Resonantie fluorescentie van een InGaAs Quantum Dot in een vlakke ruimte met behulp van orthogonale excitatie en detectie

Resonant excitatie van een enkele quantum emitter gecombineerd met fluorescentie detectie was een uitdaging op lange termijn experimentele voornamelijk te wijten aan het onvermogen om de zwakke fluorescentie uit de verstrooiing van sterke excitatie spectraal te discrimineren. Dit probleem, echter, heeft met succes verholpen in de afgelopen tien jaar door twee verschillende benaderingen: donker-veld confocal excitatie gebaseerd op polarisatie discriminatie^{1,2,3,4 ,5}, en orthogonale excitatie-detectie op basis van ruimtelijke modus discriminatie^{6,7,8,9,10,11, 12,13,14}. Beide benaderingen tonen een sterke mogelijkheid om aanzienlijk onderdrukken laser verstrooiing en zo grote schaal worden aangenomen in verschillende experimenten, bijvoorbeeld, de waarneming van de spin-foton entanglement^{5,15, 16}, demonstratie van gekleed Staten^{2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}en coherente manipulatie van beperkte draaiingen^{3,27,28,29,30}. Noch aanpak universeel toepasbaar op elke situatie; elk is beperkt tot enkele specifieke voorwaarden. De donker-veld-techniek maakt gebruik van de polarisatie van fotonen te onderdrukken de excitatie laser verstrooiing aan de mate van vrijheid. Deze techniek heeft meerdere voordelen. Bijvoorbeeld, is er geen verplichting voor een welomschreven waveguide-modus, waarmee confocal-implementatie. De confocal uitvoering zorgt voor circulair gepolariseerde excitatie en eventueel nauwere focus van de excitatie lichtbundel op de quantum emitter, wat resulteert in hogere excitatie-intensiteit. Echter, deze polarisatie-selectieve methode beperkt de detectie polarisatie te loodrecht op de excitatie-polarisatie en dus voorkomt een volledige karakterisering van de eigenschappen van de polarisatie van de fluorescentie. In vergelijking behoudt ruimtelijke modus discriminatie de volledige vrijheid van detectie polarisatie met behulp van de orthogonaliteit tussen de modi van de propagatie van excitatie en detectie balken te onderdrukken de laser verstrooiing⁴. De beperkingen van deze techniek zijn de noodzaak van een waveguide-structuur in de steekproef te bieden van een orthogonale naar de detectie-modus excitatie-modus, en de beperking van de polarisatie van de excitatie loodrecht op de propagatie van de lichtbundel worden .

Hier tonen we een protocol voor de bouw van een vrije ruimte-gebaseerde orthogonale excitatie-detectie setup voor resonantie fluorescentie experimenten. Vergeleken met het pionierswerk op ruimtelijke modus discriminatie waar een optische vezel gewend was licht in de holte⁶paar, dit protocol biedt een oplossing in de vrije ruimte, en vereist geen kinetische onderdelen te monteren of het monster of de vezel in cryostaat. Fijne controle van de richtingen van de lichtbundel excitatie en het detectie-pad worden gemanipuleerd door optica buiten de cryostaat, terwijl asferische singlet lenzen fungeren als doelstellingen binnen de koude regio van de cryostaat toespitsen. Wij bieden een representatief beeld van de uitlijning van de belangrijkste stappen in het proces van bereiken resonant excitatie en opsporing van fluorescentie van een enkele quantum dot.

Het staal dat wordt gebruikt voor deze demonstratie wordt geteeld door moleculaire straal epitaxie (MBE). De InGaAs quantumdots (QDs) worden ingebed in een GaAs-spacer dat wordt begrensd door twee reflectoren voor gedistribueerde Bragg (DBRs), zoals weergegeven in de weergave zoom-in van het monster in Figuur 1. Het GaAs tussenstuk tussen de DBRs fungeert als een golfgeleider, waar de excitatie-bundel is beperkt door de totale interne reflectie. De DBRs ook fungeren als hoge-reflectiviteit spiegels voor wavevectors die bijna loodrecht op het vlak van de steekproef zijn. Dit vormt een modus van de Fabry-Pérot waarnaar het QDs (echt) paar wanneer fluorescentie uitstoten. De Fabry-Pérot-modus moet resonant met de emissie golflengte λ van het QDs, waarvoor de spacer GaAs als integer veelvoud van λ/n, waarbij n de brekingsindex van GaAs. Voor deze demonstratie vormt en is de dikte van de spacer GaAs gekozen als 4λ/n, die is ongeveer 1 µm, zodat ze in de buurt van de grootte diffractie beperkt plek van de excitatie van de invallende lichtbundel. Een smallere spacer zou resulteren in een lagere efficiëntie van de koppeling van de lichtbundel van excitatie in de waveguide-modus.

