Summary
Резонансное возбуждение одного собственн-собранные Квантовая точка может быть достигнуто режиме возбуждения, ортогональный режим сбора флуоресценции. Мы демонстрируем метода с помощью волноводов и Фабри-Перо режимы плоские microcavity окружающих квантовых точек. Метод позволяет полную свободу в поляризации обнаружения.
Abstract
Способность выполнять одновременное резонансного возбуждения и флуоресценции обнаружения имеет важное значение для оптических измерений квантовой квантовых точек (QDs). Резонансного возбуждения без флуоресценции обнаружения – например, дифференциальной передачи измерения – можно определить некоторые свойства, излучающие системы, но не позволяет приложениям или измерения, основанные на излучаемых фотонов. Например измерение корреляции фотонов, наблюдение за Mollow триплета и реализации все источники одиночных фотонов требуют сбора флуоресценции. Бессвязно возбуждения с флуоресцентным обнаружением – например, выше зазор полосы возбуждения – может использоваться для создания источники одиночных фотонов, но нарушения окружающей среды за счет возбуждения уменьшает неразличимости фотонов. Источники одиночных фотонов, основанный на QDs должны быть резонансно рады, чтобы иметь высокий Фотон неразличимости, и одновременного сбора фотонов будет необходимо сделать их использовать. Мы демонстрируем, что метод резонансно возбудить единый QD встроенных в плоские полости, связывая луч возбуждения в эту полость от сколотого лица образца при сборе флуоресценции вдоль поверхности нормального направления образца. Тщательно сопоставив луч возбуждения волновода режим полости, возбуждения свет может пара в полость и взаимодействовать с QD. Фабри-Перо режим полости и бежать в направлении поверхности нормальной может пару рассеянных фотонов. Этот метод позволяет полную свободу в поляризации обнаружения, но возбуждения поляризации ограничивается направлением распространения возбуждения луча. Флуоресценции от смачивания слой обеспечивает руководство для выравнивания коллекции путь в отношении возбуждения луча. Ортогональность режимах возбуждения и обнаружения позволяет резонансного возбуждения один QD с незначительным лазерного рассеяния фоном.
Introduction
Резонансного возбуждения один квантовый излучатель, в сочетании с флуоресцентным обнаружением был долгосрочный экспериментальной вызов главным образом из-за неспособности спектрально дискриминации слабых флуоресценции от сильного возбуждения рассеяния. Эта трудность, однако, успешно преодолен в последнее десятилетие, два различных подхода: темно поле конфокальный возбуждения основе поляризации дискриминации1,2,3,4 ,5и ортогональных возбуждения обнаружение, основанное на пространственный режим дискриминации6,,78,9,10,11, 12,,1314. Оба подхода продемонстрировать сильную способность значительно подавить лазерного рассеяния и таким образом широко принят в различных экспериментах, например, наблюдение за спин Фотон запутанности5,15, 16, демонстрация одет государств2,7,12,,1718,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26и последовательной манипуляции замкнутых спины3,27,28,29,30. Ни один из подходов может быть применена к любой ситуации; Каждый ограничен некоторых конкретных условий. Темно поле техника использует поляризации степень свободы фотонов подавить рассеяния лазерного возбуждения. Этот метод имеет несколько преимуществ. Например отсутствует требование для четко определенных волновода режим, который позволяет только конфокальный осуществления. Конфокальный реализации позволяет циркулярно поляризованных возбуждения и возможно более жесткий фокус пучка возбуждения в квантовый излучатель, что приводит к более высокой интенсивности возбуждения. Однако эта поляризация выборочный метод ограничивает обнаружения поляризации быть ортогональной поляризации возбуждения и таким образом предотвращает полную характеристику свойств поляризации флуоресценции. В сравнении пространственный режим дискриминации сохраняет полную свободу обнаружения поляризации, используя ортогональность между режимы распространения возбуждения и Обнаружение балок для подавления лазерного рассеяния4. Ограничения этой техники являются необходимость волновода структуры в образце для обеспечения возбуждения режима ортогональных в режим обнаружения и ограничение возбуждения поляризации перпендикулярно к направлению распространения луча .
Здесь мы демонстрируем протокол для построения свободного пространства на основе-ортогональных возбуждения обнаружение установки для резонансной флюоресценции экспериментов. По сравнению с новаторскую работу в пространственном режиме дискриминации, когда оптическое волокно используется для пара свет в полость6, этот протокол обеспечивает решение в свободном пространстве и не требуют кинетическая компонентов смонтировать либо образца или волокна в криостата. Точный контроль направления луча возбуждения и обнаружения пути манипулируют Оптика, внешними по отношению к криостат, то время как синглет асферические линзы упором целей внутри области холодной криостата. Мы обеспечиваем представитель изображения выравнивание ключевых шагов в процессе достижения резонансного возбуждения и обнаружения флуоресценции от одного Квантовая точка.
