Name: resonance fluorescence of an ingaas quantum dot in a planar cavity using orthogonal excitation and detection
Uploaded: 2017-10-13T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection at JoVE.com

Die Autoren möchten Glenn S. Solomon für die Bereitstellung der Probe anerkennen. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (DMR-1452840) unterstützt.

Achtung: Bitte beachten Sie die möglichen Gefahren der Laser Streuung während der Ausrichtung. Tragen Sie richtige Schutzbrille zum Schutz. Zur Erleichterung den Alignment-Prozess ist ein Infrarot-Viewer (IR-Viewer) erforderlich. Eine IR-empfindlichen fluoreszierende Karte ist auch hilfreich aber nicht notwendig.
 1. Probenvorbereitung <ol><li>Verwendung eines Diamanten Schreiber, einen winzigen Kratzer am Rande der Oberfläche der Probe an der gewünschten Stelle der Cleave zu machen. Ve...

<ol>
	<li>Kuhlmann, A. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dark-field+microscope+for+background-free+detection+of+resonance+fluorescence+from+single+semiconductor+quantum+dots+operating+in+a+set-and-forget+mode.">A dark-field microscope for background-free detection of resonance fluorescence from single semiconductor quantum dots operating in a set-and-forget mode.</a> Rev. Sci. Instrum. 84 (7), 073905 (2013).</li><li>Vamivakas, N. A., Zhao, Y., Lu, C. -. Y., Atat&#252;re, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-resolved+quantum-dot+resonance+fluorescence.">Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence.</a> Nat. Phys. 5 (3), 198-202 (2009).</li><li>Vamivakas, A. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+spin-dependent+quantum+jumps+via+quantum+dot+resonance+fluorescence.">Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence.</a> Nature. 467 (7313), 297-300 (2010).</li><li>Houel, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+Single-Charge+Fluctuations+at+a+GaAs/AlAs+Interface+Using+Laser+Spectroscopy+on+a+Nearby+InGaAs+Quantum+Dot.">Probing Single-Charge Fluctuations at a GaAs/AlAs Interface Using Laser Spectroscopy on a Nearby InGaAs Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 108 (10), 107401 (2012).</li><li>Gao, W. B., Fallahi, P., Togan, E., Miguel-Sanchez, J., Imamoglu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+entanglement+between+a+quantum+dot+spin+and+a+single+photon.">Observation of entanglement between a quantum dot spin and a single photon.</a> Nature. 491 (7424), 426-430 (2012).</li><li>Muller, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonance+Fluorescence+from+a+Coherently+Driven+Semiconductor+Quantum+Dot+in+a+Cavity.">Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity.</a> Phys. Rev. Lett. 99 (18), 187402 (2007).</li><li>Flagg, E. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonantly+driven+coherent+oscillations+in+a+solid-state+quantum+emitter.">Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter.</a> Nat. Phys. 5 (3), 203-207 (2009).</li><li>Konthasinghe, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+versus+incoherent+light+scattering+from+a+quantum+dot.">Coherent versus incoherent light scattering from a quantum dot.</a> Phys. Rev. B. 85 (23), 235315 (2012).</li><li>Peiris, M., Konthasinghe, K., Yu, Y., Niu, Z. C., Muller, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bichromatic+resonant+light+scattering+from+a+quantum+dot.">Bichromatic resonant light scattering from a quantum dot.</a> Phys. Rev. B. 89 (15), 155305 (2014).</li><li>Chen, D., Lander, G. R., Krowpman, K. S., Solomon, G. S., Flagg, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+the+local+charge+environment+of+a+single+quantum+dot+via+resonance+fluorescence.">Characterization of the local charge environment of a single quantum dot via resonance fluorescence.