직교 여기 및 탐지를 사용 하 여 평면 캐비티에 InGaAs 양자 점의 공명 형광
Summary
공 여기 자기 조립된 단일 양자 점의 형광 컬렉션 모드를 직교 흥분 모드를 사용 하 여 얻을 수 있습니다. 우리는 파 관 및 양자 점 들을 둘러싼 평면 microcavity의 Fabry 페로 모드를 사용 하 여 메서드를 보여 줍니다. 메서드 검색 분극에 완전 한 자유를 수 있습니다.
Abstract
동시 공 여기 및 형광 탐지를 수행 하는 능력은 양자 점 (QDs)의 양자 광학 측정에 대 한 중요 합니다. -예를 들어 차동 전송 측정-형광 없는 공명 여기 발광 시스템의 일부 속성을 확인할 수 있습니다 하지만 응용 프로그램 또는 내보낸된 광자에 따라 측정을 허용 하지 않습니다. 예를 들어 광자 상관 관계의 측정, Mollow 세 개의 관찰과 단일 광자 소스 모든의 형광의 컬렉션을 필요 합니다. -예를 들어 위의 밴드 갭 여기-형광 검출 조리 여기 단일 광자 소스를 만드는 데 사용할 수 있지만 여기는 환경 장애 감소는 광자의 indistinguishability. 단일 광자 소스 기반 QDs resonantly 높은 광자 indistinguishability, 기쁘게 생각 이어야 할 것 이다 고 광자의 동시 컬렉션 만들 필요가 있을 것입니다 그들을 사용. 샘플의 서피스 수직 방향 따라 형광을 수집 하는 동안 샘플의 쪼개진된 얼굴에서이 구멍에 여기 빔 커플링 하 여 평면 캐비티에 포함 된 resonantly 단일 QD를 자극 하는 방법을 설명 합니다. 신중 하 게 일치 하는 구멍의도 파 관 모드를 여기 빔에 의해 흥분 빛 캐비티에 커플 하 고는 qd는 상호 작용 수 있습니다. 흩어져 광자 수 구멍 그리고 표면 정상적인 방향으로 탈출의 Fabry 페로 모드로 몇 가지. 이 메서드는 검색 분극에 완전 한 자유를 수 있습니다 하지만 여기 분극 여기 광선의 전파 방향에 의해 제한 된다. 일로 계층에서 형광 흥분 광속에 관하여 수집 경로 맞게 가이드를 제공 합니다. 구동 및 검출 모드의 직교 무시할 레이저 산란 배경으로 단일 QD의 공명 여기가 있습니다.
Introduction
형광 탐지와 결합 하는 단일 양자 미터의 공 여기 괴기 하 게 강한 여기 산란에서 약한 형광을 차별 하는 무 능력 때문에 주로 장기 실험 도전 이었다. 그러나이 어려움,, 되었습니다 성공적으로 극복 했다 지난 10 년간에서 두 가지 다른 방법으로: 어두운 필드 confocal 여기 분극 차별1,2,,34 에 따라 5, 그리고 공간 모드 차별6,7,,89,10,11에 따라 직교 여기 검색 12,,1314. 두 방법 모두 크게 레이저 산란을 억제 하는 강력한 기능을 보여 줍니다 및 따라서 광범위 하 게 다양 한 실험, 스핀 광자 녹 채5,15, 의 예를 들어 관찰에서에서 채택 16, 옷된 상태2,7,12,17,,1819,20,21 의 데모 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26, 그리고 한정 된 스핀3,,2728,29,30의 일관 된 조작. 어느 접근; 모든 상황에 보편적으로 적용 될 수 있습니다. 각각은 일부 특정 조건에 제한 됩니다. 다크 필드 기술 여기 레이저 산란을 억제 하는 광자의 편광도 자유를 활용 합니다. 이 기술은 몇 가지 장점이 있습니다. 예를 들어 confocal 전용 구현 수 있는 잘 정의 된도 파 관 모드에 대 한 필요가 있다. Confocal 구현 원형 편광된 여기 및 더 높은 자극 강도에 따른 양자가 미터에 여기 광선의 가능성이 더 단단한 초점에 대 한 수 있습니다. 그러나,이 분극 선택적 메서드 여기 편광에 직각이 되도록 감지 편광을 제한 하 고 따라서 형광의 분극 속성의 완전 한 특성을 방지. 비교에서는, 공간 모드 차별 여기 및 탐지 빔 레이저 산란4억제 하의 전파 모드 간에 직교를 이용 하 여 감지 편광의 완전 한 자유를 유지 합니다. 이 기술은의 제약은 검출 모드를 직교 흥분 모드를 제공 하는 샘플에도 파 관 구조의 필요성 및 광선의 전파 방향에 수직이 되도록 여기 분극의 제한 .
