 visar bilder av fluorescens från QDs med olika utsläpp våglängder alltifrån minsta upp till cutoff våglängd.

Figure 1
Figur 1. Schematisk bild av experimentet.
Resonant excitation av en enda QD realiseras genom koppling en smala linewidth (1 MHz) cw laserstråle in waveguide av provet, som skildras av orange sökvägen. Fotoluminescens av provet samlas från Fabry-Perot läge, efter den röda vägen. Helium-Neon (HeNe) laser ger ovanstående band-gap magnetiseringen confocally, efter den gröna vägen. En hembyggda illuminator ger jämn belysning av provet ytan med 940 nm ljus, som skildras av gula sökvägen. Observera att schemat inte är skalenlig. FC: fiber koppling; Annons: aperturbländaren; FD: fältbländaren; POL: polarisator; F: lång-passera filter; NPBS: icke-polarisera beam splitter kuben. DBR: distribuerade Bragg reflektor; CCD: kostnad – tillsammans enhet; LED: lysdiod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. Resonans fluorescens av en enda quantum dot.
(a) bilder av fluorescens av en neutral kvantpricken på olika detunings, anges i linjära frekvens på toppen av varje bild. Noll omstämning motsvarar 927.8597 nm. (b) RPLE spectrum av den samma neutrala QD, genom att integrera PL intensiteten i ett cirkulärt område med en diameter på 8 pixlar runt centrum. (c) bilder av fluorescens av en laddad QD på olika detunings, anges i linjära frekvens längst ned i varje bild. Noll omstämning motsvarar 927.653 nm. (d) RPLE spektrum av samma debiteras QD, genom att integrera PL intensiteten i ett cirkulärt område med en diameter av 12 pixlar runt centrum. (e) andra ordningens korrelation mätning av den neutrala QD i a under resonant magnetiseringen på lågenergi-toppen. Rätt-mest bildrutorna i (a) och (c) är långt-detuneds excitation bilderna, med intensitet multiplicerat med 284 och 23, respektive för att Visa låga laser scattering bakgrunden. Observera att färgen skala för (a) och (c) är olika men delade bland de enskilda sub-tomterna. Normaliserad RPLE intensitet i (b) och (d) skildras av orange prickar, medan blå fyrkanter anger de uppgifter som motsvarar de bilder som visas i (a) och (b), respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. Resonans fluorescens från åtta olika punkter på olika våglängder i hålighet läge.
Resonans våglängden indikeras på toppen av varje bild. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De kritiska steg i protokollet är: mode-matchning och anpassningen av magnetiseringen balken på vågledare läge; och korrekt inriktning och fokusering av kollektion optiken. De svåraste delarna av dessa steg är inledande justeringen; Det är relativt enkelt att optimera kopplingen av en redan justerade inställningar. Överlappande områdena samling och magnetisering är ett steg som är enkla med förmågan att bild provet på kameran, men är mycket svårt utan denna förmåga. För att få hög kvalitet imaging, är ordentlig Kohler belysning kritisk. Ämnet av Kohler belysning inte omfattas av detta protokoll, men är ett välkänt begrepp i mikroskopi och diskuteras utförligt i publicerad litteratur34,35.

Lins brännvidd noterade här är typiska, men krävs inte. Olika kryostater och andra faktorer kan införa ytterligare eller andra krav på optik arrangemanget. I sådana fall är korrekt val av objektiv brännvidder under design för att uppfylla kraven i läge-matchning i excitation sökvägen och Kohler belysning i sökvägen samling. Kohler belysning kommer att uppfyllas om linser är avgränsade med summan av deras brännvidder. Korrekt läge-matchning i waveguide kräver så hög en NA som möjligt, vilket innebär balken måste fylla bländaren på Eobj. Målet sitter i en hemmagjord dovetail järnväg XYZ fäste som är lös bara i rumstemperatur eftersom det ligger inuti den kod utrymmet av kryostaten. Denna nära till prov position tillåter användning av en stor NA-lins samtidigt minimera termiska variationen i objektiv fästen, vilket ökar mekanisk stabilitet. Målen är i detta fall asfäriska singlet linser på grund av utrymmesbegränsningar. Om mer utrymme är tillgängligt, skulle kommersiella flerlins mål kunna användas i stället att förbättra bild kvalitet, NA och förstoring. Den experimentella setup skulle kunna utvidgas för att tillåta confocal resonant eller nära-resonant magnetisering genom att ersätta M3 med dikroiskt spegel och styra en magnetisering stråle genom både den dichroic och stråldelare NPBS.