Образца, используемого для этой демонстрации выращивают эпитаксия молекулярного луча (MBE). InGaAs квантовых точек (QDs) встраиваются в GaAs прокладку, которая граничит с двумя распределенных отражателей Брэгг (РБО), как показано в масштабирования в представлении образца на рисунке 1. GaAs спейсера между РБО выступает в качестве волновода, где возбуждение луча ограничивается полного внутреннего отражения. РБО также выступать в качестве высокой отражательной зеркала для wavevectors, которые почти перпендикулярно плоскости образца. Это формирует Фабри-Перо режим, к которому QDs пара при выпуске флуоресценции. Фабри-Перо режим должен быть резонансным с выбросов длиной волны λ QDs, который требует GaAs распорку быть целым кратным λ/n, где n — это показатель преломления GaAs. Для этой демонстрации толщина GaAs распорку выбирается 4λ/n, который находится около 1 мкм, с тем чтобы быть рядом дифракции ограниченное пятно размер луча инцидента возбуждения. Узкий spacer приведет к более низкой эффективности сцепления возбуждения луча в режим волновода.
Экспериментальная установка показана на рисунке 1. Для обеспечения максимальной эффективности сцепления, цели асферические одиночн объектива Eobj с числовой апертуры NA = 0,5 и фокусное расстояние 8 мм выбирается сосредоточиться возбуждения пучка на рассеченного лицо образца. Функцию кеплеровской телескопа (состоит из пары объектив E1 и E2) в пути возбуждения два раза: (1), чтобы заполнить отверстие возбуждения цели Еobj , чтобы луч возбуждения плотно сосредоточены для лучшего соответствия режим в волновод (в Эта реализация коллимированном пучке диаметр составляет 2,5 мм) и (2) предоставлять три степени свободы для маневра координационным центром возбуждения луча на рассеченного лицо образца. E1 объектив установлен на X-Y трансляционная горе, которая обеспечивает две степени свободы перенести место возбуждения свободно в плоскости лица рассеченного образца. E2 объектив установлен на проворота зум, жилье, которое обеспечивает свободу выбора глубины координационным центром в образце. Эти три степени свободы позволяют нам оптимизировать резонансного возбуждения один QD без необходимости перемещения образца самой.
В коллекции пути флуоресценции аналогичной конфигурации объектив (Lobj, L1 и L2) используется для разрешить обнаружение флуоресценции из разных частей образца. Свет от образца ориентирован одним из двух линз трубки на либо ИК чувствительных камеры (кулачокL) или вход щели спектрометр (Lспецификации). Движение L1 вдоль оси z регулирует фокус изображения, и боковые перевод L2 вызывает изображение для проверки по всей плоскости образца. Фокусные L1 и L2 равны, так что их увеличение единство. Это делается для максимального диапазона L2 может быть переведены до Виньетирование возникает.
Чтобы облегчить выравнивание и расположение QD, дом построен осветитель, основанные на освещение Колер включен в установку, как показано на рисунке 1. Колер освещения призвана обеспечить равномерное освещение в пример и обеспечить, чтобы яМаг источника света освещение не видна в образца изображения. Объектив конфигураций просветителя и путь коллекции тщательно предназначены для разделения плоскости сопряженное изображение образца и источника света. Каждый объектив в коллекции пути отделена от своих соседей по сумме их фокусных. Это гарантирует, что там, где на примере изображения в фокусе – такие, как на датчик камеры – источник света изображение полностью расфокусированным. Аналогично, где источник света изображение находится в фокусе – такие, как в обратно фокальной плоскости цели – полностью расфокусированные изображения образца. Источником света является коммерческим Светоиспускающий диод (LED), излучающих в 940 нм. Диафрагмы диафрагмы позволяет регулировка интенсивности освещения, и полевой диафрагмы определяет поле зрения освещаемой. Ключи для реализации равномерное освещение, чтобы задать расстояние между объектив K4 и L2 сумма фокусных двух линз, и обеспечить, чтобы отверстие Lobj не переполнен, освещение. В этом протоколе освещение также используется для оптимизации расстояние между Lobj и образца.
Цель Lobj и либо трубка объектива обеспечивает увеличение 20 x на камеру или спектрометр. Пара линзы L3 и L4 между Lobj и Lспецификации формы другой кеплеровской телескоп, который обеспечивает дополнительные 4 кратном к изображению на зарядовой (связью ПЗС) спектрометра. Добавление линзы L3 и L4 результаты в общее увеличение 80 x, которая необходима для пространственно отличить флуоресценции от близлежащих QDs. L3 и L4 монтируются на листать крепления для облегчения переключения масштаба потому что увеличение 20 x обеспечивает больше поле зрения на образце.
Перекрывать поле зрения коллекции пути с путь луча возбуждения через волновод, выбросы от континуум Квантовая точка, смачивание слой является полезным. Длина волны излучения смачивания слоя можно определить путем измерения выбросов спектр образца под выше зазор полосы возбуждения. Для нашего примера, смачивание слой выбросов происходит примерно 880 Нм в 4.2 K. Путем соединения cw лазерный луч на 880 Нм в волновод образца, можно наблюдать шаблон полоса формируется пл от смачивания слоя, который показан в сопровождающих видео. Полоска показывает путь распространения возбуждения света, который был в сочетании в волновод. Присутствие этой полосы, в сочетании с возможностью изображения поверхности образца делает выравнивание простой.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Предупреждение: Будьте осведомлены о возможных опасностях рассеяния лазерного во время выравнивания. Носите надлежащие защитные очки для защиты. Чтобы облегчить процесс выравнивания, инфракрасный просмотра (IR-просмотра) является необходимым. ИК чувствительных флуоресцентные карта является также полезным, но не обязательно.
