Fluorescenza di risonanza di un puntino di InGaAs Quantum in una cavità planare usando rilevazione ed eccitazione ortogonale
Summary
Risonante eccitazione di un puntino di singolo quantum autoassemblati può essere raggiunto utilizzando una modalità di eccitazione ortogonale per la modalità di raccolta di fluorescenza. Dimostriamo un metodo utilizzando la guida d’onda e la modalità di Fabry-Perot di una microcavità planare che circondano i punti quantici. Il metodo permette una completa libertà nella polarizzazione di rilevazione.
Abstract
La possibilità di eseguire la rilevazione simultanea di eccitazione e fluorescenza risonante è importante per le misure di ottica quantistica di punti quantici (QD). Risonante eccitazione senza rilevazione di fluorescenza – ad esempio, una misura di trasmissione differenziale – può determinare alcune proprietà del sistema di emissione, ma non consente applicazioni o misurazioni basate sui fotoni emessi. Ad esempio, la misurazione delle correlazioni di fotone, osservazione del tripletto Mollow e realizzazione di tutte le fonti di singolo fotone richiedono insieme della fluorescenza. Eccitazione incoerente con rilevazione della fluorescenza – ad esempio, di sopra della eccitazione band-gap – può essere utilizzato per creare fonti di singolo fotone, ma la dispersione dell’ambiente dovuto alla stimolazione riduce tali dei fotoni. Fonti di singolo fotone basati su QD dovranno essere risonante entusiasti di avere tali fotoni ad alta, e raccolta simultanea dei fotoni sarà necessario fare uso di essi. Dimostriamo un metodo risonante eccitare un singolo QD incorporato in una cavità planare accoppiando il fascio di eccitazione in questa cavità dalla faccia spaccata del campione durante la raccolta la fluorescenza lungo la direzione normale alla superficie del campione. Abbinando con attenzione il fascio di eccitazione per la modalità di guida d’onda della cavità, la luce di eccitazione può coppia nella cavità e interagire con il QD. I fotoni sparsi possono accoppiarsi per la modalità di Fabry-Perot della cavità e fuga nella direzione normale alla superficie. Questo metodo permette una completa libertà nella polarizzazione di rilevazione, ma la polarizzazione di eccitazione è limitata dalla direzione di propagazione del fascio di eccitazione. La fluorescenza dallo strato bagnante fornisce una guida per allineare il percorso della raccolta per quanto riguarda il fascio di eccitazione. L’ortogonalità delle modalità di rilevamento e di eccitazione consente risonante eccitazione di un singolo QD con sfondo di scattering laser trascurabile.
Introduction
Eccitazione di risonanza di un emettitore di singolo quantum combinato con rilevazione della fluorescenza è stata una sfida sperimentale a lungo termine principalmente a causa dell’incapacità di discriminare spettralmente la fluorescenza debole dalla dispersione forte eccitazione. Questa difficoltà, tuttavia, è stato con successo superata nell’ultimo decennio da due diversi approcci: campo scuro confocale eccitazione basato su polarizzazione discriminazione1,2,3,4 ,5e ortogonali eccitazione-rilevazione basata su modalità spaziale discriminazione6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Entrambi gli approcci dimostrano una forte capacità di sopprimere significativamente scattering laser e così ampiamente sono adottati in vari esperimenti, per esempio, osservazione di spin-fotone entanglement5,15, 16, dimostrazione di stati vestita2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26e manipolazione coerente di ristretti giri3,27,28,29,30. Né l’approccio può essere universalmente applicato ad ogni situazione; ognuno è limitato ad alcune condizioni specifiche. La tecnica del scuro-campo utilizza il grado di libertà di polarizzazione dei fotoni per sopprimere la dispersione del laser di eccitazione. Questa tecnica presenta diversi vantaggi. Ad esempio, non c’è nessun requisito per una modalità di guida d’onda ben definita, che consente solo confocale implementazione. L’implementazione confocale permette per eccitazione polarizzata circolarmente e possibilmente più stretta messa a fuoco del fascio di eccitazione l’emettitore di quantum, con conseguente più alta intensità di eccitazione. Tuttavia, questo metodo di polarizzazione-selettiva limita la polarizzazione di rilevazione per essere ortogonali per la polarizzazione di eccitazione e quindi impedisce una completa caratterizzazione delle proprietà di polarizzazione di fluorescenza. In confronto, discriminazione spaziale modalità conserva la completa libertà di polarizzazione di rilevamento utilizzando l’ortogonalità tra i modi di propagazione di fasci di eccitazione e rilevamento per sopprimere il laser scattering4. I vincoli di questa tecnica sono la necessità di una struttura di guida d’onda del campione per fornire una modalità di eccitazione ortogonale per la modalità di rilevamento e la restrizione della polarizzazione eccitazione per essere perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio .
Qui, dimostriamo un protocollo per la costruzione di un setup di rilevamento-eccitazione ortogonali gratis-spaziali per esperimenti di risonanza di fluorescenza. Rispetto per il lavoro pionieristico sulla discriminazione modalità spaziale dove una fibra ottica è stata utilizzata per accoppiare luce nella cavità6, questo protocollo fornisce una soluzione nello spazio libero e non richiede componenti cinetiche per montare sia il campione o il fibra a criostato. Controllo fine delle direzioni del fascio di eccitazione e il percorso di rilevamento sono manipolati da ottiche esterne al criostato, mentre lenti asferiche singoletto agiscono come messa a fuoco degli obiettivi all’interno della regione fredda del criostato. Forniamo immagini rappresentative dei passaggi chiave allineamento nel processo di raggiungimento di eccitazione risonante e rilevamento della fluorescenza da un punto di singolo quantum.
Il campione utilizzato per questa dimostrazione è coltivato da epitassia da fasci molecolari (MBE). I punti quantici di InGaAs (QD) sono incorporati in un distanziatore di GaAs che è delimitato da due riflettori Bragg distribuiti (DBRs), come mostrato nella visualizzazione zoom-in di esempio nella Figura 1. Il distanziale di GaAs tra la DBRs agisce come una guida d’onda, dove il fascio di eccitazione viene confinato dalla riflessione interna totale. La DBRs fungono anche da specchi ad alta riflettività per wavevectors che sono quasi normale al piano del campione. Questo costituisce una modalità di Fabry-Perot a cui QD coppia quando emette fluorescenza. La modalità di Fabry-Perot deve essere risonante con il λ di lunghezza d’onda di emissione dei QD, che richiede il distanziale di GaAs sia un numero intero multiplo di λ/n, dove n è l’indice di rifrazione di GaAs. Per questa dimostrazione, lo spessore del distanziale GaAs viene scelto per essere 4 λ/n, che è di circa 1 µm, in modo da essere vicino a dimensione dello spot di diffrazione limitata del fascio incidente di eccitazione. Un distanziatore più ristretto si tradurrebbe in una minore efficienza di accoppiamento del fascio di eccitazione in modalità di guida d’onda.
La messa a punto sperimentale è illustrato nella Figura 1. Per massimizzare l’efficienza di accoppiamento, un obiettivo di singola lente asferica Eobj con apertura numerica NA = 0.5 e lunghezza focale di 8 mm è scelto di focalizzare il fascio di eccitazione sul viso spaccato del campione. La funzione del telescopio kepleriano (composto da coppia lente E1 ed E2) nel percorso di eccitazione è duplice: (1) per riempire l’apertura dell’ obiettivo E eccitazioneobj così il fascio di eccitazione è focalizzato per la migliore corrispondenza di modalità per la guida d’onda (in Questa realizzazione il diametro del fascio collimato è 2,5 mm) e (2) per fornire tre gradi di libertà di manovra il punto focale del fascio di eccitazione il volto spaccati del campione. Obiettivo E1 è montati su un X-Y traslazionale che fornisce i due gradi di libertà di spostare il punto di eccitazione liberamente nel piano del viso fenduti campione. E2 lente è montata su uno zoom non rotante alloggiamento che fornisce la libertà di scegliere la profondità del punto focale nel campione. Questi tre gradi di libertà ci permettono di ottimizzare l’eccitazione risonante di un singolo QD senza richiedere spostamento dello stesso campione.
