ओर्थोगोनल उत्तेजना और डिटेक्शन का उपयोग करते हुए एक Planar गुहा में एक InGaAs क्वांटम डॉट के अनुनाद प्रतिदीप्ति
Summary
एक स्वयं के गुंजयमान उत्तेजना-इकट्ठे क्वांटम डॉट प्रतिदीप्ति संग्रह मोड के लिए एक उत्तेजना मोड ओर्थोगोनल का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है । हम एक planar क्वांटम डॉट्स आसपास microcavity के waveguide और Fabry-टेकनॉलजी मोड का उपयोग कर विधि का प्रदर्शन । विधि का पता लगाने ध्रुवीकरण में पूरी स्वतंत्रता की अनुमति देता है ।
Abstract
एक साथ गुंजयमान उत्तेजना और प्रतिदीप्ति का पता लगाने के लिए प्रदर्शन करने की क्षमता क्वांटम डॉट्स (QDs) के क्वांटम ऑप्टिकल माप के लिए महत्वपूर्ण है । गुंजयमान उत्तेजना बिना प्रतिदीप्ति डिटेक्शन – उदाहरण के लिए, एक अंतर संचरण माप – उत्सर्जन प्रणाली के कुछ गुण निर्धारित कर सकते हैं, लेकिन आवेदन या माप उत्सर्जित फोटॉनों के आधार पर अनुमति नहीं है. उदाहरण के लिए, फोटॉन सहसंबंध की माप, Mollow triplet का अवलोकन, और एक फोटॉन स्रोतों की प्राप्ति सभी प्रतिदीप्ति का संग्रह की आवश्यकता होती है । प्रतिदीप्ति पता लगाने के साथ बेतुका उत्तेजना-उदाहरण के लिए, बैंड के ऊपर-गैप उत्तेजना-एकल फोटॉन स्रोतों बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन उत्तेजना के कारण पर्यावरण की अशांति फोटॉनों के अंतर को कम कर देता है । QDs के आधार पर एकल फोटॉन स्रोतों के लिए उच्च फोटॉन के लिए उत्साहित resonantly होना होगा, और फोटॉनों के एक साथ संग्रह के लिए उन का उपयोग करना आवश्यक हो जाएगा । हम resonantly को उत्तेजित करने के लिए एक विधि का प्रदर्शन एक एकल QD नमूना की सतह सामान्य दिशा के साथ प्रतिदीप्ति इकट्ठा करते समय नमूने के सट चेहरे से इस गुहा में उत्तेजना बीम युग्मन द्वारा एक planar गुहा में एंबेडेड । ध्यान से गुहा के waveguide मोड के लिए उत्तेजना बीम मिलान करके, उत्तेजना प्रकाश गुहा में जोड़े और QD के साथ बातचीत कर सकते हैं । बिखरे हुए फोटॉनों गुहा के Fabry-टेकनॉलजी मोड से जोड़ा जा सकता है और सतह सामांय दिशा में भागने । इस विधि का पता लगाने ध्रुवीकरण में पूर्ण स्वतंत्रता की अनुमति देता है, लेकिन उत्तेजना ध्रुवीकरण उत्तेजना बीम के प्रचार दिशा द्वारा प्रतिबंधित है । गीला परत से प्रतिदीप्ति उत्तेजना बीम के संबंध में संग्रह पथ संरेखित करने के लिए एक गाइड प्रदान करता है । उत्तेजना और खोज मोड के orthogonality नगण्य लेजर छितराई पृष्ठभूमि के साथ एक एकल QD के गुंजयमान उत्तेजना सक्षम बनाता है ।
Introduction
गुंजयमान एक एकल क्वांटम प्रतिदीप्ति डिटेक्शन के साथ संयुक्त उत्सर्जक के उत्तेजना एक दीर्घकालिक प्रयोगात्मक चुनौती मुख्य रूप से करने के लिए अक्षमता के कारण था वर्णक्रमीय मजबूत उत्तेजना तितर बितर से कमजोर प्रतिदीप्ति भेदभाव । यह कठिनाई, तथापि, सफलतापूर्वक दो अलग दृष्टिकोण से पिछले दशक में काबू पा लिया गया है: डार्क फील्ड फोकल उत्तेजना ध्रुवीकरण भेदभाव के आधार पर1,2,3,4 ,5, और ओर्थोगोनल उत्तेजना-पहचान स्थानिक मोड भेदभाव के आधार पर6,7,8,9,10,11, 12,13,14. दोनों दृष्टिकोण एक मजबूत करने के लिए काफी लेजर कैटरिंग को दबाने और इस प्रकार व्यापक रूप से विभिंन प्रयोगों में अपनाया जाता है, उदाहरण के