1. пробоподготовки
- использования алмазов писец сделать незначительный царапина на краю верхней поверхности образца на нужное место «Рассекающий удар». Используйте две пары с плоским, закончившийся пинцет провести выборку по обе стороны от нуля. Применить наружу вращающийся крутящий момент с помощью пинцета и образец будет прилепится.
Примечание: Царапина длиной нет необходимости содействовать раскалывание, и он будет скорее всего прорваться через слой волновода, делая невозможным свет сцепления. Рассеченного лицо достаточно тонкие, что любое прикосновение на ее поверхности могут повредить лицо волновода. - Прикрепить кусок рассеченного образца на медь образца пластину с помощью термопроводящие Серебряная краска или серебряный эпоксидной.
Примечание: Рассеченного лицо должно быть заподлицо с краю кронштейн так что лазерного возбуждения будет хитом лицо образец без вмешательства. - Монтировать медные пластины в криостата так что рассеченного лицо и поверхности образца оптически доступны через windows криостата.
2. Выравнивание резонансного возбуждения пути
Примечание: максимизировать эффективность сцепления в волновод, профиль луча инцидента возбуждения имеет сочетаться с этим воображаемого назад распространения луча выход Волноводные.
- Грубого выравнивания лазерного луча возбуждения до сколотого торца образца.
- Использовать степеней свободы волоконно-оптических муфта FC0 и зеркало M0 прямого возбуждения пучка на рассеченного лицо образца до возбуждения линзы установлены.
- Уровень возбуждения луч горизонтально оба отношении таблицы оптики и плоскостью образца.
- Установка цели возбуждения E obj
- поставил асферические линзы E obj в трансляционной горе с тремя степенями свободы поступательные. Центр E obj лазера и задать высоту obj E быть таким же, как в центре образца.
- Настроить экран белой книге за образец пути возбуждения. Использование ИК просмотра наблюдать яркое пятно на бумаге из-за лазерный свет, проходя мимо образца.
- Слайд E obj к образца медленно до тех пор, пока четкий силуэт изображения образца можно увидеть на бумаге. Отрегулируйте высоту и боковое положение E obj к центру силуэт в середине яркое пятно.
- Держать скольжения E obj к образца медленно, и силуэт изображения на экране опыт увеличения. Тем временем, отрегулируйте боковое положение E obj (слева/справа) для компенсации горизонтальный сдвиг изображения силуэт.
Примечание: Во время медленного движения E obj к образцу, дифракционных полос начнут появляться в некоторой точке. Это обеспечивает новую ссылку поставить целенаправленной место в поверхностном слое образца. - Держать медленно скольжения E obj к образца. В каждом месте E obj, сдвиг E obj влево/вправо увеличить, бахрома, расстояние до искать полос на экране видна только одна бахромой.
Примечание: Там будет две группы по периферии, один слева и один справа от поверхности образца. - Найти слайд E obj Eobj на позиции, что минимизирует количество полос видны.
- Выравнивание линзы телескопа E1 и E2
- вставьте путь возбуждения сосредоточены на лазерный луч линзы E1 и E2. E2 позиции отделены от E obj сумма их фокусных. Задайте расстояние между E1 и E2 представляет собой сумму их фокусные расстояния, например, f 1 + f 2 = 150 мм.
- наблюдать картину силуэт и дифракции на бумаге с ИК зрителя. Отрегулируйте высоту E1 по центру силуэт в центре пятна освещения ярко лазерной.
- Слайд E2 к или от E1 при регулировке боковое положение E1. Безопасный E1 и E2 на позициях, что оба бахрома группы исчезают или показать минимальное количество полос в представлении.
- Вставить вертикально ориентированных поляризатора POL до E1 и его центр на возбуждение луча.
Примечание: у некоторых поляризаторы небольшой клин угол, в котором случае возбуждения луч будет испытывать угловое отклонение. Используйте E1 и E2, чтобы компенсировать это отклонение.
3. Выравнивание фотолюминесценция коллекции путь
Примечание: производительность тепловизионная система, построенная в коллекции путь определяется главным образом точность позиционирования L obj из-за своей короткой Фокусное расстояние ( f obj = 10 мм, NA = 0,55). В головке L obj участвуют две общие шаги: грубая выравнивание с помощью HeNe лазер и тонкой настройки с помощью осветителя и массовых выбросов экситон GaAs. Эти выравнивание шаги выполняются с образцом при комнатной температуре.
- Выравнивание выше пути возбуждения зазор полосы (HeNe) и установка камеры:
- пара выше зазор полосы лазерный луч (HeNe) в одномодового волокна.
- Прямого вывода пучка из волокна коллиматор FC1 на образце через зеркало м3.
- Наклон FC1 горизонтально по центру лазер пятно на образце около 1 мм от края рассеченного. Наклоните м3 горизонтально перенести обратно отражение лазерный луч быть чуть выше или ниже падающего луча. Повторите этот процесс несколько раз до обоим критериям.
- Наклон FC1 и м3 вертикально уровня HeNe луча в отношении таблицы оптики и держать его направленных на образец.
- Просмотра ИК используется для обнаружения резонансных лазер и HeNe лазер пятна на образце. Убедитесь, что центр HeNe лазер спот на той же высоте, как пятно резонансных лазера. Если нет, используйте FC1 и м3 для соответствия высота лучей при сохранении уровня с таблицей HeNe луч.
- -Поляризационные пучка сплиттер куб (цвету), NPBS, вставьте HeNe путь. Центр в куб падающего луча HeNe.
- Найти две балки на выходе splitter луча в коллекции путь, одно из отражения от образца, и один из внутреннего отражения в Кубе.
- Вращать куб на небольшой угол (~ 5 градусов) таким образом, что две балки могут быть легко разделены на выходе. Свет, отраженный от поверхности образца может использоваться как сырой направляющий выступ для выравнивания камеры.
Примечание: Направление внутренне отраженного пучка не будет меняться при куб вращается вокруг вертикальной оси. - Уровне Куба в отношении оптическая вкладкаLe путем обеспечения пучка HeNe соответствующее внутреннее отражение внутри Куба находится на той же высоте, как входящего пучка.
- Положить ИК чувствительных камеры на пути обратно отражение HeNe луча. Использовать трубу линзы L кулачок с фокусным расстоянием 200 мм сосредоточиться на примере изображения на камеру.
Примечание: Дом построен трубки системы используется для размещения линзы L камеру, как показано на рисунке 1, который предотвращает бродячих комната света от обнаружения камеры. - Настройка 800 Нм Лонг-фильтр, F1, напротив Вебкамеры L для фильтрации HeNe света, который позволяет с камерой наблюдения PL из образца.
- Установки и оптимизации положение линзы L obj
- поставил асферические линзы L obj в трансляционной горе с тремя степенями свободы поступательные. Центр obj L на HeNe лазер и установить разделение от образца быть фокусное, f obj = 10 mm.
- Набор вверх объектив пару L1 и L2 (f 1 = f 2 = 50 мм) с помощью X-Y трансляционная гора где одна сторона является фиксированной и другой стороне движимого в боковой плоскости контролируется микрометров.
Примечание: Линзы L2 переходит в стороне движимого горе. L1 проведены трубка объектива и прилагается к фиксированной стороне горы. Система труб обеспечивает свободу для регулировки расстояния между двух линз путем завинчивания/трубка объектива, холдинг L1 вдоль оптической оси. - Расстояние между двумя линзы, чтобы быть 100 мм. набор L2 в центре Маунт, регулируя микрометров.
- Вставить комбо линз L1 и L2 в HeNe пути между NPBS и криостата. Задайте расстояние между L1 и L obj быть f obj + f 1. Центр L1 и L2 на инцидент HeNe свет.
- Осветитель и пленкой вставьте путь коллекции, как показано на рисунке 1. Задайте расстояние между объектив K4 и L2 совокупность их фокусных.
- Центр освещения пучка на L2, регулируя угол осветителя.
- Отрегулировать угол пленка центр задней отражение освещения свет виден в изображение с камеры в месте PL вызванных HeNe возбуждения.
Примечание: С целью выравнивания, один можно закрыть диафрагму поля найти центр освещенную зону. - Используя только Свет Просветителя, найти поверхностного дефекта или пыли на образце, глядя в камеру. Поиск других частей образца, при необходимости, перемещая L2 боково.
- Слегка нажмите L obj в/вдоль оптической оси сделать острые края дефекта или пыль.
- Сдвиг L2 обратно в Центр Маунт.
- Просмотр HeNe возбужденных PL пятно на камеру и перемещение L obj горизонтально так, что PL месте 1-2 мм от сколотого края образца.
Примечание: На расстоянии менее 1 мм, лазерного рассеяния от сколотого края образца будет собираться цель L obj. Для расстояние слишком далеко от сколотого торца, луч возбуждения могут испытывать ослабление до достижения QD, который уменьшает мощность максимальная возбуждения. - L2 сдвиг по горизонтали до рассеченного края образца показано на камеру под освещение.
- Медленно сдвиг L obj вертикально, чтобы искать ярко лазерного пятна на краю рассеченного образца, которое вызвано рассеяние пучка резонансного возбуждения на рассеченного лицо образца.
- Уровень пл пятно, вызванные HeNe возбуждения к ярким лазерного пятна на краю рассеченного образца.
- Перестройки HeNe пути возбуждения в отношении нового местоположения L obj .
Примечание: Чтобы максимизировать сканируемые области и свести к минимуму виньетирование, необходимо повторно центр возбуждения Оптика и возбуждения луч о местонахождении L obj.- Удалить L1 и L2. Центр пучка возбуждения на obj Л при одновременном обеспечении луч находится в поверхности нормальное направление выборки.
