Resonanz-Fluoreszenz ein InGaAs Quantum Dot in einem planaren Hohlraum mit orthogonalen Erregung und Erkennung

Resonante Anregung von ein einzelnes Quantum-Strahler kombiniert mit Fluoreszenz-Detektion wurde eine langfristige experimentelle Herausforderung vor allem wegen der Unfähigkeit, die schwache Fluoreszenz von der starken Erregung Streuung spektral zu unterscheiden. Diese Schwierigkeit jedoch erfolgreich überwunden in den letzten zehn Jahren durch zwei verschiedene Ansätze: dunkel-Feld konfokale Erregung basierend auf Polarisation Diskriminierung^{1,2,3,4 ,5}, und orthogonal Erregung-Erkennung anhand der räumlichen Modus Diskriminierung^{6,7,8,9,10,11, 12,13,14}. Beide Ansätze zeigen eine starke Fähigkeit, Laser-Streuung deutlich zu unterdrücken und somit sind weit verbreitet in verschiedenen Experimenten, z. B. Beobachtung von Spin-Photon Verschränkung^{5,15, 16}, Demonstration von gekleidet Staaten^{2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}und kohärente Manipulation der geschlossenen Drehungen^{3,27,28,29,30}. Keiner dieser Ansätze kann universell auf jede Situation angewendet werden; Jeder ist auf bestimmten Bedingungen beschränkt. Die dunkel-Field-Technik nutzt die Freiheitsgrade der Polarisation von Photonen, die Erregung Laser Streuung zu unterdrücken. Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel gibt es keine Notwendigkeit, eine wohldefinierte Waveguide-Modus, der nur konfokale Umsetzung ermöglicht. Die konfokale Umsetzung ermöglicht eine Zirkular polarisierte Erregung und möglicherweise Fokussierung des Strahls Erregung am Quantum Emitter, wodurch höhere Intensität der Erregung. Jedoch diese Polarisation-selektiven Methode schränkt die Erkennung Polarisation orthogonal zur Anregung Polarisierung zu und verhindert somit eine vollständige Charakterisierung der die Polarisationseigenschaften der Fluoreszenz. Im Vergleich dazu bewahrt räumliche Modus Diskriminierung die völlige Freiheit der Erkennung Polarisation durch den Einsatz der Orthogonalität zwischen den Modi Ausbreitung der Erregung und Erkennung Balken, der Laser Streuung⁴zu unterdrücken. Die Grenzen dieser Technik sind die Notwendigkeit einer Waveguide-Struktur in der Probe ein Anregung Modus orthogonal zu den Erkennungsmodus bieten und die Einschränkung der Erregung Polarisation senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls .

Hier zeigen wir ein Protokoll für den Bau einer free-Space-based orthogonal Erregung-Erkennung-Setup für Resonanz-Fluoreszenz-Experimente. Im Vergleich zu der bahnbrechenden Arbeit über räumliche Modus Diskriminierung wo eine optische Faser verwendet wurde, um Licht in die Kavität⁶paar, dieses Protokoll bietet eine Lösung im freien Raum, und erfordert keine kinetische Komponenten, entweder die Probe zu montieren oder die Faser in Kryostaten. Feinsteuerung der Richtungen der Erregung Strahl und der Erkennung Pfad sind durch Optik außerhalb des Kryostaten manipuliert, während Singulett asphärische Linsen fungieren als Ziele innerhalb des Kryostaten und kalten Umgebung konzentrieren. Wir bieten repräsentative Bilder der wichtigsten Ausrichtung Schritte im Prozess der Verwirklichung resonante Anregung und Detektion der Fluoreszenz von einem einzigen Quantenpunkt.

Das Beispiel verwendet für diese Demonstration wird von Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) angebaut. Die InGaAs-Quantenpunkte (QDs) sind eingebettet in ein GaAs-Abstandhalter, die durch zwei verteilter Bragg Reflektoren (DBRs) begrenzt ist, wie in der Zoom-Ansicht des Beispiels in Abbildung 1dargestellt. Der GaAs-Abstandhalter zwischen den DBRs fungiert als ein Hohlleiter, wo der Erregung Strahl durch Totalreflexion beschränkt. Die DBRs fungieren auch als hoher Reflektivität Spiegel für Wavevectors, die fast senkrecht zur Ebene Probe sind. Dies bildet einen Fabry-Perot-Modus, den paar die QDs wenn Fluoreszenz emittiert. Die Fabry-Perot-Modus muss resonant mit der Emission Wellenlänge λ von QDs, wonach den GaAs-Abstandhalter eine Ganzzahl sein Vielfaches von λ/n, wo n der Brechungsindex von GaAs ist. Für diese Demonstration ist die Dicke der GaAs-Abstandhalter ausgewählt 4λ/n, das ist etwa 1 µm, um sich in der Nähe der Beugung begrenzt Spotgröße von den einfallenden Erregung Strahl. Ein schmaler Abstandhalter ergäbe einen niedrigeren Wirkungsgrad der Kupplung des Strahls Erregung in den Wellenleiter Modus.

Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt. Um die Kupplung zu Effizienz, eine asphärische Einzelnobjektiv Ziel E_Obj mit numerischer Apertur NA = 0,5 und 8 mm Brennweite wird gewählt, um die Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu konzentrieren. Die Funktion der Keplerschen Fernrohr (bestehend aus Objektiv paar E1 und E2) in die Erregung Weg ist zweifach: (1), die Blende von der Erregung Ziel E_Obj zu füllen, damit die Erregung Strahl für bessere Modus-passend zu den Hohlleiter (in eng fokussiert ist Diese Erkenntnis der kollimierten Strahldurchmesser beträgt 2,5 mm), und (2) zu drei Freiheitsgrade im Mittelpunkt der Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu manövrieren. Objektiv E1 wird auf eine XY-translationale Halterung montiert, die die zwei Freiheitsgrade der Erregung Stelle frei in die Ebene der gespalten Probe Fläche verschieben bereitstellt. Objektiv E2 ist montiert auf einem nicht rotierenden Zoom Gehäuse festlegt: die Freiheit, die Tiefe der Dreh-und Angelpunkt in der Probe zu wählen. Diese drei Freiheitsgrade ermöglichen es uns, die resonante Anregung von einem einzigen QD zu optimieren, ohne Bewegung der Probe selbst.

In den Fluoreszenz-Sammlung-Pfad wird eine ähnliche Konfiguration der Linse (L_Obj, L1 und L2) zur Detektion der Fluoreszenz aus verschiedenen Teilen der Probe zu ermöglichen. Das Licht von der Probe wird durch eine zwei Rohr Linsen auf entweder eine IR-Kamera (L_Cam) oder die Einlauföffnung des Spektrometers (L_Spec) fokussiert. Bewegung des L1 entlang der z-Achse stellt den Fokus des Bildes, und seitliche Übersetzung von L2 bewirkt, dass das Bild in der Ebene der Probe zu scannen. Ihre Vergrößerung Einheit ist sind die Brennweiten von L1 und L2 gleich. Dies geschieht, um die Reichweite zu maximieren L2 kann übersetzt werden, bevor Vignettierung auftritt.

Um die Ausrichtung und Lage von einem QD zu erleichtern, ist eine selbst gebaute Illuminator basierend auf Kohler Beleuchtung in das Setup integriert, wie in Abbildung 1dargestellt. Kohler Beleuchtung dient, gleichmäßige Ausleuchtung der Probe und sorgen dafür, dass ein iMagier der Lichtquelle Beleuchtung ist nicht sichtbar im Beispielbild. Die Objektiv-Konfigurationen der Beleuchtung und der Sammlung-Pfad sind sorgfältig entworfen, die konjugierte Bildebenen der Probe und der Lichtquelle zu trennen. Jedes Objektiv in der Sammlung-Pfad wird durch die Summe ihrer Brennweiten von seinen Nachbarn getrennt. Dies sorgt dafür, dass überall, wo das Beispielbild im Fokus – wie z. B. auf den Sensor der Kamera – das Bild der Lichtquelle völlig unscharf gestellt ist. Ähnlich, wo das Bild der Lichtquelle im Fokus – ist wie bei der zurück Brennebene des Ziels – das Beispielbild komplett defokussierten. Die Lichtquelle ist ein kommerzieller Licht emittierende Diode (LED) emittieren bei 940 nm. Die Aperturblende ermöglicht die Einstellung von der Beleuchtungsstärke und der Leuchtfeldblende bestimmt das Sichtfeld zu beleuchtenden. Die Schlüssel für gleichmäßige Ausleuchtung zu realisieren sind, legen Sie den Abstand zwischen Objektiv-K4 und L2, um die Summe der Brennweiten der beiden Linsen werden, und um sicherzustellen, dass die Öffnung der L_Obj ist nicht überfüllt, durch die Beleuchtung. In diesem Protokoll wird die Beleuchtung auch zur Optimierung der Abstand zwischen L_Obj und der Probe.

Das Ziel L_Obj und entweder Schlauch-Objektiv bietet eine Vergrößerung von 20 X auf der Kamera oder das Spektrometer. Die Objektiv-paar L3 und L4 zwischen L_Obj und L_Spec bildet ein weiteres Keplerschen Teleskop, das bietet eine extra 4 X Vergrößerung auf das Bild auf – Coupled Ladegerät (CCD) des Spektrometers. Die Zugabe von Linsen L3 und L4 Ergebnisse in eine Gesamtvergrößerung von 80 X, die notwendig ist, räumlich Fluoreszenz von nahe gelegenen QDs. L3 und L4 zu unterscheiden montiert sind auf spiegeln Halterungen zur Erleichterung der Umstellung von der Vergrößerung, weil 20 X Vergrößerung bietet ein größeres Sichtfeld auf die Probe.

Um das Sichtfeld des Sammlung-Pfades mit dem Pfad des Balkens Erregung durch den Wellenleiter überschneiden, ist die Emission aus dem Kontinuum der Benetzung Schicht Quantenpunkt hilfreich. Man kann die Emissionswellenlänge von der Benetzungsschicht bestimmen, indem Sie messen das Emissionsspektrum der Probe unter über dem Bandabstand Erregung. Für unser Beispiel Benetzung Schicht Emission tritt bei etwa 880 nm bei 4,2 K. Durch die Kopplung eines cw -Laser-Strahls bei 880 nm in den Hohlleiter der Probe, kann man beobachten, eine Streifen-Muster gebildet durch die PL Benetzungsschicht, die im zugehörigen Video zu sehen ist. Das Streak zeigt den Ausbreitungsweg das Anregungslicht, das in den Hohlleiter gekoppelt wurde. Das Vorhandensein dieser Streifen, kombiniert mit der Fähigkeit, die Oberfläche der Probe Bild ist Ausrichtung unkompliziert.