लिए, स्पिन के अवलोकन-फोटॉन उलझाव5,15प्रदर्शन की क्षमता प्रदर्शित करता है, 16, सजे राज्यों के प्रदर्शन2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26, और परकोटे के सुसंगत हेरफेर spins3,27,28,29,30। न तो दृष्टिकोण को हर स्थिति पर सार्वभौमिक रूप से लागू किया जा सकता है; प्रत्येक कुछ विशिष्ट स्थितियों तक सीमित है । अंधेरे क्षेत्र तकनीक फोटॉनों की स्वतंत्रता के ध्रुवीकरण की डिग्री का इस्तेमाल उत्तेजना लेजर कैटरिंग को दबाने के लिए । इस तकनीक के कई फायदे हैं. उदाहरण के लिए, एक अच्छी तरह से परिभाषित waveguide मोड के लिए कोई आवश्यकता नहीं है, जो केवल-फोकल कार्यांवयन को सक्षम करता है । फोकल कार्यांवयन के लिए अनुमति देता है परिपत्र ध्रुवीकरण उत्तेजना और संभवतः उत्तेजना बीम की क्वांटम उत्सर्जक पर ध्यान चुस्त, उच्च उत्तेजना तीव्रता में जिसके परिणामस्वरूप । हालांकि, इस ध्रुवीकरण-चुनिंदा विधि उत्तेजना ध्रुवीकरण के लिए ओर्थोगोनल होने का पता लगाने ध्रुवीकरण को प्रतिबंधित करता है, और इस तरह प्रतिदीप्ति के ध्रुवीकरण के गुणों का एक पूरा लक्षण वर्णन रोकता है । इसकी तुलना में, स्थानिक मोड भेदभाव उत्तेजना और पता लगाने के प्रसार मोड के बीच orthogonality का उपयोग करके पता लगाने ध्रुवीकरण की पूरी स्वतंत्रता को बरकरार रखता है लेजर कैटरिंग4दबाने मुस्कराते हुए । इस तकनीक की कमी का पता लगाने मोड के लिए एक उत्तेजना मोड ओर्थोगोनल प्रदान करने के लिए नमूना में एक waveguide संरचना की आवश्यकता है, और उत्तेजना ध्रुवीकरण के प्रतिबंध को सीधा करने के लिए बीम के प्रचार दिशा .
यहां, हम अनुनाद प्रतिदीप्ति प्रयोगों के लिए एक मुक्त अंतरिक्ष आधारित ओर्थोगोनल उत्तेजना-डिटेक्शन सेटअप के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रदर्शित करता है । स्थानिक मोड भेदभाव पर अग्रणी काम की तुलना में जहां एक ऑप्टिकल फाइबर गुहा में जोड़ा प्रकाश के लिए इस्तेमाल किया गया था6, इस प्रोटोकॉल मुक्त अंतरिक्ष में एक समाधान प्रदान करता है, और काइनेटिक घटकों की आवश्यकता नहीं है या तो नमूना या माउंट cryostat में फाइबर । उत्तेजना बीम के निर्देशों का ठीक नियंत्रण और पता लगाने के रास्ते cryostat के लिए बाहरी प्रकाशिकी द्वारा हेरफेर कर रहे हैं, जबकि ऐनक स्वेटर लेंस cryostat के शीत क्षेत्र के अंदर ध्यान केंद्रित उद्देश्यों के रूप में कार्य करते हैं । हम गुंजयमान उत्तेजना प्राप्त करने और एक एकल क्वांटम डॉट से प्रतिदीप्ति का पता लगाने की प्रक्रिया में प्रमुख संरेखण चरणों की प्रतिनिधि छवियां प्रदान करते हैं ।
इस प्रदर्शन के लिए इस्तेमाल किया नमूना आणविक बीम epitaxy (MBE) द्वारा उगाया जाता है । InGaAs क्वांटम डॉट्स (QDs) एक GaAs स्पेसर है कि दो वितरित डींग मारने वाले रिफ्लेक्टर (DBRs), के रूप में जूम में दिखाया गया है में एंबेडेड है चित्रा 1में नमूना के दृश्य में । DBRs के बीच GaAs स्पेसर एक waveguide के रूप में कार्य करता है, जहां उत्तेजना बीम कुल आंतरिक प्रतिबिंब द्वारा सीमित है । DBRs भी उच्च भावना के रूप में कार्य wavevectors है कि लगभग नमूना विमान के लिए सामांय है के लिए दर्पण । यह एक Fabry-टेकनॉलजी मोड जो QDs जब प्रतिदीप्ति उत्सर्जक जोड़े रूपों । Fabry-टेकनॉलजी मोड QDs के उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य λ के साथ गुंजयमान किया जाना चाहिए, जो GaAs स्पेसर λ के अपवर्तन का सूचकांक है, जहां n का एक पूर्णांक एकाधिक होने की आवश्यकता है GaAs/ इस प्रदर्शन के लिए, GaAs स्पेसर की मोटाई को 4λ/n, जो लगभग 1 µm है चुना जाता है, ताकि घटना उत्तेजना बीम के विवर्तन सीमित स्थान आकार के पास हो । एक संकरा स्पेसर waveguide मोड में उत्तेजना बीम के एक कम युग्मन दक्षता में परिणाम होगा ।