</a> Phys. Rev. B. 93 (11), 115307 (2016).</li><li>Chen, D., Lander, G. R., Solomon, G. S., Flagg, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polarization-Dependent+Interference+of+Coherent+Scattering+from+Orthogonal+Dipole+Moments+of+a+Resonantly+Excited+Quantum+Dot.">Polarization-Dependent Interference of Coherent Scattering from Orthogonal Dipole Moments of a Resonantly Excited Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 118 (3), 037401 (2017).</li><li>Ge, R. -. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mollow+quintuplets+from+coherently+excited+quantum+dots.">Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots.</a> Opt. Lett. 38 (10), 1691 (2013).</li><li>Proux, R., Maragkou, M., Baudin, E., Voisin, C., Roussignol, P., Diederichs, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+the+Photon+Coalescence+Time+Window+in+the+Continuous-Wave+Regime+for+Resonantly+Driven+Semiconductor+Quantum+Dots.">Measuring the Photon Coalescence Time Window in the Continuous-Wave Regime for Resonantly Driven Semiconductor Quantum Dots.</a> Phys. Rev. Lett. 114 (6), 067401 (2015).</li><li>Robertson, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polarization-resolved+resonant+fluorescence+of+a+single+semiconductor+quantum+dot.">Polarization-resolved resonant fluorescence of a single semiconductor quantum dot.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (25), 251118 (2012).</li><li>De Greve, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum-dot+spin-photon+entanglement+via+frequency+downconversion+to+telecom+wavelength.">Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength.</a> Nature. 491 (7424), 421-425 (2012).</li><li>Schaibley, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demonstration+of+Quantum+Entanglement+between+a+Single+Electron+Spin+Confined+to+an+InAs+Quantum+Dot+and+a+Photon.">Demonstration of Quantum Entanglement between a Single Electron Spin Confined to an InAs Quantum Dot and a Photon.</a> Phys. Rev. Lett. 110 (16), 167401 (2013).</li><li>Gerardot, B. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dressed+excitonic+states+and+quantum+interference+in+a+three-level+quantum+dot+ladder+system.">Dressed excitonic states and quantum interference in a three-level quantum dot ladder system.</a> New J. Phys. 11 (1), 013028 (2009).</li><li>Hargart, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cavity-enhanced+simultaneous+dressing+of+quantum+dot+exciton+and+biexciton+states.">Cavity-enhanced simultaneous dressing of quantum dot exciton and biexciton states.</a> Phys. Rev. B. 93 (11), 115308 (2016).</li><li>Kim, H., Shen, T. C., Roy-Choudhury, K., Solomon, G. S., Waks, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonant+Interactions+between+a+Mollow+Triplet+Sideband+and+a+Strongly+Coupled+Cavity.">Resonant Interactions between a Mollow Triplet Sideband and a Strongly Coupled Cavity.</a> Phys. Rev. Lett. 113 (2), 027403 (2014).</li><li>Unsleber, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+resonance+fluorescence+and+the+Mollow+triplet+from+a+coherently+driven+site-controlled+quantum+dot.">Observation of resonance fluorescence and the Mollow triplet from a coherently driven site-controlled quantum dot.</a> Optica. 2 (12), 1072 (2015).</li><li>Xu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+Optical+Spectroscopy+of+a+Strongly+Driven+Quantum+Dot.">Coherent Optical Spectroscopy of a Strongly Driven Quantum Dot.</a> Science. 317 (5840), 929-932 (2007).