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

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 discrimination^{1,2,3,4 ,5}et orthogonale excitation-détection basée sur le mode spatial discrimination^{6,7,8,9,10,11, 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 enchevêtrement^{5,15, 16}, démonstration d’États habillé^{2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}et manipulation cohérente du clos tours^{3,27,28,29,30}. 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 E_obj 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 E_obj 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 (L_obj, 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 (L_cam) ou la fente d’entrée du spectromètre (L_spec). 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 L_obj n’est pas trop rempli par l’éclairage. Dans ce protocole, l’éclairage est également utilisé pour optimiser la distance entre L_obj et l’échantillon.

L’ objectif L_obj 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 L_obj et L_spec 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.