- Центр L2 на горе. Центр L1 и L2 на луча инцидента возбуждения. Задайте расстояние между L1 и L obj в сумме двух фокусных расстояний, то есть, f 1 + f obj.
- L репозиции кулачок такие что он центрируется на отражение HeNe луча. Положение камеры, такие что HeNe возбужденных PL (использование Лонг pass фильтр) сосредоточена на изображении.
- Отрегулировать угол просветителя и пленкой по центру свечение свет на L2 и PL пятно вызвано HeNe возбуждения.
- Выравнивание зеркал М1 и м2.
Примечание: Лазер направлены назад через спектрометр облегчит выравнивание.- Монитор, HeNe возбужденных PL из образца на камеру. Центр Ирис (Iris A) на ком между пленкой и M1.
- Центр линзы L спецификации на обратный луч и поместите его одно Фокусное расстояние f спецификации от входной щели спектрометра.
- Отправить обратный луч из спектрометра для образца, отражая офф два зеркала, М1 и м2.
- Настроить другой Ирис (Iris B) между м2 и L спецификации и центром его на обратный луч.
- Руководить м2 по центру реверс пучка на Iris а. руководить M1 центр PL на Iris B. повторить этот процесс несколько раз до тех пор, пока оба критериев.
- Найти центр входной щели (ширина 30 мкм) спектрометра по КБО, мониторинг нулевого порядка дифракции света номер.
- Открыть входной щели спектрометра. Используя фильтр 800 Нм длинный пас, PL из образца под HeNe возбуждения могут наблюдаться на ПЗС.
- Руководить M1 центр это пятно на входе щели спектрометра и на средней высоте КБО и руководить м2 по центру обратный луч на Iris A. повторить этот процесс несколько раз до тех пор, пока оба критерия, мет.
- Выравнивание объектив пару L3 и L4: L3 позицию в коллекции пути PL в месте, которое f 2 + 3 f от рассеивателя L2. L4 место в коллекции путь отделены от L3 сумма фокусных, f 3 + f 4. Боковое положение L4 в центр PL пятно на ПЗС.
4. Дублирование PL коллекции путь по пути резонансного возбуждения
- круто вниз образца до 4.2 K. С возбуждением выше группы, используйте спектрометр для точного определения выбросов волны смачивания слоя (обычно около 880 Нм).
- Настройка 800 Нм Лонг-фильтр F1 перед L кулачок блокировать HeNe свет. С помощью света, освещающей, сдвиг L2 горизонтально, чтобы найти рассеченного края образца на камеру.
- Установка длины волны возбуждения стороне быть резонансный слой пропитки. Найдите пятно яркий рассеяния на краю рассеченного образца на камеру.
- Наблюдать " полоска шаблон " из фотолюминесценция на камеру, регулируя боковое положение E1. Увеличить интенсивность полоска, сдвигая E1 боково.
Примечание: " полоска " является смачивание слой выбросов, которая подразумевает, что луч возбуждения сочетается в волновод образца. - Настроить E1 по вертикали для перемещения полосы перекрываются с PL пятна, вызванные возбуждением HeNe.
- Записать интенсивность смачивания слоя PL. отрегулировать E2 в одном направлении, затем повторно оптимизировать положение E1; снова записывать интенсивность PL и сравнения с ранее значение.
- Если возросла интенсивность, повторите перестройки E2 в том же направлении. Если интенсивность снизилась, затем обратить вспять перестройки E2. Повторите эту процедуру для поиска оптимальной позиции для E1 и E2.
5. Резонансное возбуждение одного Квантовая точка
< p класс = «jove_content»> Примечание: Существует два возможных подхода к реализации резонансного возбуждения одного QD: (1) настройки частоты возбуждения лазера, чтобы соответствовать конкретным QD резонанс; или (2) лазерный частота сканирования через резонансные энергии QD ансамбля пока наблюдается резонансной флюоресценции от одного QD.- Метод (1) - ориентированных возбуждения:
- установить спектрометр для мониторинга первого порядка дифракции в центре длина волны излучения QD ансамбля под выше зазор полосы возбуждения. Открыть входной щели спектрометра.
- Отрегулируйте мощность возбуждения выше группы до светящегося фон появляется из-за возбуждения хвоста сплошных государств слой пропитки. Закрыть вход щель до 30 мкм.
- Сдвиг L2 сбоку, чтобы найти подходящий QD - например, яркие один в представлении. Запись на длине волны λ QD QD как измеряется спектрометр.
- Настройки длины волны лазера резонансного возбуждения, чтобы быть то же значение λ QD.
Примечание: Часто, спектрометр можно подобрать слабый сигнал рассеяния лазерного резонансного возбуждения от оптики. Если нет, прямые Сплит офф возбуждения пучка в спектрометре. - Максимально QD ' s PL интенсивности в КБО по тонкой настройке частоты возбуждения лазера.