</li><li>Muller, A., Fang, W., Lawall, J., Solomon, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emission+Spectrum+of+a+Dressed+Exciton-Biexciton+Complex+in+a+Semiconductor+Quantum+Dot.">Emission Spectrum of a Dressed Exciton-Biexciton Complex in a Semiconductor Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 101 (2), 027401 (2008).</li><li>Roy-Choudhury, K., Hughes, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+theory+of+the+emission+spectrum+from+quantum+dots+coupled+to+structured+photonic+reservoirs+and+acoustic+phonons.">Quantum theory of the emission spectrum from quantum dots coupled to structured photonic reservoirs and acoustic phonons.</a> Phys. Rev. B. 92 (20), 205406 (2015).</li><li>Ulhaq, A., Weiler, S., Ulrich, S. M., Ro&#223;bach, R., Jetter, M., Michler, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cascaded+single-photon+emission+from+the+Mollow+triplet+sidebands+of+a+quantum+dot.">Cascaded single-photon emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot.</a> Nat. Photonics. 6 (4), 238-242 (2012).</li><li>Ulrich, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dephasing+of+Triplet-Sideband+Optical+Emission+of+a+Resonantly+Driven+InAs/GaAs+Quantum+Dot+inside+a+Microcavity.">Dephasing of Triplet-Sideband Optical Emission of a Resonantly Driven InAs/GaAs Quantum Dot inside a Microcavity.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (24), 247402 (2011).</li><li>Atature, M., Dreiser, J., Badolato, A., Hogele, A., Karrai, K., Imamoglu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum-dot+spin-state+preparation+with+near-unity+fidelity.">Quantum-dot spin-state preparation with near-unity fidelity.</a> Science. 312 (5773), 551-553 (2006).</li><li>Kroner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonant+two-color+high-resolution+spectroscopy+of+a+negatively+charged+exciton+in+a+self-assembled+quantum+dot.">Resonant two-color high-resolution spectroscopy of a negatively charged exciton in a self-assembled quantum dot.</a> Phys. Rev. B. 78 (7), 075429 (2008).</li><li>Press, D., Ladd, T. D., Zhang, B., Yamamoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complete+quantum+control+of+a+single+quantum+dot+spin+using+ultrafast+optical+pulses.">Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses.</a> Nature. 456 (7219), 218-221 (2008).</li><li>Sun, S., Waks, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-shot+optical+readout+of+a+quantum+bit+using+cavity+quantum+electrodynamics.">Single-shot optical readout of a quantum bit using cavity quantum electrodynamics.</a> Physical Review A. 94 (1), 012307 (2016).</li><li>Metcalfe, M., Solomon, G. S., Lawall, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heterodyne+measurement+of+resonant+elastic+scattering+from+epitaxial+quantum+dots.">Heterodyne measurement of resonant elastic scattering from epitaxial quantum dots.</a> Appl. Phys. Lett. 102 (23), 231114 (2013).</li><li>Nguyen, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optically+Gated+Resonant+Emission+of+Single+Quantum+Dots.">Optically Gated Resonant Emission of Single Quantum Dots.</a> Phys. Rev. Lett. 108 (5), 057401 (2012).</li><li>Benisty, H., De Neve, H., Weisbuch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+planar+microcavity+effects+on+light+extraction-Part+I:+basic+concepts+and+analytical+trends.">Impact of planar microcavity effects on light extraction-Part I: basic concepts and analytical trends.</a> IEEE J. 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M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-demand+semiconductor+single-photon+source+with+near-unity+indistinguishability.">On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability.</a> Nat. Nanotechnol. 8 (3), 213-217 (2013).</li></ol>

