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

Summary

עירור התהודה של נקודה קוונטית עצמית שהורכב יחיד יכולה להיות מושגת באמצעות מצב עירור אורתוגונלית למצב אוסף זריחה. נדגים שיטה באמצעות גלבו מצבי פאברי-פרו microcavity מישורי המקיפים את הנקודות קוונטית. השיטה מאפשרת חופש מוחלט קיטוב זיהוי.

Abstract

היכולת לבצע בו זמנית תהודה זיהוי עירור, קרינה פלואורסצנטית חשוב קוונטית אופטי מדידות של נקודות קוונטיות (QDs). עירור תהודה ללא קרינה פלואורסצנטית גילוי – לדוגמה, מדידה שידור דיפרנציאלית – ניתן לקבוע מאפיינים מסוימים של מערכת פולטות, אך אינו מאפשר ליישומים או במדידות המבוססות על חלקיקי האור הנפלט. למשל, מדידת מתאמים פוטון, התבוננות שלישיה ופרחים לבנים, בצל, מימוש כל פוטון יחיד מקורות דורשים אוסף זריחה. עירור מבולבלת עם פלורסצנטיות זיהוי – לדוגמה, מעל עירור תזמורת-gap – יכול לשמש כדי ליצור מקורות פוטון יחיד, אך ההפרעה של הסביבה עירור מקטין את indistinguishability של חלקיקי האור. מקורות פוטון יחיד המבוססת על QDs יהיה חייב להיות resonantly נרגשים לקבל פוטון גבוהות indistinguishability, אוסף בו-זמני של חלקיקי האור יהיה צורך לעשות בהם שימוש. נדגים שיטה לגרות resonantly QD יחיד מוטבע בתוך חלל מישורי על ידי צימוד קרן עירור לתוך חלל זה מעל פני cleaved הדגימה תוך איסוף על ידי קרינה פלואורסצנטית לאורך כיוון נורמלי משטח של המדגם. על ידי התאמת בקפידה את קרן עירור למצב גלבו של החלל, האור עירור יכול הזוג לתוך החלל ולקיים אינטראקציה עם QD. פוטונים מפוזר יכול הזוג למצב פאברי-פרו של חלל, לברוח לכיוון משטח רגיל. שיטה זו מאפשרת חופש מוחלט קיטוב זיהוי, אך קיטוב עירור מוגבלת על ידי כיוון התפשטות של הקורה עירור. ידי קרינה פלואורסצנטית מהשכבה הרטבה מספק מדריך כדי ליישר את הנתיב אוסף לגבי הקורה עירור. אורתוגונליות עירור וזיהוי מצבי מאפשר עירור התהודה של QD יחיד עם רקע פיזור לייזר זניח.

Introduction

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.

Protocol

שים לב: עליך להיות מודע על סכנות אפשריות של פיזור לייזר במהלך היישור. ללבוש משקפי בטיחות נאותים להגנה. כדי להקל על תהליך יישור, הכרחי הצופה אינפרא-אדום (IR-הצופה). כרטיס פלורסנט רגיש IR הוא גם מועיל, אבל לא הכרחי. 1. הכנת הדוגמא שימוש יהלום הסופר לעשות שריטה זעיר בקצה המשטח ?…

Representative Results

איור 1 מציג את מימוש מסוים אחד כל הציוד הדרוש כדי להשיג תהודה עירור של נקודה קוונטית בודדת. מימושים אחרים אפשריים, אך המרכיבים הקריטיים: נתיב עירור זוג גלבו; נתיב אוסף להנחות פלורסצנטיות גלאי; נתיב עירור קונאפוקלית כדי לרגש לאורך השביל אוסף; ונתיב תאורה כד?…

Discussion

השלבים הקריטיים בפרוטוקול הם: התאמת מצב ויישור של הקורה עירור למצב גלבו; יישור תקין, תוך התמקדות של אופטיקה האוסף. החלקים הקשים ביותר השלבים האלה הם היישור הראשוני; אופטימיזציה של צימוד של התקנה כבר מיושר היא פשוטה יחסית. חופפים את אזורי איסוף של עירור היא צעד זה פשוט עם היכולת תמונה המדגם ?…

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