Fluorescência de ressonância de um ponto de InGaAs quântica em uma cavidade Planar usando deteção e excitação ortogonal
Summary
Excitação ressonante de um ponto único Self montado quântica pode ser conseguida usando um modo de excitação ortogonal para o modo de coleta de fluorescência. Vamos demonstrar um método usando o waveguide e modos de Fabry-Perot de uma microcavidade planar em torno de pontos quânticos. O método permite total liberdade na polarização da deteção.
Abstract
A capacidade de executar detecção simultânea de excitação e fluorescência ressonante é importante para medições de óptica quântica de pontos quânticos (QDs). Ressonante excitação sem detecção de fluorescência – por exemplo, uma medição diferencial transmissão – pode determinar algumas propriedades do sistema de emissão, mas não permite que aplicativos ou medições baseadas os fótons emitidos. Por exemplo, a medição de correlações de fóton, observação do trio Mollow e realização de todas as fontes de cada fóton requerem coleção da fluorescência. Excitação incoerente com deteção de fluorescência – por exemplo, acima da excitação de band-gap – pode ser usada para criar fontes de fóton único, mas a perturbação do ambiente devido a excitação reduz a indistinguibilidade dos fótons. Fontes único fóton baseadas em QDs terá que ser ressonantemente animado para ter indistinguibilidade fóton alta e coleta simultânea dos fótons será necessária fazer uso deles. Vamos demonstrar um método para excitar ressonantemente QD um único incorporado numa cavidade planar por acoplamento o feixe de excitação para esta cavidade da face clivada da amostra ao coletar a fluorescência ao longo da direção de normal superfície da amostra. Combinando cuidadosamente o feixe de excitação para o modo de waveguide da cavidade, a luz de excitação pode acoplar na cavidade e interagir com o QD. Os fótons dispersados podem acoplar ao modo de Fabry-Perot da cavidade e fuga na direção normal de superfície. Este método permite total liberdade na polarização da deteção, mas a polarização de excitação é restrito pela direção de propagação do feixe de excitação. A fluorescência da molhadela camada fornece um guia para alinhar o caminho de coleção em relação ao feixe de excitação. A ortogonalidade dos modos de excitação e deteção permite excitação ressonante de um único QD com fundo de dispersão do laser insignificante.
Introduction
Excitação ressonante de um emissor de quântico único combinado com deteção de fluorescência foi um desafio experimental a longo prazo, principalmente devido à incapacidade de discriminar espectralmente a fraca fluorescência do espalhamento da excitação forte. Essa dificuldade, no entanto, tem sido com sucesso superar na década passada por duas abordagens diferentes: excitação confocal de campo escuro com base na polarização discriminação1,2,3,4 ,5e ortogonal da excitação-detecção baseado no modo espacial discriminação6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Ambas as abordagens demonstram uma forte capacidade para suprimir significativamente a dispersão do laser e, portanto, são amplamente adotadas em várias experiências, por exemplo, a observação da rotação-fóton emaranhamento5,15, 16, demonstração de Estados vestido2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26e manipulação coerente de rotações confinados3,,27,28,29,30. Nenhuma abordagem pode ser aplicada universalmente para todas as situações; cada um é limitado a algumas condições específicas. A técnica de campo escuro utiliza a liberdade de polarização de fótons para suprimir a dispersão de laser de excitação. Esta técnica tem várias vantagens. Por exemplo, não há nenhuma exigência para um modo de guia de ondas bem definidas, que permite a implementação somente confocal. A implementação confocal permite excitação circularmente polarizada e possivelmente mais apertado foco do feixe de excitação no emissor a quântica, resultando em maior intensidade da excitação. No entanto, esse método de polarização-seletiva restringe a polarização de deteção para ser ortogonais para a polarização de excitação e evita uma completa caracterização das propriedades polarização da fluorescência. Em comparação, discriminação de modo espacial preserva a liberdade completa de polarização de deteção, utilizando a ortogonalidade entre os modos de propagação de feixes de excitação e deteção para suprimir a dispersão de laser4. As limitações desta técnica são a necessidade de uma estrutura de waveguide na amostra para fornecer um modo de excitação ortogonal para o modo de detecção e a restrição da polarização da excitação de ser perpendicular à direção de propagação do feixe .
Aqui, demonstramos um protocolo para a construção de uma instalação grátis espaço-ortogonal da excitação-detecção para experimentos de fluorescência de ressonância. Em comparação com o trabalho pioneiro sobre a discriminação de modo espacial onde a fibra óptica foi usada para acoplar luz para a cavidade6, este protocolo fornece uma solução no espaço livre e não requer componentes cinéticos montar qualquer amostra ou a fibra em criostato. Controle fino das direções do feixe a excitação e o caminho de deteção são manipulados por óptica externa para o criostato, enquanto as lentes aspheric singlet atuam como focando objectivos dentro da região fria do criostato. Nós fornecemos imagens representativas das etapas no processo de alcançar ressonância excitação e detecção de fluorescência, de um ponto quântico único chave de alinhamento.
A amostra utilizada para esta demonstração é cultivada por Epitaxia de feixe molecular (MBE). Os pontos quânticos de InGaAs (QDs) são incorporados em um espaçador de GaAs que é delimitado por dois refletores de Bragg distribuídos (DBRs), conforme mostrado na exibição de zoom da amostra na Figura 1. O GaAs espaçador entre os DBRs atua como um guia de ondas, onde o feixe de excitação está confinado por reflexão interna total. As DBRs também atuam como espelhos de alta refletividade para wavevectors que são quase normal ao plano de amostra. Isto dá forma a um modo de Fabry-Perot ao qual as QDs casal quando emitem fluorescência. O modo de Fabry-Perot deve ser ressonante com a emissão de comprimento de onda λ das QDs, que exige o espaçador de GaAs ser um inteiro múltiplo de λ/n, onde n é a índice de refração de GaAs. Para esta demonstração, a espessura do espaçador de GaAs é escolhida para ser 4λ/n, que é aproximadamente 1 µm, a fim de estar perto o tamanho de ponto de difração limitada do feixe incidente da excitação. Um espaçador mais estreito resultaria em uma menor eficiência de acoplamento do feixe de excitação na modalidade waveguide.