Примечание: Для некоторых QDs, небольшое количество HeNe света необходимо позволить QD резонансно возбужденных 10 , , 31 32. Требуемая мощность лазера HeNe обычно настолько низким - несколько сотен nanowatts - что не флуоресценции вызваны исключительно этой HeNe луч может быть обнаружен, CCD. - Максимальной интенсивности PL QD, регулируя высоту и боковое положение объектива E1 и осевое положение объектива E2. Совместно оптимизировать позиции линзы E1 и E2, чтобы максимизировать интенсивность флуоресценции резонанс от QD.
- Метод (2) - спектральный Поиск:
- установить спектрометр для мониторинга первого порядка дифракции в центре длина волны излучения QD ансамбля. Открыть входной щели спектрометра.
- Настройки частоты лазерного возбуждения спектра энергии QD ансамбля. Резонансно возбужденных QD появится на КБО как точка, окруженный пара Эйри колец. Выберите QD, что ярко.
- Максимальной интенсивности ее PL, тонкой настройки длины волны лазерного возбуждения.
- Максимальной интенсивности PL точка, регулируя высоту и боковое положение E1and осевое положение объектива E2. Совместно оптимизировать позиции линзы E1 и E2, чтобы максимизировать интенсивность флуоресценции резонанс от QD.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 1 показывает одной конкретной реализации необходимого оборудования для выполнения резонансного возбуждения точки одного такта. Возможны другие реализации, но являются важнейшими компонентами: возбуждения путь к пара волновода; коллекции путь для руководства флуоресценции для детекторов; Конфокальный возбуждения путь для возбуждения на пути сбора; и освещение путь, чтобы включить изображения поверхности образца.
Два представителя RPLE спектров приведены на рисунке 2. Они собираются из нейтральных QD [Рисунок 2(а) и (b)] и заряженных QD [Рисунок 2(c) и (d)]. Невозможно определить состояние заряда точное заряженных QD путем изучения спектра. Для достижения лучшее соотношение сигнал шум, лазерного рассеяния должны быть сведены к минимуму. Правого изображения в Рисунок 2(a) и (c) Показать фон рассеяния лазерного возбуждения при далеко перестроен из резонанс. Лазерного рассеяния гораздо слабее, чем флуоресценции QD, но для иллюстрации типичных моделей рассеяния, изображения были расширены в 284 и 23 раза, соответственно. Если эти изображения встречаются в выравнивание, это означает, что сильный лазерного рассеяния присутствует. Несколько причин может привести к этому результату, как перекос сцепления в волновод, царапины на рассеченного лице волновода, поле зрения слишком близко к рассеченного края образца, и т.д. Подробные обсуждения по каждой точке предоставляются в части обсуждения настоящего Протокола.
Изображение резонансно возбужденных QD в плоской microcavity будет обычно иметь центральный диск с кольцами вокруг него, как показано на рисунке 3. Этот шаблон результатов от муфты QD самолет волны предварительно полости, чьи направления распространения являются волны зависит от33. Таким образом флуоресценции одной длины волны вытекает из полости в полый конус, чьи вершины угла определяется длиной волны излучения. Когда этот свет коллимированного цели и сосредоточены в объектив трубки, формируется изображение имеет структуру кольцо как видно на рисунке 2 и на рисунке 3. Радиусы кольца и диска будет определяться вершины угла и, таким образом, длина волны излучения. Чем меньше длина волны излучения, тем больше угол Апекс и меньше радиусов. Наименьшее возможное Апекс угол равен нулю, что означает, что существует давно отсечка для выбросов, что может избежать полости. Большой угол возможно Апекс определяется NA объектива, что означает, что есть короткий отсечка для выбросов, которые могут быть собраны с помощью оптической системы. Цель с большей NA - или добавлением объектив твердых погружения - бы расширить этот низкий конец коллекции группы на более короткие длины волн. С другой стороны длинные волны конца коллекции группы не может быть изменен только путем изменения структуры выборки. Рисунок 3 показывает изображения флуоресценции от QDs с длинами волн различных выбросов, начиная от минимальной до отсечки волны.
Рисунок 1. Схема эксперимента.
Резонансное возбуждение одного QD реализуется путем сцепления узкой линией (1 МГц) cw лазерный луч в волновод образца, как изображено в оранжевый пути. Фотолюминесценция образца собирается из режима Фабри-Перо, красный путь. Гелий-неоновый (HeNe) лазером обеспечивает выше возбуждения зазор полосы confocally, после Зеленый путь. Дом построен осветитель обеспечивает равномерное освещение поверхности образца с 940 нм свет, как изображен желтый путь. Обратите внимание, что схема не в масштабе. КД: волокна автосцепки; Объявление: диафрагмы диафрагмы; FD: поле диафрагмы; POL: поляризатор; F: Лонг pass фильтр; NPBS: не поляризационный куб splitter луча; DBR: распределенные Брэгг отражатель; ПЗС: зарядовой; Индикатор: светодиод. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Резонансной флюоресценции точки одного такта.
