Fluorescencia de resonancia de un punto cuántico de InGaAs en una cavidad plana usando detección y excitación ortogonal

La excitación resonante de un emisor único cuántica combinada con detección de fluorescencia fue un desafío experimental a largo plazo debido principalmente a la incapacidad para discriminar espectralmente la fluorescencia débil de la dispersión de excitación fuerte. Esta dificultad, sin embargo, ha sido superada en la última década por dos enfoques diferentes: excitación confocal campo oscuro basado en polarización discriminación^{1,2,3,4 ,5}y excitación ortogonal-detección basada en el modo espacial discriminación^{6,7,8,9,10,11, 12,13,14}. Ambos enfoques demuestran una fuerte capacidad para inhibir significativamente la dispersión láser y así se adoptó ampliamente en varios experimentos, por ejemplo, observación de spin-fotón enredo^{5,15, 16}, demostración de Estados con^{2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}y manipulación coherente de giros cerrados^{3,27,28,29,30}. Ni enfoque puede aplicarse universalmente a todas las situaciones; cada uno se limita a algunas condiciones específicas. La técnica de campo oscuro utiliza el grado de libertad de polarización de los fotones para suprimir la dispersión láser de excitación. Esta técnica tiene varias ventajas. Por ejemplo, no hay ningún requisito para un modo de guía de onda bien definida, que permite la implementación sólo confocal. La aplicación confocal permite la excitación polarizada circularmente y posiblemente un enfoque del haz de excitación en el emisor de la cuántica, dando por resultado la mayor intensidad de excitación. Sin embargo, este método selectivo de polarización restringe la polarización detección para ser ortogonal a la polarización de excitación y así evita una caracterización completa de las propiedades de polarización de la fluorescencia. En comparación, la discriminación espacial de modo conserva la libertad completa de polarización detección utilizando la ortogonalidad entre los modos de propagación de la excitación y detección de vigas para suprimir la dispersión de láser⁴. Las limitaciones de esta técnica son la necesidad de una estructura de guía de onda en la muestra para proporcionar un modo de la excitación ortogonal al modo de detección y la restricción de la polarización de excitación al ser perpendicular a la dirección de propagación de la viga .

Aquí, demostramos un protocolo para la construcción de una instalación libre de espacio-ortogonal excitación-detección basada para experimentos de fluorescencia de resonancia. Comparado con el trabajo pionero sobre la discriminación de modo espacial donde una fibra óptica fue utilizada para acoplar la luz en la cavidad⁶, este protocolo proporciona una solución en el espacio y no requiere componentes cinéticos para montar bien la muestra o el fibra en criostato. Control fino de las direcciones de la viga de la excitación y la trayectoria de detección son manipulados por óptica externa al criostato, mientras que las lentes asféricas camiseta actúan como enfoque objetivos dentro de la región fría de criostato. Proporcionamos imágenes representativas de los pasos clave de la alineación en el proceso de lograr excitación resonante y detección de la fluorescencia de un punto cuántico único.

La muestra utilizada para esta demostración es cultivada por epitaxia de haces moleculares (MBE). Los puntos cuánticos de InGaAs (QDs) están integrados en un espaciador de GaAs que está delimitado por dos reflectores Bragg distribuidos (DBRs), como se muestra en la vista de zoom de la muestra en la figura 1. El GaAs el espaciador entre el DBRs actúa como una guía de onda, donde se confina el haz de excitación por reflexión interna total. Los DBRs también actúan como espejos de alta reflectividad para wavevectors que son casi normales al plano de muestra. Esto forma un modo de Fabry-Perot que el QDs pareja cuando emiten fluorescencia. El modo de Fabry-Perot debe ser resonancia con la longitud de onda λ de emisión de los QDs, que requiere el distanciador de GaAs a ser un número entero múltiplo de λ/n, donde n es el índice de refracción del GaAs. Para esta demostración, el espesor del espaciador de GaAs es escogido para ser 4λ/n, que es aproximadamente de 1 μm, con el fin de estar cerca del tamaño de punto de difracción limitada de la viga de incidente de la excitación. Un espaciador más estrecho resultaría en una baja eficiencia de acoplamiento del haz de excitación en el modo de guía de onda.