공명 형광 실험을 위한 자유 공간-기반 직교 여기 탐지 설정 구성에 대 한 프로토콜을 설명 합니다. 광섬유 빛 구멍6으로 하 사용 되었다 공간 모드 차별에 선구적인 작품에 비해,이 프로토콜 공간 솔루션을 제공 한다 고 운동 구성 요소 중 샘플을 탑재 필요로 하지 않는다 또는 cryostat에서 섬유입니다. 여기 광선의 탐지 경로 방향의 미세 제어 내의 비구 면 렌즈는 cryostat의 차가운 영역 내 목표 초점 역할을 하는 동안 광학 외부 cryostat에 의해 조작 됩니다. 우리는 키 정렬 단계 공명 여기 및에서 단일 양자 점 형광의 탐지를 달성 하는 과정의 대표적인 이미지를 제공 합니다.
이 데모 사용 하는 샘플 분자 빔 피 (MBE)에 의해 생산 됩니다. InGaAs 양자 점 (QDs) 그림1에서 샘플 확대 보기와 같이 두 개의 분산 된 브래그 반사 경 (DBRs)으로 제한 된 GaAs 공백에 포함 됩니다. GaAs 스페이서는 DBRs 사이 여기 빔 총 내부 반사에 의해 국한 되는 파 관으로 작동 합니다. DBRs는 또한 거의 평면에 수직 샘플은 wavevectors에 대 한 높은 반사 거울 역할을 합니다. 이것 Fabry 페로 모드에는 QDs 커플 형광을 방출 하는 때 형성 한다. Fabry 페로 모드는 정수 GaAs 스페이서는 QDs의 방출 파장 λ와 공 진 해야 λ/n, 여기서 n은 GaAs의 굴절 색인의. 이 데모에 대 한 GaAs 스페이서의 두께 약 1 µ m, 사고 여기 빔 회절 제한 자리 크기 가까이 있도록 4λ/n, 되도록 선택 됩니다. 좁은 스페이서도 파 관 모드에 흥분 광속의 낮은 커플링 효율 귀 착될 것 이다.
실험적인 체제는 그림 1에 표시 됩니다. 숫자 조리개 나 비구 면 단일 렌즈 목표 Eobj 커플링 효율을 극대화 하기 위해 0.5 = 8 mm의 초점 거리 샘플의 쪼개진된 얼굴에 흥분 광속을 초점을 선택입니다. 여기 경로에서 Keplerian 망원경 (렌즈 쌍 E1 및 e 2의 구성)의 기능은 두 배: (1) 여기 빔 밀접 하 게 일치를 위한 더 좋은 모드-(도 파 관에 초점을 맞춘 그래서 여기 목표 Eobj 의 조리개를 채우기 위해 이 실현 조명을된 빔 직경은 2.5 m m), 및 (2) 샘플의 쪼개진된 얼굴에서 여기 광선의 초점을 책략 하는 자유의 3도 제공 하. 렌즈 E1 쪼개진된 샘플 얼굴의 평면에서 자유롭게 여기 자리를 이동 하기 위하여 2 개의 자유도 제공 하는 X-Y 변환 마운트에 장착 됩니다. 렌즈 E2 주택 샘플에 초점의 깊이 선택할 자유를 제공 하는 비 회전 줌에 거치 된다. 자유의 세 학위 수 샘플 자체의 움직임을 필요 없이 단일 QD의 공 여기를 최적화.