A montagem experimental está representada na Figura 1. Para maximizar a eficiência de acoplamento, um objectivo de único-lente aspheric Eobj com abertura numérica at = 0,5 e distância focal de 8 mm é escolhido para concentrar o feixe de excitação no rosto clivado da amostra. A função do Telescópio Kepler (composto por par de lente E1 e E2) no caminho de excitação é duplo: (1) para encher a abertura de excitação objectivo Eobj para o feixe de excitação é fortemente focado para melhor correspondência de modo que o waveguide (em Essa percepção, o diâmetro do feixe colimado é 2,5 mm) e (2) para fornecer três graus de liberdade para manobrar o ponto focal do feixe de excitação na face clivada da amostra. Lente E1 é montado em uma montagem de translação de X-Y que fornece os dois graus de liberdade para deslocar o ponto de excitação livremente no plano da face de amostra clivada. Lente E2 é montado em um zoom não rotativo, que proporciona a liberdade de escolher a profundidade do ponto focal na amostra de habitação. Estes três graus de liberdade nos permitem otimizar a excitação ressonante de um único QD sem a necessidade de movimento da amostra em si.
No caminho de coleção de fluorescência, uma configuração similar da lente (Lobj, L1 e L2) é usada para permitir a detecção de fluorescência de diferentes partes da amostra. A luz da amostra é focada por uma das duas lentes de tubo para qualquer uma IR câmera sensível (Lcam) ou a fenda de entrada do aparelho (Lespecificação). Movimento de L1 ao longo do eixo z ajusta o foco da imagem, e tradução lateral de L2 faz com que a imagem de varredura ao longo do plano da amostra. Os comprimentos focais de L1 e L2 são iguais, então sua ampliação é unidade. Isso é feito para maximizar a gama que L2 pode ser traduzido antes de vinhetas ocorre.
Para facilitar o alinhamento e a localização de um QD, um iluminador de casa construída com base na iluminação de Kohler é incorporado a configuração, como mostrado na Figura 1. O objetivo da iluminação de Kohler é fornecer a iluminação uniforme para a amostra e assegurar que um iMago da fonte de luz de iluminação não é visível na imagem de amostra. As configurações de lente de ambos o iluminador e o caminho de coleção são cuidadosamente projetadas para separar os aviões imagem conjugado da amostra e a fonte de luz. Todas as lentes no caminho de coleção é separadoda de seus vizinhos pela soma de suas distâncias focais. Isso garante que onde quer que a imagem de amostra está em foco – tais como para o sensor da câmera – a imagem da fonte de luz é completamente defocused. Da mesma forma, onde a imagem da fonte de luz está em foco – tal como no plano focal volta do objectivo – a imagem de amostra é completamente desfocada. A fonte de luz é uma comercial luz emitida por diodo (LED) emitindo em 940 nm. O diafragma de abertura permite o ajuste da intensidade da iluminação, e o diafragma de campo determina o campo de visão a ser iluminada. As chaves para realizar a iluminação uniforme são para definir a distância entre a lente K4 e L2 para ser a soma dos comprimentos focais de duas lentes, e para garantir que a abertura de Lobj não é demasiado cheio pela iluminação. Neste protocolo, a iluminação também é usada para otimizar a distância entre Lobj e a amostra.
O objetivo Lobj e qualquer lente tubo fornece uma ampliação de 20 x sobre a câmera ou o espectrômetro. O par de lente L3 e L4 entre Lobj e Lespecificação forma outro telescópio que fornece uma ampliação de 4x extra para a imagem sobre o dispositivo de carga acoplada (CCD) do espectrómetro. A adição de lentes L3 e L4 resulta em uma ampliação total de 80 x, que é necessário distinguir espacialmente fluorescência das proximidades QDs. L3 e L4 é montadas na inversão montagens para facilitar a troca da ampliação porque 20 x ampliação fornece um campo de visão maior sobre a amostra.
Para sobrepor o campo de visão do caminho com o caminho do feixe de excitação através do waveguide coleção, a emissão do continuum do ponto quântico molhar a camada é útil. Um pode determinar o comprimento de onda de emissão da camada umectante medindo-se o espectro de emissão da amostra sob acima da excitação de band-gap. Para nosso exemplo, molhando a emissão de camada ocorre em cerca de 880 nm a 4,2 K. Pelo acoplamento de um feixe de laser de cw em 880 nm na waveguide da amostra, pode-se observar um padrão de raia formada pelo PL da camada de molhamento, que é mostrada neste vídeo. A raia revela o caminho de propagação da luz da excitação que tem sido acoplado na waveguide. A presença desta raia combinada com a capacidade para a superfície da amostra de imagem torna simples, alinhamento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os passos críticos no protocolo são: a correspondência de modo e alinhamento do feixe de excitação para o modo de guia de ondas; e alinhamento e foco da ótica coleção. As partes mais difíceis destas etapas são o alinhamento inicial; otimizar o acoplamento de uma instalação já alinhado é relativamente simples. As coleção e excitação áreas sobrepostas é uma etapa que é simples, com a capacidade de imagem a amostra na câmera, mas é muito difícil sem esse recurso. A fim de ter alta qualidade imagem, i…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostaria de reconhecer o Glenn S. Solomon para fornecer a amostra. Este trabalho foi financiado pela 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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