Om laser bakgrunden är för stark, är dålig kopplingen av magnetiseringen balken i waveguide en möjlig orsak. Kopplingen kan minskas genom ojämnheter, repor eller kontaminering i klyvs ansiktet på grund av felaktig hantering. Ansiktet som kommer att kopplas till måste inte vidröras av något. Det är möjligt men svårt att rengöra kluvna inför kontaminering, men ojämnheter och repor är permanenta. Om ytkvalitet är ett problem, en annan plats i klyvs ansiktet kan prövas, men en färsk cleave kan behövas. Stark laser scattering bakgrund kan också orsakas av uncoupled portion av magnetiseringen ljus spridning från damm på ytan av provet. En annan möjlighet är att synfältet är för nära kanten av provet och ljusspridning från kanten går in sökvägen samling. Slutligen kan det vara att laser strömmen är alldeles för hög. Magnetiseringen laser kraften är vanligtvis i intervallet 0,5 till 10 µW mätt på wattmetern visas i figur 1. Bortsett från att minska källor av laser spridning, kan spridningen filtreras genom att lägga till en horisontell polarisator i sökvägen samling. Men för att se QD kräver fluorescens i denna situation en QD vars dipolmoment inte är anpassad till vertikal riktning.

Magnetiseringen polarisationen är begränsad till bara ett val; i detta fall är det lodlinjepolarization. Detta är på grund av tre begränsningar. Först, förökning riktningen av magnetiseringen balken tvings för att vara inom prov planet. Andra måste polarizationen vara vinkelrät mot förökningen. Tredje, de QD dipol stunderna ligga i provet planet. Om, som i detta fall, excitation strålen sprids horisontellt, då är det enda valet av polarisering som kan excitera QDs vertikal. Däremot har upptäckt polarizationen inga begränsningar placeras på det eftersom dämpningen av laser spridning sker främst genom inneslutning av laser inom vågledare läge11. En annan begränsning är att detta excitation system kräver en vågledare att styra ljuset till kvantpricken, en struktur som inte kanske är genomförbart för alla prover. Jämför detta med den mörka fält confocal excitation teknik1, som använder korsade polarisatorer för att undertrycka laser spridningen. I så fall magnetiseringen kan använda godtycklig polarisering, men upptäckten polarizationen måste vara ortogonala.

Enda kvantprickar under resonant excitation har visat sig vara utmärkta single photon källor med hög ljusstyrka, smala linewidth och hög indistinguishability36. Detta protokoll ger en genomförbar strategi för att utnyttja dessa exceptionella egenskaper själv monterade QD system för olika applikationer, såsom kvantinformation och linjär optiska quantum datoranvändning. Dessutom fotoner intrasslad med antingen en annan fotonen eller en elektron spinn kommer att kräva samling utan hänsyn till polarisering, vilket är en funktion av denna metod.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill erkänna Glenn S. Solomon för att lämna provet. Detta arbete stöds av 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kuhlmann, A. V., et al. A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode. Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905 (2013).
  2. Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
  3. Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
  4. Houel, J., et al. Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401 (2012).
  5. Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).
  6. Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402 (2007).
  7. Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
  8. Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315 (2012).
  9. Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 89 (15), 155305 (2014).
  10. Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence. Phys. Rev. B. 93 (11), 115307 (2016).
  11. Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401 (2017).
  12. Ge, R. -C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691 (2013).
  13. Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401 (2015).
  14. Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118 (2012).
  15. De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
  16. Schaibley, J. R., et al. Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon. Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401 (2013).
  17. Gerardot, B. D., et al. Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system. New J. Phys. 11 (1), 013028 (2009).
  18. Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308 (2016).
  19. Jundt, G., Robledo, L., Högele, A., Falt, S., Imamoglu, A. Observation of dressed excitonic states in a single quantum dot. Arxiv preprint cond-mat/0711.4205v1. , Available from: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4205v1.pdf (2007).
  20. Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity. Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403 (2014).
  21. Unsleber, S., et al. Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot. Optica. 2 (12), 1072 (2015).
  22. Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
  23. Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401 (2008).
  24. Roy-Choudhury, K., Hughes, S. Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons. Phys. Rev. B. 92 (20), 205406 (2015).
  25. Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot. Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).
  26. Ulrich, S. M., et al. Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity. Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402 (2011).
  27. Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity. Science. 312 (5773), 551-553 (2006).
  28. Kroner, M., et al. Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot. Phys. Rev. B. 78 (7), 075429 (2008).
  29. Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).
  30. Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).
  31. Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).
  32. Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).
  33. Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends. IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).
  34. Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
  35. Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
  36. He, Y. -M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).

Tags

Engineering fråga 128 Quantum dot fluorescens resonans fluorescens microcavity
Resonans fluorescens av en InGaAs Quantum Dot i en Planar hålighet med ortogonala Excitation och upptäckt
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter