קרינה פלואורסצנטית תהודה של נקודה InGaAs קוונטית בחלל מישורי באמצעות עירור אורתוגונלית וזיהוי

עירור התהודה של פולט קוונטית בודדת בשילוב עם פלורסצנטיות זיהוי היה אתגר ניסיוני לטווח ארוך בעיקר בשל חוסר היכולת spectrally להפלות את קרינה פלואורסצנטית חלש של פיזור עירור חזק. התסבוכת הזו, עם זאת, יש כבר בהצלחה להתגבר בעשור האחרון על ידי שתי גישות שונות: עירור קונאפוקלית כהה-שדה בהתבסס על קיטוב אפליה^{1,2,3,4 ,5}וזיהוי עירור אורתוגונלית בהתבסס על מצב מרחבי אפליה^{6,7,8,9,10,11, 12,13,14}. שתי הגישות להפגין יכולת חזקה לדכא באופן משמעותי את פיזור לייזר, ובכך הם אימצו אותו באופן נרחב בניסויים שונים, לדוגמה, התבוננות ספין-פוטון שזירה^{5,15, 16}, הפגנה של הברית לבוש^{2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}, מניפולציה קוהרנטי של ספינים מוגבלת^{3,27,28,29,30}. גם הגישה יכול להיות מיושם אוניברסלית במצב; כל מוגבל יש תנאים מסוימים. הטכניקה כהה-שדה מנצל את החופש של תואר קיטוב של הפוטונים לדכא עירור לייזר הפיזור. טכניקה זו יש מספר יתרונות. לדוגמה, יש ללא דרישה עבור מצב גלבו מוגדרים היטב, המאפשרת יישום קונאפוקלית בלבד. יישום קונאפוקלית מאפשר עירור מקוטב באופן מעגלי המוקד יכול להיות הדוק יותר של הקורה עירור על פולט קוונטית, וכתוצאה מכך בעוצמה עירור גבוהה יותר. עם זאת, שיטה זו בררני-קיטוב מגבילה את קיטוב זיהוי להיות אורתוגונלית כדי קיטוב עירור, וכך מונע אפיון המלאה של המאפיינים קיטוב של זריחה. לשם השוואה, מצב מרחבי אפליה משמר את חופש מוחלט של קיטוב זיהוי על-ידי ניצול של אורתוגונליות בין דרכי הפצת קורות עירור וזיהוי לדכא את פיזור לייזר⁴. האילוצים של שיטה זו הינם בצורך של מבנה גלבו במדגם לספק מצב עירור אורתוגונלית למצב גילוי, ההגבלה על קיטוב עירור להיות בניצב לכיוון התפשטות של קרן .

. הנה, נדגים פרוטוקול עבור בניית התקנה חינם-שטח מבוססי אורתוגונלית עירור לזיהוי לניסויים פלורסצנטיות תהודה. לעומת העבודה החלוצית על אפליה מצב מרחבי שם סיב אופטי שימשה כמה אור לתוך חלל⁶, פרוטוקול זה מספק פתרון בחלל חינם, ואין צורך קינטי רכיבים כדי לטעון גם את הדגימה או סיבים cryostat. שליטה טובה של ההוראות של קרן עירור ואת הנתיב זיהוי הם המניפולציה אופטיקה חיצוניים ל cryostat, בעוד עדשות גופיה אספריים לשמש מיקוד מטרות בתוך האזור הקר של cryostat. אנו מספקים להחליפן בתמונות של שלבים יישור מפתח בתהליך השגת עירור תהודה וזיהוי של זריחה של נקודה קוונטית בודדת.

המדגם המשמש לצורך ההדגמה הוא גדל על ידי קרן מולקולרית epitaxy (בין). נקודות קוונטיות InGaAs (QDs) נעוצים כרווח GaAs הנקשר באמצעות שני מבוזרת בראג מחזירי אור (DBRs), כפי שמוצג התצוגה זום-אין של הדוגמה באיור1. מרווח GaAs בין DBRs פועל גלבו, איפה קרן עירור מוגבל על ידי החזרה גמורה. DBRs משמשים גם מראות גבוהה-השתקפות wavevectors כי הם כמעט נורמלי למטוס מדגם. זה יוצר מצב פאברי-פרו שאליו QDs הזוג כאשר פולטות קרינה פלואורסצנטית. מצב פאברי-פרו בטח הניזונה מאוטוביוגרפיה ומהדהדת פליטת גל λ של QDs, המחייב את מרווח GaAs להיות שלם כפולה של λ/n, כאשר n הוא אינדקס השבירה של GaAs. לצורך ההדגמה, עובי מרווח GaAs נבחר להיות 4λ/n, אשר הוא כ 1 מיקרומטר, כדי להיות קרוב עקיפה מוגבל לגודל ספוט קרן עירור התקרית. ליעילות נמוכה צימוד של הקורה עירור למצב גלבו כתוצאה כרווח צר יותר.