() изображения флуоресценции нейтральных Квантовая точка на разных detunings, указывается в линейной частоты верхней части каждого изображения. Нулевой расстройка соответствует 927.8597 Нм. (b) RPLE спектр же нейтральных QD, интегрируя PL интенсивности в круговой зоне с диаметром 8 пикселов вокруг центра. (c) изображения флуоресценции заряженных QD на разных detunings, указывается в линейной частоты в нижней части каждого изображения. Нулевой расстройка соответствует 927.653 Нм. (d) RPLE спектр же взимается QD, интегрируя PL интенсивности в круговой зоне диаметром 12 пикселов вокруг центра. (e) второго порядка корреляция измерения нейтральных QD в (а) под резонансного возбуждения на низкой энергии пика. Самый правый кадры в (a) и (c) являются далеко перестроен возбуждения изображения, с интенсивностью умноженное на 284 и 23, соответственно, чтобы показать на фоне низкой лазерной рассеяния. Обратите внимание, что цвет шкалы для (a) и (c) являются различными, но общим среди отдельных участков суб. Нормализованное интенсивности RPLE в пункте (b) и (d) изображен оранжевый точек, в то время как синие квадраты указывают данные, соответствующие изображения показаны в (а) и (b), соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
На рисунке 3. Резонансной флюоресценции из восьми различных точек на различных длинах волн в полости режиме.
Резонанса волны указывается на вершине каждого изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Важнейшие шаги в протоколе являются: режим сопоставления и луча возбуждения волновода режим; и надлежащее выравнивание и акцентом коллекции оптики. Наиболее сложной части эти шаги являются первоначального выравнивания; Оптимизация сцепления уже выровнены установки относительно проста. Перекрывающиеся области коллекции и возбуждения является шагом, который просто с возможностью изображения образца на камеру, но очень трудно без этой возможности. Для обеспечения высокого качества изображений, надлежащее освещение Колер имеет решающее значение. Тема Колер освещения выходит за рамки настоящего Протокола, но это известная концепция в микроскопии и всесторонне обсуждены в опубликованной литературе34,35.
Фокусные расстояния объективов отметил, вот типичные, но не обязательно. Различные Криостаты и других факторов может наложить дополнительные или другие требования на механизме оптики. В таком случае правильного выбора фокусные расстояния объективов во время проектирования является ключом для удовлетворения требований режима соответствия в пути возбуждения и Колер освещения в коллекции пути. Колер освещения будут удовлетворены, если линзы разделены на сумму их фокусных. Надлежащего соответствия режим в волновод требует высокой NA, насколько это возможно, что означает, что луч должен заполнить отверстие Eobj. Цель сидит в домашнее ласточкин хвост железнодорожных XYZ горе, что движимые только при комнатной температуре, потому что он находится внутри кода пространство криостата. Эта позиция закрыть для образца позволяет использовать объектив большой NA при минимизации тепловых колебаний в крепления объектива, который увеличивает механическую стабильность. В этом случае заключаются линзы асферические синглетно из-за нехватки места. Если доступно больше места, коммерческие мульти объективы могут использоваться вместо этого для улучшения качества, NA и увеличение. Чтобы позволить конфокальный резонансной или вблизи резонансного возбуждения, заменив M3 с дихроичное зеркало и направляя луч возбуждения через дихроичных и splitter луча NPBS может быть продлен экспериментальной установки.
Если фон лазер является слишком сильным, плохое сцепление возбуждения пучка в волновод является возможной причиной. Сцепное устройство может быть уменьшена шероховатости, царапины или загрязнения на рассеченного лице из-за неправильного обращения. Лицо, которое будет использоваться в сочетании с должна не быть тронут ничего. Это возможно, но трудно очистить рассеченного лицом загрязнения, но царапины и неровности являются постоянными. Если проблемой является качество поверхности, в другое место на рассеченного лицо может быть судим, но свежий Рассекающий может оказаться необходимым. Сильным лазерным рассеяния фон может быть также вызвана центровку части светорассеянию возбуждения от пыли на поверхности образца. Другая возможность заключается, что поле зрения является слишком близко к краю образца и рассеяние света от края входит путь к коллекции. Наконец может быть, это просто слишком высокой мощности лазера. Как правило мощность лазера возбуждения находится в диапазоне от 0,5 до 10 мкВт измеряется на измеритель мощности, показанный на рисунке 1. Помимо сокращения источников лазерного рассеяния, рассеяния может быть отфильтровано путем добавления горизонтальной поляризации в коллекции пути. Однако чтобы увидеть QD флуоресценции в этой ситуации требует QD, чьи дипольный момент не выравнивается по вертикали.
Поляризация возбуждения ограничивается только один выбор; в этом случае это вертикальная поляризация. Это из-за трех ограничений. Во-первых направление распространения возбуждения луча вынужден находиться в плоскости образца. Во-вторых поляризация должно быть перпендикулярно к направлению распространения. В-третьих QD дипольных моментов лежат в плоскости образца. Если, как в этом случае, возбуждения луч распространяется по горизонтали, единственным выбором поляризации, что может волновать QDs вертикальной. В отличие от обнаружения поляризации имеет не ограничения, налагаемые на него, потому что подавление лазерного рассеяния осуществляется главным образом путем заключения лазер в режиме волновод11. Еще одним ограничением является, что эта схема возбуждения требует волновода направлять свет Квантовая точка, структура, которая не может быть возможным для всех образцов. Сравните это с темно поле конфокальный возбуждения техника1, который использует скрещенными поляризаторами для подавления лазерного рассеяния. В этом случае возбуждения можно использовать произвольные поляризации, но поляризации обнаружения должны быть ортогональными.