De experimentele opzet is afgebeeld in Figuur 1. Om te maximaliseren van de efficiëntie van de koppeling, een asferische enig-lens doelstelling E_obj met numerieke diafragma NB = 0,5 en focale lengte van 8 mm is gekozen om zich te concentreren op de excitatie-balk op het gekloofd gezicht van het monster. De functie van de telescoop van de Kepleriaanse (opgebouwd uit lens paar E1 en E2) in de excitatie-pad is tweeledig: (1) tot en met de opening van de excitatie doelstelling E_obj te vullen zodat de excitatie-bundel is strak gericht voor het beter afstemmen van modus naar de waveguide (in Dit besef de collimated bundel diameter is 2.5 mm), en (2) om drie graden van vrijheid te manoeuvreren het brandpunt van de lichtbundel excitatie het gekloofd gezicht van het monster. Lens E1 is gemonteerd op een X-Y translationeel mount waarmee de twee vrijheidsgraden te verschuiven van de excitatie plek vrij in het vlak van het gezicht gekloofd monster. Lens E2 is gemonteerd op een niet-draaiend zoom behuizing die biedt de vrijheid om te kiezen van de diepte van het focal point in het monster. Deze drie graden van vrijheid laten te optimaliseren de resonant excitatie van een enkele QD zonder beweging van het monster zelf.

In het pad van de fluorescentie collectie, wordt een soortgelijke lens configuratie (L_obj, L1 en L2) gebruikt om detectie van fluorescentie uit verschillende delen van het monster. Het licht van het monster is gericht door één van de twee lenzen van de buis op of een IR-gevoelige camera (L_cam) of de gleuf van de ingang van de spectrometer (L_spec). Motie van L1 langs de z-as aangepast de focus van het beeld en laterale vertaling van L2 zorgt ervoor dat de afbeelding te scannen in het vliegtuig van het monster. De brandpunten van L1 en L2 zijn gelijk dus hun vergroting eenheid is. Dit wordt gedaan om het maximaliseren van het bereik dat L2 kan worden vertaald voordat vignettering optreedt.

Ter vergemakkelijking van de uitlijning en de locatie van een QD, is een huis-gebouwde illuminator gebaseerd op Kohler verlichting opgenomen in de installatie, zoals afgebeeld in Figuur 1. Het doel van Kohler verlichting is ervoor te zorgen voor uniforme verlichting aan het monster een image van de verlichting-lichtbron is niet zichtbaar in de voorbeeldafbeelding. De lens-configuraties van zowel het hulplicht en het pad van de collectie zijn zorgvuldig ontworpen om te scheiden van de vliegtuigen van de geconjugeerde beeld van het monster en de lichtbron. Elke lens in het pad van de collectie is gescheiden van haar buren door de som van hun brandpuntsafstanden. Dit zorgt ervoor dat waar de voorbeeldafbeelding in beeld-zoals op de sensor van de camera-het beeld van de lichtbron is volledig intreepupil. Ook waar het beeld van de lichtbron is in beeld-zoals bij het terug brandvlak van de doelstelling – de voorbeeldafbeelding is volledig intreepupil. De lichtbron is een commerciële lichtemitterende diode (LED) uitstoten bij 940 nm. Het middenrif diafragma maakt de aanpassing van de intensiteit van de verlichting en het middenrif veld bepaalt het gezichtsveld te verlichten. De sleutels tot het realiseren van uniforme verlichting zijn om in te stellen van de afstand tussen lens K4 en L2 om de som is van de brandpunten van de twee lenzen, en ervoor te zorgen dat de opening van L_obj is niet overvolle door de verlichting. In dit protocol, wordt de verlichting ook gebruikt voor het optimaliseren van de afstand tussen L_obj en het monster.

De doelstelling L_obj en beide buis lens biedt een vergroting van 20 x op de camera of de spectrometer. De lens paar L3 en L4 L_obj à L_spec vormt een ander Kepleriaanse telescoop waarmee een extra 4 x vergroting op de afbeelding op de charge – coupled device (CCD) van de spectrometer. De toevoeging van lenzen L3 en L4 resulteert in een totale vergroting van 80 x, die noodzakelijk is om het ruimtelijk onderscheiden fluorescentie van nabijgelegen QDs. L3 en L4 zijn gemonteerd op het wegknippen mounts te vergemakkelijken van de vergroting te schakelen omdat 20 x vergroting biedt een groter gezichtsveld van de steekproef.

Als u wilt overlappen het gezichtsveld van het pad van de collectie met het pad van de lichtbundel van excitatie door de waveguide, is de uitstoot van het continuüm van de quantum dot bevochtiging laag handig. De golflengte van de emissie van de bevochtiging laag kan men bepalen door het meten van het emissiespectrum van het monster onder boven band-gap excitatie. Voor onze voorbeeld, bevochtiging laag emissie treedt op bij ongeveer 880 nm bij 4.2 K. Door de koppeling van een laserstraal cw op 880 nm in de waveguide van het monster, kan men waarnemen een streep patroon gevormd door de PL uit de bevochtiging laag, die wordt weergegeven in de bijbehorende video. De streep onthult het propagatie pad van de excitatie-licht dat in de waveguide gekoppeld is geweest. De aanwezigheid van deze streep gecombineerd met de mogelijkheid om het imago van het oppervlak van het monster maakt uitlijning eenvoudig.