Die entscheidenden Schritte in das Protokoll sind: Modus-matching und Ausrichtung des Strahls Erregung in den Wellenleiter Modus; und die korrekte Ausrichtung und Fokussierung der Sammlung Optik. Die schwierigsten Teile dieser Schritte sind die anfängliche Ausrichtung; Optimierung der Kupplung eine bereits ausgerichteten Einrichtung ist relativ einfach. Überlappende Bereich Sammlung und Erregung ist ein Schritt, der ist einfach mit der Fähigkeit zum Bild der Probe auf der Kamera, aber ist sehr schwierig, ohne diese Fu...

Resonante Anregung von ein einzelnes Quantum-Strahler kombiniert mit Fluoreszenz-Detektion wurde eine langfristige experimentelle Herausforderung vor allem wegen der Unfähigkeit, die schwache Fluoreszenz von der starken Erregung Streuung spektral zu unterscheiden. Diese Schwierigkeit jedoch erfolgreich überwunden in den letzten zehn Jahren durch zwei verschiedene Ansätze: dunkel-Feld konfokale Erregung basierend auf Polarisation Diskriminierung1,2,3,4 ,5, und orthogonal Erregung-Erkennung anhand der räumlichen Modus Diskriminierung6,7,8,9,10,11, 12,13,14. Beide Ansätze zeigen eine starke Fähigkeit, Laser-Streuung deutlich zu unterdrücken und somit sind weit verbreitet in verschiedenen Experimenten, z. B. Beobachtung von Spin-Photon Verschränkung5,15, 16, Demonstration von gekleidet Staaten2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26und kohärente Manipulation der geschlossenen Drehungen3,27,28,29,30. Keiner dieser Ansätze kann universell auf jede Situation angewendet werden; Jeder ist auf bestimmten Bedingungen beschränkt. Die dunkel-Field-Technik nutzt die Freiheitsgrade der Polarisation von Photonen, die Erregung Laser Streuung zu unterdrücken. Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel gibt es keine Notwendigkeit, eine wohldefinierte Waveguide-Modus, der nur konfokale Umsetzung ermöglicht. Die konfokale Umsetzung ermöglicht eine Zirkular polarisierte Erregung und möglicherweise Fokussierung des Strahls Erregung am Quantum Emitter, wodurch höhere Intensität der Erregung. Jedoch diese Polarisation-selektiven Methode schränkt die Erkennung Polarisation orthogonal zur Anregung Polarisierung zu und verhindert somit eine vollständige Charakterisierung der die Polarisationseigenschaften der Fluoreszenz. Im Vergleich dazu bewahrt räumliche Modus Diskriminierung die völlige Freiheit der Erkennung Polarisation durch den Einsatz der Orthogonalität zwischen den Modi Ausbreitung der Erregung und Erkennung Balken, der Laser Streuung4zu unterdrücken. Die Grenzen dieser Technik sind die Notwendigkeit einer Waveguide-Struktur in der Probe ein Anregung Modus orthogonal zu den Erkennungsmodus bieten und die Einschränkung der Erregung Polarisation senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls .
Hier zeigen wir ein Protokoll für den Bau einer free-Space-based orthogonal Erregung-Erkennung-Setup für Resonanz-Fluoreszenz-Experimente. Im Vergleich zu der bahnbrechenden Arbeit über räumliche Modus Diskriminierung wo eine optische Faser verwendet wurde, um Licht in die Kavität6paar, dieses Protokoll bietet eine Lösung im freien Raum, und erfordert keine kinetische Komponenten, entweder die Probe zu montieren oder die Faser in Kryostaten. Feinsteuerung der Richtungen der Erregung Strahl und der Erkennung Pfad sind durch Optik außerhalb des Kryostaten manipuliert, während Singulett asphärische Linsen fungieren als Ziele innerhalb des Kryostaten und kalten Umgebung konzentrieren. Wir bieten repräsentative Bilder der wichtigsten Ausrichtung Schritte im Prozess der Verwirklichung resonante Anregung und Detektion der Fluoreszenz von einem einzigen Quantenpunkt.