형광 컬렉션 경로에 비슷한 렌즈 구성 (Lobj, L1 및 L2)는 샘플의 다른 부분에서 형광의 탐지를 허용 하는 데 사용 됩니다. 샘플에서 빛은 중 적외선-민감한 카메라 (L캠)에 두 개의 튜브 렌즈 중 하나 또는 분석기 (L사양)의 입구 슬릿에 초점. L1의 z 축 따라 모션 이미지의 초점을 조정 하 고 L2의 측면 번역 이미지 샘플의 평면에 걸쳐 검사를 합니다. L1과 L2의 초점 길이 그래서 그들의 확대는 통일. 이 L2 vignetting 발생 하기 전에 변환 될 수 있는 범위를 최대화 하기 위해 이루어집니다.
맞춤 및 위치는 QD의 촉진, 하 그림 1에서 보듯이 Kohler 조명에 따라 가정 건축 조명 설치 프로그램에 통합 됩니다. Kohler 조명의 목적은 시료에 균일 한 조명을 제공 하 고 i조명 광원의 마법사 샘플 이미지에 표시 되지 않습니다. 렌즈 구성에 조명 기 및 수집 경로 샘플 및 광원의 어원이 이미지 평면을 분리 하 신중 하 게 설계 되었습니다. 모든 렌즈 컬렉션 경로에 그들의 초점 길이의 합으로 이웃에서 분리 된다. 그러면 그 때마다 샘플 이미지 초점–카메라의 센서에서 광원 이미지는 완전히 defocused 같은. 마찬가지로, 어디는 광원 이미지는 초점-목표-의 후 초점면에서 샘플 이미지는 완전히 defocused 같은. 광원에는 상업 발광 다이오드 (LED) 940에서 방출은 nm. 조리개 다이어 프 램 조명 강도 조정 가능 하며 필드 다이어 프 램 조명 수를 보기의 필드를 결정 합니다. 균일 한 조명 실현에 키 사이의 거리를 설정 하는 k 4와 L2 두 렌즈의 초점 길이의 합 렌즈 및 조명 L의 조리개 되도록obj overfilled 하지는. 이 프로토콜에서 조명도 Lobj 와 샘플 사이의 거리를 최적화 하기 위해 사용 됩니다.
목표 Lobj 와 어느 튜브 렌즈 카메라 또는 분석기에 20x의 확대를 제공 한다. Lobj 와 L사양 렌즈 쌍 L3 및 L4는 분석기의 충전-결합 소자 (CCD)에 이미지를 추가 4 배 확대를 제공 하는 또 다른 Keplerian 망원경을 형성 한다. L3 및 L4 결과 공간 인근. QDs L3 및 L4에서 형광을 구별 하는 데 필요한 80 x의 총 확대에 튀기기 때문에 확대의 전환 촉진에 마운트에 탑재 하는 렌즈의 추가 20 배 확대 샘플에 더 큰 시야를 제공합니다.
중첩 컬렉션 경로도 파 관을 통해 흥분 광속의 경로를 보기의 필드, 레이어 일로 양자 도트의 연속성에서 방출은 도움이 된다. 하나는 밴드 갭 여기 위에서 아래 샘플의 방출 스펙트럼을 측정 하 여 습윤 층의 방출 파장을 확인할 수 있습니다. 우리의 샘플에 대 한 레이어 방출 일로 발생 합니다 약 880 nm 4.2 공화국에서 880에서 cw 레이저 빔 커플링 하 여 샘플의도 파 관에 nm, 사람은 동반 비디오에 표시 하는 일로 계층에서 PL에 의해 형성 된 줄무늬 패턴을 관찰할 수 있다. 행진은도 파 관에 결합 된 흥분 빛의 전파 경로를 보여준다. 이 행진 이미지 샘플의 표면 수와 결합의 존재 맞춤을 간단해 집니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜의 중요 한 단계: 일치 하는 모드와도 파 관 모드; 여기 광선의 맞춤 적절 한 정렬 및 컬렉션 광학의 초점. 이 단계의 가장 어려운 부품은 초기 정렬; 이미 정렬 된 설치의 연결을 최적화 하는 것은 비교적 간단 합니다. 수집 및 공급 분야를 중복 카메라에 샘플 이미지를 간단 하지만이 기능 없이 매우 어려운 단계입니다. 높은-품질 이미징 하기 위해서는 적절 한 Kohler 조명이 중요 합니다. Ko…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 샘플을 제공 하기 위한 글렌 S. 솔로몬을 인정 하 고 싶습니다. 이 작품은 국립 과학 재단 (DMR-1452840)에 의해 지원 되었다.
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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