Resonanz-Fluoreszenz ein InGaAs Quantum Dot in einem planaren Hohlraum mit orthogonalen Erregung und Erkennung
Summary
Resonante Anregung von einem einzigen selbstgebaute Quantenpunkt kann eine Anregung Modus orthogonal zu den Fluoreszenz-Sammlung-Modus erreicht werden. Wir zeigen eine Methode mit dem Hohlleiter und Fabry-Perot-Modi von einem planaren Mikrokavität rund um die Quantenpunkte. Die Methode ermöglicht völlige Freiheit in der Erkennung Polarisierung.
Abstract
Die Fähigkeit, simultane resonante Anregung und Fluoreszenz-Detektion ist wichtig für Quantum optische Messungen von Quantenpunkten (QDs). Resonante Anregung ohne Fluoreszenz-Detektion – zum Beispiel eine differenzielle Transmissionsmessung – kann einige Eigenschaften der emittierenden Anlage bestimmen, sondern erlaubt keine Anwendungen oder Messungen anhand der emittierten Photonen. Zum Beispiel erfordern die Messung von Photon Korrelationen, Beobachtung des Tripels Mollow und Realisierung der einzelnen Photons Quellen alle Sammlung der Fluoreszenz. Inkohärent Anregung mit Fluoreszenz-Detektion – zum Beispiel über Bandlücke Erregung – kann verwendet werden, um einzelnes Photon Quellen erstellen, sondern die Störung der Umwelt durch die Erregung reduziert die Ununterscheidbarkeit der Photonen. Einzelnes Photon Quellen basierend auf QDs haben zu hohe Photon Ununterscheidbarkeit resonant angeregt werden, und gleichzeitige Sammlung der Photonen wird notwendig sein, machen Gebrauch davon. Wir zeigen, dass eine Methode, um einen einzigen QD resonant begeistern in einem planaren Hohlraum eingebettet, durch die Kopplung des Erregung Strahls in diesen Hohlraum aus dem gespalten Gesicht der Probe während die Fluoreszenz entlang der Probe Oberfläche Normalenrichtung zu sammeln. Indem man sorgfältig die Erregung Strahl in den Wellenleiter Modus des Hohlraums, kann das Anregungslicht paar in den Hohlraum und interagieren mit den QD. Die gestreuten Photonen können an der Fabry-Perot-Modus der Kavität und Flucht in Richtung der Oberfläche normalen koppeln. Diese Methode ermöglicht völlige Freiheit in der Erkennung Polarisierung, aber die Erregung Polarisation wird durch die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls Erregung eingeschränkt. Die Fluoreszenz von der Benetzungsschicht bietet einen Leitfaden zur Sammlung Weg in Bezug auf die Erregung Strahl ausrichten. Die Orthogonalität der Erregung und Erkennung Modi ermöglicht resonante Anregung von einem einzigen QD mit vernachlässigbar Laser Streuung Hintergrund.
Introduction
Resonante Anregung von ein einzelnes Quantum-Strahler kombiniert mit Fluoreszenz-Detektion wurde eine langfristige experimentelle Herausforderung vor allem wegen der Unfähigkeit, die schwache Fluoreszenz von der starken Erregung Streuung spektral zu unterscheiden. Diese Schwierigkeit jedoch erfolgreich überwunden in den letzten zehn Jahren durch zwei verschiedene Ansätze: dunkel-Feld konfokale Erregung basierend auf Polarisation Diskriminierung1,2,3,4 ,5, und orthogonal Erregung-Erkennung anhand der räumlichen Modus Diskriminierung6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Beide Ansätze zeigen eine starke Fähigkeit, Laser-Streuung deutlich zu unterdrücken und somit sind weit verbreitet in verschiedenen Experimenten, z. B. Beobachtung von Spin-Photon Verschränkung5,15, 16, Demonstration von gekleidet Staaten2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26und kohärente Manipulation der geschlossenen Drehungen3,27,28,29,30. Keiner dieser Ansätze kann universell auf jede Situation angewendet werden; Jeder ist auf bestimmten Bedingungen beschränkt. Die dunkel-Field-Technik nutzt die Freiheitsgrade der Polarisation von Photonen, die Erregung Laser Streuung zu unterdrücken. Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel gibt es keine Notwendigkeit, eine wohldefinierte Waveguide-Modus, der nur konfokale Umsetzung ermöglicht. Die konfokale Umsetzung ermöglicht eine Zirkular polarisierte Erregung und möglicherweise Fokussierung des Strahls Erregung am Quantum Emitter, wodurch höhere Intensität der Erregung. Jedoch diese Polarisation-selektiven Methode schränkt die Erkennung Polarisation orthogonal zur Anregung Polarisierung zu und verhindert somit eine vollständige Charakterisierung der die Polarisationseigenschaften der Fluoreszenz. Im Vergleich dazu bewahrt räumliche Modus Diskriminierung die völlige Freiheit der Erkennung Polarisation durch den Einsatz der Orthogonalität zwischen den Modi Ausbreitung der Erregung und Erkennung Balken, der Laser Streuung4zu unterdrücken. Die Grenzen dieser Technik sind die Notwendigkeit einer Waveguide-Struktur in der Probe ein Anregung Modus orthogonal zu den Erkennungsmodus bieten und die Einschränkung der Erregung Polarisation senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls .
Hier zeigen wir ein Protokoll für den Bau einer free-Space-based orthogonal Erregung-Erkennung-Setup für Resonanz-Fluoreszenz-Experimente. Im Vergleich zu der bahnbrechenden Arbeit über räumliche Modus Diskriminierung wo eine optische Faser verwendet wurde, um Licht in die Kavität6paar, dieses Protokoll bietet eine Lösung im freien Raum, und erfordert keine kinetische Komponenten, entweder die Probe zu montieren oder die Faser in Kryostaten. Feinsteuerung der Richtungen der Erregung Strahl und der Erkennung Pfad sind durch Optik außerhalb des Kryostaten manipuliert, während Singulett asphärische Linsen fungieren als Ziele innerhalb des Kryostaten und kalten Umgebung konzentrieren. Wir bieten repräsentative Bilder der wichtigsten Ausrichtung Schritte im Prozess der Verwirklichung resonante Anregung und Detektion der Fluoreszenz von einem einzigen Quantenpunkt.
Das Beispiel verwendet für diese Demonstration wird von Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) angebaut. Die InGaAs-Quantenpunkte (QDs) sind eingebettet in ein GaAs-Abstandhalter, die durch zwei verteilter Bragg Reflektoren (DBRs) begrenzt ist, wie in der Zoom-Ansicht des Beispiels in Abbildung 1dargestellt. Der GaAs-Abstandhalter zwischen den DBRs fungiert als ein Hohlleiter, wo der Erregung Strahl durch Totalreflexion beschränkt. Die DBRs fungieren auch als hoher Reflektivität Spiegel für Wavevectors, die fast senkrecht zur Ebene Probe sind. Dies bildet einen Fabry-Perot-Modus, den paar die QDs wenn Fluoreszenz emittiert. Die Fabry-Perot-Modus muss resonant mit der Emission Wellenlänge λ von QDs, wonach den GaAs-Abstandhalter eine Ganzzahl sein Vielfaches von λ/n, wo n der Brechungsindex von GaAs ist. Für diese Demonstration ist die Dicke der GaAs-Abstandhalter ausgewählt 4λ/n, das ist etwa 1 µm, um sich in der Nähe der Beugung begrenzt Spotgröße von den einfallenden Erregung Strahl. Ein schmaler Abstandhalter ergäbe einen niedrigeren Wirkungsgrad der Kupplung des Strahls Erregung in den Wellenleiter Modus.
Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt. Um die Kupplung zu Effizienz, eine asphärische Einzelnobjektiv Ziel EObj mit numerischer Apertur NA = 0,5 und 8 mm Brennweite wird gewählt, um die Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu konzentrieren. Die Funktion der Keplerschen Fernrohr (bestehend aus Objektiv paar E1 und E2) in die Erregung Weg ist zweifach: (1), die Blende von der Erregung Ziel EObj zu füllen, damit die Erregung Strahl für bessere Modus-passend zu den Hohlleiter (in eng fokussiert ist Diese Erkenntnis der kollimierten Strahldurchmesser beträgt 2,5 mm), und (2) zu drei Freiheitsgrade im Mittelpunkt der Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu manövrieren. Objektiv E1 wird auf eine XY-translationale Halterung montiert, die die zwei Freiheitsgrade der Erregung Stelle frei in die Ebene der gespalten Probe Fläche verschieben bereitstellt. Objektiv E2 ist montiert auf einem nicht rotierenden Zoom Gehäuse festlegt: die Freiheit, die Tiefe der Dreh-und Angelpunkt in der Probe zu wählen. Diese drei Freiheitsgrade ermöglichen es uns, die resonante Anregung von einem einzigen QD zu optimieren, ohne Bewegung der Probe selbst.
In den Fluoreszenz-Sammlung-Pfad wird eine ähnliche Konfiguration der Linse (LObj, L1 und L2) zur Detektion der Fluoreszenz aus verschiedenen Teilen der Probe zu ermöglichen. Das Licht von der Probe wird durch eine zwei Rohr Linsen auf entweder eine IR-Kamera (LCam) oder die Einlauföffnung des Spektrometers (LSpec) fokussiert. Bewegung des L1 entlang der z-Achse stellt den Fokus des Bildes, und seitliche Übersetzung von L2 bewirkt, dass das Bild in der Ebene der Probe zu scannen. Ihre Vergrößerung Einheit ist sind die Brennweiten von L1 und L2 gleich. Dies geschieht, um die Reichweite zu maximieren L2 kann übersetzt werden, bevor Vignettierung auftritt.