Das Beispiel verwendet für diese Demonstration wird von Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) angebaut. Die InGaAs-Quantenpunkte (QDs) sind eingebettet in ein GaAs-Abstandhalter, die durch zwei verteilter Bragg Reflektoren (DBRs) begrenzt ist, wie in der Zoom-Ansicht des Beispiels in Abbildung 1dargestellt. Der GaAs-Abstandhalter zwischen den DBRs fungiert als ein Hohlleiter, wo der Erregung Strahl durch Totalreflexion beschränkt. Die DBRs fungieren auch als hoher Reflektivität Spiegel für Wavevectors, die fast senkrecht zur Ebene Probe sind. Dies bildet einen Fabry-Perot-Modus, den paar die QDs wenn Fluoreszenz emittiert. Die Fabry-Perot-Modus muss resonant mit der Emission Wellenlänge λ von QDs, wonach den GaAs-Abstandhalter eine Ganzzahl sein Vielfaches von λ/n, wo n der Brechungsindex von GaAs ist. Für diese Demonstration ist die Dicke der GaAs-Abstandhalter ausgewählt 4λ/n, das ist etwa 1 µm, um sich in der Nähe der Beugung begrenzt Spotgröße von den einfallenden Erregung Strahl. Ein schmaler Abstandhalter ergäbe einen niedrigeren Wirkungsgrad der Kupplung des Strahls Erregung in den Wellenleiter Modus.
Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt. Um die Kupplung zu Effizienz, eine asphärische Einzelnobjektiv Ziel EObj mit numerischer Apertur NA = 0,5 und 8 mm Brennweite wird gewählt, um die Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu konzentrieren. Die Funktion der Keplerschen Fernrohr (bestehend aus Objektiv paar E1 und E2) in die Erregung Weg ist zweifach: (1), die Blende von der Erregung Ziel EObj zu füllen, damit die Erregung Strahl für bessere Modus-passend zu den Hohlleiter (in eng fokussiert ist Diese Erkenntnis der kollimierten Strahldurchmesser beträgt 2,5 mm), und (2) zu drei Freiheitsgrade im Mittelpunkt der Erregung Strahl auf das gespalten Gesicht der Probe zu manövrieren. Objektiv E1 wird auf eine XY-translationale Halterung montiert, die die zwei Freiheitsgrade der Erregung Stelle frei in die Ebene der gespalten Probe Fläche verschieben bereitstellt. Objektiv E2 ist montiert auf einem nicht rotierenden Zoom Gehäuse festlegt: die Freiheit, die Tiefe der Dreh-und Angelpunkt in der Probe zu wählen. Diese drei Freiheitsgrade ermöglichen es uns, die resonante Anregung von einem einzigen QD zu optimieren, ohne Bewegung der Probe selbst.
In den Fluoreszenz-Sammlung-Pfad wird eine ähnliche Konfiguration der Linse (LObj, L1 und L2) zur Detektion der Fluoreszenz aus verschiedenen Teilen der Probe zu ermöglichen. Das Licht von der Probe wird durch eine zwei Rohr Linsen auf entweder eine IR-Kamera (LCam) oder die Einlauföffnung des Spektrometers (LSpec) fokussiert. Bewegung des L1 entlang der z-Achse stellt den Fokus des Bildes, und seitliche Übersetzung von L2 bewirkt, dass das Bild in der Ebene der Probe zu scannen. Ihre Vergrößerung Einheit ist sind die Brennweiten von L1 und L2 gleich. Dies geschieht, um die Reichweite zu maximieren L2 kann übersetzt werden, bevor Vignettierung auftritt.
Um die Ausrichtung und Lage von einem QD zu erleichtern, ist eine selbst gebaute Illuminator basierend auf Kohler Beleuchtung in das Setup integriert, wie in Abbildung 1dargestellt. Kohler Beleuchtung dient, gleichmäßige Ausleuchtung der Probe und sorgen dafür, dass ein iMagier der Lichtquelle Beleuchtung ist nicht sichtbar im Beispielbild. Die Objektiv-Konfigurationen der Beleuchtung und der Sammlung-Pfad sind sorgfältig entworfen, die konjugierte Bildebenen der Probe und der Lichtquelle zu trennen. Jedes Objektiv in der Sammlung-Pfad wird durch die Summe ihrer Brennweiten von seinen Nachbarn getrennt. Dies sorgt dafür, dass überall, wo das Beispielbild im Fokus – wie z. B. auf den Sensor der Kamera – das Bild der Lichtquelle völlig unscharf gestellt ist. Ähnlich, wo das Bild der Lichtquelle im Fokus – ist wie bei der zurück Brennebene des Ziels – das Beispielbild komplett defokussierten. Die Lichtquelle ist ein kommerzieller Licht emittierende Diode (LED) emittieren bei 940 nm. Die Aperturblende ermöglicht die Einstellung von der Beleuchtungsstärke und der Leuchtfeldblende bestimmt das Sichtfeld zu beleuchtenden. Die Schlüssel für gleichmäßige Ausleuchtung zu realisieren sind, legen Sie den Abstand zwischen Objektiv-K4 und L2, um die Summe der Brennweiten der beiden Linsen werden, und um sicherzustellen, dass die Öffnung der LObj ist nicht überfüllt, durch die Beleuchtung. In diesem Protokoll wird die Beleuchtung auch zur Optimierung der Abstand zwischen LObj und der Probe.