Быть отличным одиночных фотонов источников с высокой яркостью, узкие linewidth и высокой неразличимости36были продемонстрированы одного квантовых точек под резонансного возбуждения. Этот протокол обеспечивает реальный подход использовать эти исключительные свойства собственн-собранные QD системы для различных приложений, таких как квантовой информации и линейных оптических квантовых вычислений. Кроме того фотоны запутались с любой другой Фотон или спин электрона потребует коллекции независимо от поляризации, которая является особенностью этого метода.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы признать Гленн S. Соломона для предоставления образца. Эта работа была поддержана Национальный научный фонд (DMR-1452840).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Tunable external cavity diode laser | Toptica Photonics | DL-Pro | |
| Closed-cycle cryostat | Montana Instruments | Cryostation | |
| Spectrometer, 750 mm focal length | Princeton Instruments | SpectraPro 2750 | |
| Thermoelectrically cooled charge-coupled device | Princeton Instruments | Pixis 100BR-eXcelon | |
| HeNe laser | JDSU | 1125P | |
| Infrared sensitive camera | Sony | NEX-5TL | IR blocking filter removed |
| Power meter and detector | Newport | 1918-C, 918D-IR-OD3 | |
| Adjustable aspheric fiber collimator | Thorlabs | CFC-8X-A | |
| Air-Spaced Doublet Collimator | Thorlabs | F810APC-842 | |
| Protected Silver Mirrors x 5 | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Flip mounts x 2 | Thorlabs | FM90 | |
| Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1 | Thorlabs | ACL2520-B | |
| Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2 | Thorlabs | LBF254-050-B | |
| Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4 | Thorlabs | LBF254-100-B | |
| Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam | Thorlabs | LBF254-200-B | |
| Plano-convex lens, f = 400 mm; L3 | Thorlabs | LA1172-B | |
| Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj | Thorlabs | C240TME-B | |
| Precision asphere, f = 10 mm; Lobj | Thorlabs | AL1210-B | |
| Longpass Filters, 800 nm, x2 | Thorlabs | FEL0800 | |
| Non-polarizing beam splitter cube (NPBS) | Thorlabs | BS029 | |
| Pellicle beam splitter | Thorlabs | BP108 | |
| Polarizer | Thorlabs | LPNIRE100-B | |
| Light emitting diode, 940 nm | Thorlabs | M940D2 |
References
- Kuhlmann, A. V., et al. A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode. Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905 (2013).
- Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -Y., Atatüre, M. Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence. Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).
- Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).
- Houel, J., et al. Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401 (2012).
- Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon. Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).
- Muller, A., et al. Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402 (2007).
- Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).
- Konthasinghe, K., et al. Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 85 (23), 235315 (2012).
- Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot. Phys. Rev. B. 89 (15), 155305 (2014).
- Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence. Phys. Rev. B. 93 (11), 115307 (2016).
- Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401 (2017).
- Ge, R. -C., et al. Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots. Opt. Lett. 38 (10), 1691 (2013).
- Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401 (2015).
- Robertson, J., et al. Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118 (2012).
- De Greve, K., et al. Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength. Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).
- Schaibley, J. R., et al. Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon. Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401 (2013).
- Gerardot, B. D., et al. Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system. New J. Phys. 11 (1), 013028 (2009).
- Hargart, F., et al. Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states. Phys. Rev. B. 93 (11), 115308 (2016).
- Jundt, G., Robledo, L., Högele, A., Falt, S., Imamoglu, A. Observation of dressed excitonic states in a single quantum dot. Arxiv preprint cond-mat/0711.4205v1. , Available from: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4205v1.pdf (2007).
- Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity. Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403 (2014).
- Unsleber, S., et al. Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot. Optica. 2 (12), 1072 (2015).
- Xu, X., et al. Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot. Science. 317 (5840), 929-932 (2007).
- Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401 (2008).
- Roy-Choudhury, K., Hughes, S. Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons. Phys. Rev. B. 92 (20), 205406 (2015).
- Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Roßbach, R., Jetter, M., Michler, P. Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot. Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).
- Ulrich, S. M., et al. Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity. Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402 (2011).
- Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity. Science. 312 (5773), 551-553 (2006).
- Kroner, M., et al. Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot. Phys. Rev. B. 78 (7), 075429 (2008).
- Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).
- Sun, S., Waks, E. Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics. Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).
- Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).
- Nguyen, H. S., et al. Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).
- Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends. IEEE J. Quantum Elect. 34 (9), 1612-1631 (1998).
- Köhler, A. Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4), 433-440 (1893).
- Köhler, A. New method of illumination for photomicrographical purposes. Journal Royal Microscopical Society (Great Britain). 14, 261-262 (1894).
- He, Y. -M., et al. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).