Um die Ausrichtung und Lage von einem QD zu erleichtern, ist eine selbst gebaute Illuminator basierend auf Kohler Beleuchtung in das Setup integriert, wie in Abbildung 1dargestellt. Kohler Beleuchtung dient, gleichmäßige Ausleuchtung der Probe und sorgen dafür, dass ein iMagier der Lichtquelle Beleuchtung ist nicht sichtbar im Beispielbild. Die Objektiv-Konfigurationen der Beleuchtung und der Sammlung-Pfad sind sorgfältig entworfen, die konjugierte Bildebenen der Probe und der Lichtquelle zu trennen. Jedes Objektiv in der Sammlung-Pfad wird durch die Summe ihrer Brennweiten von seinen Nachbarn getrennt. Dies sorgt dafür, dass überall, wo das Beispielbild im Fokus – wie z. B. auf den Sensor der Kamera – das Bild der Lichtquelle völlig unscharf gestellt ist. Ähnlich, wo das Bild der Lichtquelle im Fokus – ist wie bei der zurück Brennebene des Ziels – das Beispielbild komplett defokussierten. Die Lichtquelle ist ein kommerzieller Licht emittierende Diode (LED) emittieren bei 940 nm. Die Aperturblende ermöglicht die Einstellung von der Beleuchtungsstärke und der Leuchtfeldblende bestimmt das Sichtfeld zu beleuchtenden. Die Schlüssel für gleichmäßige Ausleuchtung zu realisieren sind, legen Sie den Abstand zwischen Objektiv-K4 und L2, um die Summe der Brennweiten der beiden Linsen werden, und um sicherzustellen, dass die Öffnung der LObj ist nicht überfüllt, durch die Beleuchtung. In diesem Protokoll wird die Beleuchtung auch zur Optimierung der Abstand zwischen LObj und der Probe.
Das Ziel LObj und entweder Schlauch-Objektiv bietet eine Vergrößerung von 20 X auf der Kamera oder das Spektrometer. Die Objektiv-paar L3 und L4 zwischen LObj und LSpec bildet ein weiteres Keplerschen Teleskop, das bietet eine extra 4 X Vergrößerung auf das Bild auf – Coupled Ladegerät (CCD) des Spektrometers. Die Zugabe von Linsen L3 und L4 Ergebnisse in eine Gesamtvergrößerung von 80 X, die notwendig ist, räumlich Fluoreszenz von nahe gelegenen QDs. L3 und L4 zu unterscheiden montiert sind auf spiegeln Halterungen zur Erleichterung der Umstellung von der Vergrößerung, weil 20 X Vergrößerung bietet ein größeres Sichtfeld auf die Probe.
Um das Sichtfeld des Sammlung-Pfades mit dem Pfad des Balkens Erregung durch den Wellenleiter überschneiden, ist die Emission aus dem Kontinuum der Benetzung Schicht Quantenpunkt hilfreich. Man kann die Emissionswellenlänge von der Benetzungsschicht bestimmen, indem Sie messen das Emissionsspektrum der Probe unter über dem Bandabstand Erregung. Für unser Beispiel Benetzung Schicht Emission tritt bei etwa 880 nm bei 4,2 K. Durch die Kopplung eines cw -Laser-Strahls bei 880 nm in den Hohlleiter der Probe, kann man beobachten, eine Streifen-Muster gebildet durch die PL Benetzungsschicht, die im zugehörigen Video zu sehen ist. Das Streak zeigt den Ausbreitungsweg das Anregungslicht, das in den Hohlleiter gekoppelt wurde. Das Vorhandensein dieser Streifen, kombiniert mit der Fähigkeit, die Oberfläche der Probe Bild ist Ausrichtung unkompliziert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die entscheidenden Schritte in das Protokoll sind: Modus-matching und Ausrichtung des Strahls Erregung in den Wellenleiter Modus; und die korrekte Ausrichtung und Fokussierung der Sammlung Optik. Die schwierigsten Teile dieser Schritte sind die anfängliche Ausrichtung; Optimierung der Kupplung eine bereits ausgerichteten Einrichtung ist relativ einfach. Überlappende Bereich Sammlung und Erregung ist ein Schritt, der ist einfach mit der Fähigkeit zum Bild der Probe auf der Kamera, aber ist sehr schwierig, ohne diese Fu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Glenn S. Solomon für die Bereitstellung der Probe anerkennen. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (DMR-1452840) unterstützt.
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 |
References
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