प्रायोगिक सेटअप चित्रा 1में दिखाया गया है । युग्मन क्षमता को अधिकतम करने के लिए, एक ऐनक एकल लेंस उद्देश्य संख्यात्मक एपर्चर NA = 0.5 और 8 मिमी के फोकल लंबाई के साथ ईobj नमूना के सट चेहरे पर उत्तेजना बीम ध्यान केंद्रित करने के लिए चुना जाता है । Keplerian दूरबीन के समारोह उत्तेजना पथ में (लेंस जोड़ी E1 और E2 से बना) दो गुना है: (1) उत्तेजना उद्देश्य ईobj के एपर्चर को भरने के लिए तो उत्तेजना बीम कसकर बेहतर मोड के लिए ध्यान केंद्रित है-waveguide करने के लिए मिलान (में यह बोध collimated बीम व्यास २.५ मिमी है), और (2) स्वतंत्रता के तीन डिग्री प्रदान करने के लिए नमूने के सट चेहरे पर उत्तेजना बीम के फोकल प्वाइंट पैंतरेबाज़ी । लेंस E1 एक X-Y शोधों माउंट पर माउंटेड है जो उत्तेजना स्पॉट को स्वतंत्र रूप से सट नमूना चेहरे के विमान में शिफ्ट करने के लिए स्वतंत्रता के दो अंश प्रदान करता है । लेंस E2 के नमूने में फोकल प्वाइंट की गहराई का चयन करने के लिए स्वतंत्रता प्रदान करता है जो एक गैर घूर्णन ज़ूम आवास पर मुहिम शुरू की है । स्वतंत्रता के इन तीन डिग्री हमें नमूना ही आंदोलन की आवश्यकता के बिना एक एकल QD के गुंजयमान उत्तेजना अनुकूलित करने के लिए अनुमति देते हैं ।
प्रतिदीप्ति संग्रह पथ में, एक समान लेंस विन्यास (एलobj, L1, और L2) नमूना के विभिन्न भागों से प्रतिदीप्ति का पता लगाने की अनुमति देने के लिए प्रयोग किया जाता है. नमूने से प्रकाश या तो एक IR के प्रति संवेदनशील कैमरा (एलसांचा) या स्पेक्ट्रोमीटर के प्रवेश भट्ठा (एलयुक्ति) पर दो ट्यूब लेंस में से एक द्वारा केंद्रित है । z-अक्ष के साथ L1 की गति छवि का ध्यान समायोजित कर देता है, और पार्श्व अनुवाद L2 के नमूने के विमान में स्कैन करने के लिए छवि का कारण बनता है । L1 और L2 के फोकल लंबाई बराबर है तो उनकी बढ़ती एकता है । इस रेंज L2 विगनेटिंग होता है पहले अनुवाद किया जा सकता को अधिकतम करने के लिए किया जाता है ।
एक QD के संरेखण और स्थान की सुविधा के लिए, एक घर में कोल दीप्ति पर आधारित प्रकाशक सेटअप में शामिल किया गया है, के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया है । कोल दीप्ति का उद्देश्य नमूना के लिए वर्दी रोशनी प्रदान करने और यह सुनिश्चित करने के लिए है कि एक मैंदीप्ति प्रकाश स्रोत का दाना नमूना छवि में दिखाई नहीं देता है । दोनों प्रकाशक और संग्रह पथ के लेंस विंयास ध्यान से नमूना और प्रकाश स्रोत के संयुग्म छवि विमानों को अलग करने के लिए डिज़ाइन कर रहे हैं । संग्रह पथ में हर लेंस अपने पड़ोसियों से उनके फोकल लंबाई का योग द्वारा अलग है । यह सुनिश्चित करता है कि जहां भी नमूना छवि ध्यान में है-जैसे कैमरे के संवेदक पर-प्रकाश स्रोत छवि पूरी तरह से ध्यान केंद्रित है । इसी तरह, जहां प्रकाश स्रोत छवि ध्यान में है-इस तरह के उद्देश्य के वापस फोकल विमान में के रूप में-नमूना छवि पूरी तरह से ध्यान केंद्रित है । प्रकाश स्रोत एक वाणिज्यिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) ९४० एनएम पर उत्सर्जक है । एपर्चर डायाफ्राम रोशनी की तीव्रता का समायोजन सक्षम बनाता है, और क्षेत्र डायाफ्राम को देखने के क्षेत्र को निर्धारित करता है प्रबुद्ध । वर्दी रोशनी को साकार करने के लिए चाबियां लेंस K4 और L2 के बीच की दूरी तय करने के लिए दो लेंस के फोकल लंबाई की राशि हो रहे हैं, और यह सुनिश्चित करना है कि एलobj के एपर्चर रोशनी से भरा नहीं है । इस प्रोटोकॉल में, रोशनी भी एलobj और नमूना के बीच की दूरी को अनुकूलित करने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
उद्देश्य Lobj और या तो ट्यूब लेंस कैमरा या स्पेक्ट्रोमीटर पर 20x का इज़ाफ़ा प्रदान करता है । लेंस जोड़ी L3 और एलobj और एलकल्पना रूपों के बीच L4 एक और Keplerian दूरबीन है कि आरोप-युग्मित डिवाइस (स्पेक्ट्रोमीटर के सीसीडी) पर छवि को एक अतिरिक्त 4x इज़ाफ़ा प्रदान करता है । लेंस के अलावा l3 और L4 80x है, जो विशेष रूप से पास QDs. L3 और L4 से प्रतिदीप्ति भेद करने के लिए आवश्यक है की कुल आवर्धन में परिणाम है, क्योंकि 20x आवर्धन आवर्धन के स्विचन की सुविधा के लिए माउंट flipping पर बढ़ रहे है नमूना पर दृश्य का एक बड़ा क्षेत्र प्रदान करता है ।
waveguide के माध्यम से उत्तेजना बीम के पथ के साथ संग्रह पथ के दृश्य के क्षेत्र को ओवरलैप करने के लिए, क्वांटम डॉट गीला परत के सातत्य से उत्सर्जन में सहायक है । एक के ऊपर बैंड-गैप उत्तेजना के तहत नमूना के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को मापने के द्वारा गीला परत के उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य का निर्धारण कर सकते हैं । हमारे नमूने के लिए, गीला परत उत्सर्जन ४.२ K पर लगभग ८८० एनएम में होता है । नमूना के waveguide में ८८० एनएम पर एक cw लेजर बीम युग्मन द्वारा, एक एक लकीर गीला परत है, जो साथ वीडियो में दिखाया गया है से PL द्वारा गठित पैटर्न का पालन कर सकते हैं । लकीर उत्तेजना प्रकाश है कि waveguide में युग्मित किया गया है के प्रचार मार्ग का पता चलता है । इस लकीर के नमूने की सतह छवि की क्षमता के साथ संयुक्त की उपस्थिति सीधा संरेखण बनाता है ।
Protocol
सावधानी: कृपया संरेखण के दौरान लेजर कैटरिंग के संभावित खतरों के बारे में पता हो । सुरक्षा के लिए उचित सुरक्षा चश्मे पहनें । संरेखण प्रक्रिया की सुविधा के लिए, एक अवरक्त दर्शक (ir-दर्शक) आवश्यक है । एक IR क?…
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम हैं: विधा-मिलान और waveguide मोड में उत्तेजना बीम का संरेखण; और उचित संरेखण और संग्रह प्रकाशिकी के ध्यान केंद्रित । इन चरणों का सबसे कठिन भाग प्रारंभिक संरेखण हैं; एक पहले से ही ग?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों के नमूने प्रदान करने के लिए ग्लेन एस सुलैमान स्वीकार करना चाहते हैं । इस काम को नेशनल साइंस फाउंडेशन (DMR-१४५२८४०) ने सपोर्ट किया था ।
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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