Резонансной флюоресценции InGaAs Квантовая точка в плоские полости с использованием ортогональных возбуждения и обнаружения

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 дискриминации^{1,2,3,4 ,5}и ортогональных возбуждения обнаружение, основанное на пространственный режим дискриминации^{6,,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 запутанности^{5,15, 16}, демонстрация одет государств^{2,7,12,,1718,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}и последовательной манипуляции замкнутых спины^{3,27,28,29,30}. 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 E_obj 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 Е_obj , 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 (L_obj, 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 (_{кулачок}L) или вход щели спектрометр (L_{спецификации}). 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 L_obj не переполнен, освещение. В этом протоколе освещение также используется для оптимизации расстояние между L_obj и образца.

Цель L_obj и либо трубка объектива обеспечивает увеличение 20 x на камеру или спектрометр. Пара линзы L3 и L4 между L_obj и L_{спецификации} 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.

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 ?…

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 пут…

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 про?…

Materials

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