El montaje experimental se muestra en la figura 1. Para maximizar la eficiencia de acoplamiento, un objetivo de lente asférico E_obj con apertura numérica NA = 0,5 y longitud focal de 8 mm se elige para enfocar el haz de excitación sobre el cara cortada de la muestra. La función del telescopio de Keplerian (compuesto por par de lentes E1 y E2) en el camino de la excitación es doble: (1) para llenar la apertura de la excitación objetivo E_obj para el haz de excitación se centra firmemente para mejor modo-adecuación a la guía de onda (en Esta realización el diámetro del haz colimado es 2,5 mm) y (2) para proporcionar tres grados de libertad para maniobrar el punto focal del haz de excitación en la cara cortada de la muestra. E1 objetivo se monta en una montura traslacional de X-Y que proporciona los dos grados de libertad para cambiar el punto de excitación libremente en el plano de la cara cortada de la muestra. E2 de la lente está montada sobre un zoom sin rotación de vivienda que ofrece la libertad de escoger la profundidad del punto focal de la muestra. Estos tres grados de libertad nos permite optimizar la excitación resonante de un QD sola sin necesidad de movimiento de la muestra sí mismo.

En el camino de la colección de fluorescencia, una configuración similar de la lente (L_obj, L1 y L2) se utiliza para permitir la detección de la fluorescencia de diferentes partes de la muestra. La luz de la muestra se centra en uno de dos tubos en ya sea un IR-sensible a la cámara (L_cam) o la ranura de entrada del espectrómetro (L._spec). Movimiento de L1 a lo largo del eje z ajusta el enfoque de la imagen y traducción lateral de L2 hace que la imagen a escanear en el plano de la muestra. Las longitudes focales de L1 y L2 son iguales, por lo que su aumento es unidad. Esto se hace para maximizar la gama que L2 puede ser traducido antes de que produce viñeteado.

Para facilitar la alineación y la ubicación de un QD, un iluminador de fabricación casera basado en la iluminación de Kohler se incorpora en la configuración, como se muestra en la figura 1. El propósito de la iluminación de Kohler es proporcionar una iluminación uniforme a la muestra y asegurar que una iMago de la fuente de iluminación de luz no es visible en la imagen de muestra. Las configuraciones de la lente de la luz y el camino de la colección están diseñadas cuidadosamente para separar los planos de imagen conjugada de la muestra y la fuente de luz. Cada lente en el camino de la colección es separada de sus vecinos por la suma de sus distancias focales. Esto asegura que siempre que la imagen muestra en foco – como en el sensor de la cámara, la imagen de la fuente de luz es totalmente desenfocada. Del mismo modo, donde la imagen de la fuente de luz está en foco – como en el plano focal detrás del objetivo – la imagen de muestra es completamente defocused. La fuente de luz es una luz comercial emisión de diodo (LED) emiten a 940 nm. El diafragma de la abertura permite el ajuste de la intensidad de la iluminación y el diafragma de campo determina el campo de visión que se iluminará. Son las claves para la realización de una iluminación uniforme establecer la distancia entre la lente K4 y L2 para la suma de las longitudes focales de las dos lentes, y para asegurarse de que la apertura de L_obj no se llena por la iluminación. En el presente Protocolo, la iluminación sirve también para optimizar la distancia entre L_obj y la muestra.

El objetivo L_obj y cualquier lente de tubo proporciona un aumento de x 20 sobre la cámara o el espectrómetro. El par de lente L3 y L4 entre L_obj y L_{Especificaciones} forma otro telescopio de Keplerian que proporciona un aumento extra de 4 x a la imagen en el dispositivo de carga acoplada (CCD) del espectrómetro. La adición de lentes L3 y L4 resultado en un aumento total de x 80, que es necesario distinguir espacialmente fluorescencia de cerca QDs. L3 y L4 es montado sobre soportes para facilitar el cambio de la ampliación porque los bancos aumento 20 x proporciona un mayor campo de visión en la muestra.

Para superponer el campo de visión de la trayectoria de la colección con la trayectoria del haz de excitación a través de la guía de onda, la emisión de la serie continua del punto de quantum mojando la capa es útil. Uno puede determinar la longitud de onda de emisión de la capa de adherencia de soldadura midiendo el espectro de emisión de la muestra bajo sobre excitación del boquete de la venda. Para nuestro ejemplo, emisión de la capa de adherencia de soldadura se produce en aproximadamente 880 nm a 4,2 K. Por acoplamiento de un rayo de láser cw a 880 nm en la guía de onda de la muestra, se puede observar un patrón de rayado formado por el PL de la capa de adherencia de soldadura, que se muestra en el video que lo acompaña. La racha revela la trayectoria de la propagación de la luz de excitación que se han unido en la guía de onda. La presencia de esta veta combinada con la capacidad de la superficie de la muestra de la imagen hace alineación sencilla.