Das Ziel LObj und entweder Schlauch-Objektiv bietet eine Vergrößerung von 20 X auf der Kamera oder das Spektrometer. Die Objektiv-paar L3 und L4 zwischen LObj und LSpec bildet ein weiteres Keplerschen Teleskop, das bietet eine extra 4 X Vergrößerung auf das Bild auf – Coupled Ladegerät (CCD) des Spektrometers. Die Zugabe von Linsen L3 und L4 Ergebnisse in eine Gesamtvergrößerung von 80 X, die notwendig ist, räumlich Fluoreszenz von nahe gelegenen QDs. L3 und L4 zu unterscheiden montiert sind auf spiegeln Halterungen zur Erleichterung der Umstellung von der Vergrößerung, weil 20 X Vergrößerung bietet ein größeres Sichtfeld auf die Probe.
Um das Sichtfeld des Sammlung-Pfades mit dem Pfad des Balkens Erregung durch den Wellenleiter überschneiden, ist die Emission aus dem Kontinuum der Benetzung Schicht Quantenpunkt hilfreich. Man kann die Emissionswellenlänge von der Benetzungsschicht bestimmen, indem Sie messen das Emissionsspektrum der Probe unter über dem Bandabstand Erregung. Für unser Beispiel Benetzung Schicht Emission tritt bei etwa 880 nm bei 4,2 K. Durch die Kopplung eines cw -Laser-Strahls bei 880 nm in den Hohlleiter der Probe, kann man beobachten, eine Streifen-Muster gebildet durch die PL Benetzungsschicht, die im zugehörigen Video zu sehen ist. Das Streak zeigt den Ausbreitungsweg das Anregungslicht, das in den Hohlleiter gekoppelt wurde. Das Vorhandensein dieser Streifen, kombiniert mit der Fähigkeit, die Oberfläche der Probe Bild ist Ausrichtung unkompliziert.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Tunable external cavity diode laser</td>
			<td>Toptica Photonics</td>
			<td>DL-Pro</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Closed-cycle cryostat</td>
			<td>Montana Instruments</td>
			<td>Cryostation</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrometer, 750 mm focal length</td>
			<td>Princeton Instruments</td>
			<td>SpectraPro 2750</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermoelectrically cooled charge-coupled device</td>
			<td>Princeton Instruments</td>
			<td>Pixis 100BR-eXcelon</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HeNe laser</td>
			<td>JDSU</td>
			<td>1125P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared sensitive camera</td>
			<td>Sony</td>
			<td>NEX-5TL</td>
			<td>IR blocking filter removed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power meter and detector</td>
			<td>Newport</td>
			<td>1918-C, 918D-IR-OD3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable aspheric fiber collimator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>CFC-8X-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Air-Spaced Doublet Collimator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>F810APC-842</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protected Silver Mirrors x 5</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-P01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flip mounts x 2</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FM90</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>ACL2520-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LBF254-050-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LBF254-100-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LBF254-200-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plano-convex lens, f = 400 mm; L3</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LA1172-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>C240TME-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision asphere, f = 10 mm; Lobj</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>AL1210-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Longpass Filters, 800 nm, x2</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FEL0800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Non-polarizing beam splitter cube (NPBS)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BS029</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pellicle beam splitter</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BP108</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polarizer</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LPNIRE100-B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light emitting diode, 940 nm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>M940D2</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