Nel percorso di raccolta di fluorescenza, una simile configurazione obiettivo (Lobj, L1 e L2) viene utilizzata per consentire il rilevamento della fluorescenza da diverse parti del campione. La luce dal campione è a fuoco da uno dei due lenti di tubo su sia una telecamera della IR-sensibile (Lcam) o la fessura di entrata dello spettrometro (Lspec). Movimento di L1 lungo l’asse z regola la messa a fuoco dell’immagine, e laterale traduzione di L2 determina l’immagine eseguire la scansione attraverso il piano del campione. Le lunghezze focali di L1 e L2 sono uguali, quindi loro ingrandimento è l’unità. Questo viene fatto per massimizzare la gamma che L2 può essere tradotto prima la vignettatura si verifica.
Per facilitare l’allineamento e la posizione di un QD, un illuminatore autocostruite basato su illuminazione di Kohler è incorporato nell’installazione, come mostrato nella Figura 1. Lo scopo di illuminazione di Kohler è di fornire un’illuminazione uniforme al campione e garantire che imago della sorgente luminosa illuminazione non è visibile nell’immagine di esempio. Le configurazioni di lente di entrambi l’illuminatore e il percorso della raccolta sono accuratamente progettate per separare gli aerei coniugato immagine del campione e la sorgente di luce. Ogni obiettivo nel percorso della raccolta è separato dai suoi vicini, dalla somma delle loro lunghezze focali. In questo modo ovunque l’immagine del campione è a fuoco – come il sensore della fotocamera – l’immagine della sorgente di luce è completamente defocused. Allo stesso modo, dove l’immagine sorgente luminosa è a fuoco – come al piano focale posteriore dell’obiettivo – l’immagine di esempio è completamente sfocato. La sorgente luminosa è un commerciale luminescente diodo (LED) che emettono 940 nm. Il diaframma di apertura consente la regolazione dell’intensità di illuminazione, e il diaframma di campo determina il campo di vista di essere illuminato. Sono le chiavi per realizzare un’illuminazione uniforme per impostare la distanza tra lente K4 e L2 per essere la somma delle lunghezze focali delle due lenti, e per garantire che l’apertura di Lobj non è troppo pieno dell’illuminazione. In questo protocollo, l’illuminazione è anche utilizzato per ottimizzare la distanza tra Lobj e il campione.
L’ obiettivo Lobj e sia lente di tubo fornisce un ingrandimento di 20x la fotocamera o lo spettrometro. La coppia di lente L3 e L4 tra Lobj e Lspec forma un altro telescopio kepleriano che fornisce un supplemento di 4 ingrandimenti dell’immagine sul charge coupled device (CCD) dello spettrometro. L’aggiunta di L3 e L4 risultati in un ingrandimento totale di 80 x, che è necessario distinguere spazialmente fluorescenza da vicina QD. L3 e L4 sono montati il flipping monta per facilitare il passaggio dell’ingrandimento perché lenti ingrandimento 20x fornisce un campo visivo più grande sul campione.
Per sovrapporre il campo di vista del percorso insieme con il percorso del fascio di eccitazione attraverso la guida d’onda, l’emissione dal continuum del puntino di quantum strato di bagnatura è utile. Si può determinare la lunghezza d’onda di emissione dello strato bagnante misurando lo spettro di emissione del campione sotto sopra eccitazione band-gap. Per il nostro campione, emissione di strato di bagnatura si verifica a circa 880 nm a 4,2 K. Accoppiando un fascio laser di cw a 880 nm in Guida d’onda del campione, si può osservare un modello di striscia formata da PL dal livello di bagnatura, che viene mostrato nel video di accompagnamento. La striscia rivela il percorso di propagazione della luce di eccitazione che è stato accoppiato in Guida d’onda. La presenza di questa striscia combinata con l’abilità all’immagine la superficie del campione rende semplice l’allineamento.
Protocol
Representative Results
Discussion
I passaggi critici nel protocollo sono: la modalità di corrispondenza e l’allineamento del fascio di eccitazione per la modalità di guida d’onda; e corretto allineamento e messa a fuoco dell’ottica insieme. Le parti più difficili di questi passaggi sono l’allineamento iniziale; ottimizzare l’accoppiamento di un’installazione già allineata è relativamente semplice. La raccolta e l’eccitazione aree sovrapposte è un passo che è semplice con la capacità di immagine per il campione sulla fotocamera, ma è molto diffic…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desidera ringraziare Glenn S. Solomon per la fornitura del campione. Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation (DMR-1452840).
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 |
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