הגדרת הניסוי מוצג באיור1. כדי למקסם את היעילות צימוד, יחיד-עדשה אספריים המטרה E_obj עם מפתח נומרי NA = 0.5, אורך מוקד של 8 מ”מ נבחר למקד את הקרן עירור על הפנים cleaved המדגם. הפונקציה של הטלסקופ Keplerian (מורכבת זוג עדשות E1, E2) בנתיב עירור היא כפולה: (1) כדי למלא את הצמצם של המטרה E עירור_obj אז קרן עירור בחוזקה ממוקד עבור יותר התאמת מצב גלבו (ב זה מימוש קרן מקבילות הקוטר הוא 2.5 מ מ), ו- (2) כדי לספק שלוש דרגות חופש תמרון נקודת המוקד של קרן עירור את פני cleaved המדגם. עדשה E1 הוא רכוב על הר של translational X-Y המספק את שתי דרגות חופש לנוע במקום עירור בחופשיות בתוך המטוס מדגם cleaved הפנים. עדשה E2, מותקן על זום לא מסתובב הדיור אשר מספק את החופש לבחור את עומק נקודת המוקד במדגם. אלה שלוש דרגות חופש מאפשרים לנו לייעל את עירור התהודה של QD יחיד ללא צורך התנועה של הדגימה עצמה.

בנתיב אוסף פלורסצנטיות, תצורה עדשות דומות (L_obj, L1, L2) משמש כדי לאפשר זיהוי של קרינה פלואורסצנטית מחלקים שונים של המדגם. . האור מדגם ממוקד על ידי אחד שתי עדשות צינור אל או רגיש IR מצלמת (L_קאם) או בכניסה חריץ של ספקטרומטר (L_spec). תנועה של L1 לאורך ציר z מתאימה את המיקוד של התמונה, וגורם תרגום לרוחב של L2 התמונה לסריקה על פני המטוס של המדגם. אורכי מוקד של L1, L2 שווים אז ההגדלה שלהם הוא האחדות. זה נעשה כדי להגדיל את טווח שיכול להיות מתורגם L2 לפני פינות כהות מתרחשת.

כדי להקל על היישור ומיקום QD, המאייר בנוי הבית מבוסס על קולר תאורה הוא שולב חלק מהתכנית, כפי שמוצג באיור1. מטרת קולר תאורה היא לספק תאורה אחידה לדגימת, להבטיח כי חיהקוסם מקור האור תאורה אינה מוצגת בתמונה. התצורות עדשה של המאיר והן את הנתיב אוסף מתוכננים בקפידה כדי להפריד את המטוסים תרכיב תמונה של המדגם, מקור האור. כל עדשה בנתיב אוסף מופרד שכנותיה בסכום של אורכי מוקד שלהם. הדבר מבטיח היכן התמונה לדוגמה נמצא בפוקוס – כגון-החיישן של המצלמה – תמונת מקור האור לחלוטין defocused. באופן דומה, תמונת מקור אור איפה מתמקדים-כמו על המטוס חזרה מוקד של המטרה – התמונה לדוגמה הוא defocused לגמרי. מקור האור הוא אור מסחרי פולטות נורית led פולט-940 ננומטר. הסרעפת הצמצם מאפשרת התאמת עוצמת תאורה, וקובעת הסרעפת שדה שדה הראייה כדי להיות מואר. המפתחות להגשמת תאורה אחידה נמצאים כדי להגדיר את המרחק בין העדשה K4, L2 ולהיות סכום אורכי המוקד של שתי עדשות, כדי להבטיח את הצמצם של L_obj הוא לא יתר על המידה על-ידי ההארה. ב פרוטוקול זה, ההארה משמש גם כדי לייעל את המרחק בין L_obj המדגם.

את המטרה L_obj ולעדשה צינור גם מספק את ההגדלה של 20 x את המצלמה או את ספקטרומטר. זוג עדשות L3 ו L4 בין L_obj L_spec טפסים טלסקופ Keplerian אחר המספק של תוספת 4 x הגדלה של התמונה על תשלום מצמידים מכשיר (CCD) של ספקטרומטר. התוספת של עדשות L3 ו L4 בתוצאות ההגדלה סך של 80 x, אשר יש צורך במרחב הבחנה קרינה פלואורסצנטית מן הסמוך QDs. L3 L4 הם רכובים על היפוך טעינות כדי להקל על המעבר של ההגדלה מאחר 20 x הגדלה מספק תצוגה של שדה גדולה על הדגימה.

לחפוף את שדה הראיה של הנתיב אוסף בנתיב של קרן עירור דרך גלבו הפליטה של הרצף של הנקודה הקוונטית להרטיב שכבה שימושי. ניתן לקבוע את אורך הגל של פליטה של השכבה הרטבה על ידי מדידת ספקטרום הפליטה של הדגימה תחת מעל עירור תזמורת-gap. למדגם שלנו, להרטיב שכבה פליטה מתרחשת כ 880 ננומטר-4.2 K… על ידי צימוד קרן לייזר cw -880 ננומטר לתוך גלבו המדגם, אחד יכול לצפות דפוס פס הנוצרת על-ידי השחקן מהשכבה הרטבה, אשר מוצג בסרטון המלווה. הרצף השלילי חושף את הנתיב הפצת האור עירור כבר זיווג לתוך גלבו. הנוכחות של פסים בשילוב עם היכולת תמונה השטח של המדגם עושה יישור פשוטה.