resonance fluorescence of an ingaas quantum dot in a planar cavity using orthogonal excitation and detection

Die Fähigkeit, simultane resonante Anregung und Fluoreszenz-Detektion ist wichtig für Quantum optische Messungen von Quantenpunkten (QDs). Resonante Anregung ohne Fluoreszenz-Detektion – zum Beispiel eine differenzielle Transmissionsmessung – kann einige Eigenschaften der emittierenden Anlage bestimmen, sondern erlaubt keine Anwendungen oder Messungen anhand der emittierten Photonen. Zum Beispiel erfordern die Messung von Photon Korrelationen, Beobachtung des Tripels Mollow und Realisierung der einzelnen Photons Quellen alle Sammlung der Fluoreszenz. Inkohärent Anregung mit Fluoreszenz-Detektion – zum Beispiel über Bandlücke Erregung – kann verwendet werden, um einzelnes Photon Quellen erstellen, sondern die Störung der Umwelt durch die Erregung reduziert die Ununterscheidbarkeit der Photonen. Einzelnes Photon Quellen basierend auf QDs haben zu hohe Photon Ununterscheidbarkeit resonant angeregt werden, und gleichzeitige Sammlung der Photonen wird notwendig sein, machen Gebrauch davon. Wir zeigen, dass eine Methode, um einen einzigen QD resonant begeistern in einem planaren Hohlraum eingebettet, durch die Kopplung des Erregung Strahls in diesen Hohlraum aus dem gespalten Gesicht der Probe während die Fluoreszenz entlang der Probe Oberfläche Normalenrichtung zu sammeln. Indem man sorgfältig die Erregung Strahl in den Wellenleiter Modus des Hohlraums, kann das Anregungslicht paar in den Hohlraum und interagieren mit den QD. Die gestreuten Photonen können an der Fabry-Perot-Modus der Kavität und Flucht in Richtung der Oberfläche normalen koppeln. Diese Methode ermöglicht völlige Freiheit in der Erkennung Polarisierung, aber die Erregung Polarisation wird durch die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls Erregung eingeschränkt. Die Fluoreszenz von der Benetzungsschicht bietet einen Leitfaden zur Sammlung Weg in Bezug auf die Erregung Strahl ausrichten. Die Orthogonalität der Erregung und Erkennung Modi ermöglicht resonante Anregung von einem einzigen QD mit vernachlässigbar Laser Streuung Hintergrund.

Abbildung 1 zeigt eine bestimmte Realisierung der notwendigen Ausrüstung, resonante Anregung von einem einzigen Quantenpunkt zu erreichen. Andere Ausführungen sind möglich, aber die wichtigen Komponenten sind: eine Erregung Weg zum paar zu den Hohlleiter; eine Sammlung Pfad zur Fluoreszenz Detektoren Führung; ein konfokale Erregung Weg entlang des Pfads Kollektion begeistern; und eine Beleuchtung Weg zur Bildgebung der Probenoberfläche zu ermöglichen.</...

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Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection

Resonante Anregung von einem einzigen selbstgebaute Quantenpunkt kann eine Anregung Modus orthogonal zu den Fluoreszenz-Sammlung-Modus erreicht werden. Wir zeigen eine Methode mit dem Hohlleiter und Fabry-Perot-Modi von einem planaren Mikrokavität rund um die Quantenpunkte. Die Methode ermöglicht völlige Freiheit in der Erkennung Polarisierung.

Resonanz-Fluoreszenz ein InGaAs Quantum Dot in einem planaren Hohlraum mit orthogonalen Erregung und Erkennung

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). ...

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