波面制御による 半導体ナノ粒子への 光アドレッシング

東大院総合

竹内誠，豊浜弘海，久我隆弘

19pAK-3

【背景】 半導体ナノ粒子について 半導体ナノ粒子

（コロイド状量子ドット）

コロイド状量子ドット1個からの蛍光は単一光子 [P. Michler et al., Nature 406, 968 (2000), B. Lonis et al., Chem. Phys. Lett. 329, 399 (2000).]

直径 6nm程度

• 室温動作 ⇔ エピタキシャル量子ドット • 蛍光波長可変 (波長400nm～20μm, 通信波長帯もカバー) ⇔ イオン、原子、分子、ＮＶ中心

• 低光強度動作( ～1 kW/cm2 @波長532nm) ⇔非線形光学結晶

640nm 532nm

蛍光 吸収

波長

試料の作成方法

直角プリズム

ピペット

トルエンは揮発

ドット

ドットがドープ されたPMMA 薄膜が完成

g (重力方向)

50μm

蛍光の動画

1. ドットのトルエン溶液 2. PMMA(アクリル樹脂)の粉末

3. トルエン

光るON状態と光らないOFF状態の行き来 (ブリンキング)から、これらの発光点がドット１個だと確認できる

【これまで】 簡便な単一光子源の開発

3軸 ステージ

シングルモード ファイバー 励起光：

波長532nm, CW 2mW

He-Neレーザー (波長633nm)

対物 レンズ

SPCM-a

SPCM-b

時間デジタル変換器(TDC)

• 市販の顕微鏡を利用 • 蛍光をシングルモードファイバーに導入

BS CCD カメラ

簡便な単一光子源を開発した

【今回】 波面制御による光アドレッシング 「簡便な単一光子源」の改良として、光学系に液晶面を利用したブレーズド回折格子を組み込んだ

ブレーズド構造の場合は、 回折光が1次に集中

Φ 𝑥, 𝑦 = 2𝜋𝑥

Λ𝑥+

𝑦

Λ𝑦 回折光

𝜃𝑑 強めあう干渉の一般式

Λ sin 𝜃𝑑 = 𝑚𝜆

m=+1 2𝜋

0

入射光

位相 シフト

Λ

改良により、格子の間隔と方向を変えて光路調整を行える

• 可動機構を減らせる（機械的安定性） • 観測するドットを切替可能にする（褪色対策）

実験配置図

PBS

PBS PC

• 光学テーブル上に配置。 • LCD(液晶ディスプレイ)の透過率分布をPCで与え、LD光の強度分布を変調→光で液晶面(OALCD) での位相シフト量を変調

λ/4

CCD カメラ

励起光： 波長593nm, CW 10mW (強度10kW/cm2)

対物レンズ ｆ = 2.0mm

He-Ne レーザー (波長 λ=633nm)

LD LCD

空間光変調器(SLM) Hamamatsu X8267

SPCM カウンタ

OALCD

シングルモード ファイバー

空間光変調器(SLM)の動作

0

2π

15μm

• 平面上の任意の位置にアドレス可能 • 複数の回折格子を重ね合わせるとスポットを分割できる [ 顕微鏡に導入する光をSLMで操作(光ピンセット)：

J. Liesener, M. Reicherter, T. Haist, and H. J. Tiziani, Opt. Comm. 185, 77(2000).]

Φ 𝑥, 𝑦 = arg exp 𝑖Φ1 𝑥, 𝑦 + exp 𝑖Φ2 𝑥, 𝑦

He-Neレーザー光の試料表面での散乱を、CCDカメラで観測

SLMはアナログRGB信号のGの値で操作

x

y

Φ2 𝑥, 𝑦 Φ1 𝑥, 𝑦

𝑃1

𝑃2

SLMを介したドットの蛍光集光 1. 先程のように、あらかじめ用意した様々なSLM用画像の中から、ドットの位置に回折する画像を選び出す。

2. シングルモードファイバーの終端をHe-NeレーザーからSPCMにつなぎかえ、蛍光を光子計数測定。

光子計数の時間変化

0次回折

1次回折

2.5 μm

227 arb.unit

w = 1.5 μm

0次に対する1次の 回折効率=0.63

ピーク強度： 225 arb.unit

強度1/e2半径： w = 1.9 μm

ON状態-OFF状態の行き来(ブリンキング)を確認できる

カウントレートの分布

対物レンズの透過率 0.90

PBSによる分岐比 0.50

SLMの反射率 0.53

0次に対する1次の回折効率 0.63

ファイバー結合効率(推定) 0.80

伝搬効率 : T= 0.15

立体角 : Ω = 2𝜋 1 − cos 𝜃

広がり角度: 𝜃 =𝜆

𝜋𝑤= 0.13 rad

2𝜃

見積もられるカウントレート

𝑅 = 𝑌Γ

2

Ω

4𝜋𝑇𝜂 = 7 × 103 c/s

ドットの量子収率(推定)：Y=0.5

励起準位の寿命 : Γ=2π×10 MHz

SPCMの量子効率 : η=0.7

7 × 103 c/s

• SLMを介してコロイド状量子ドット1個からの蛍光を観測した • 簡便な単一光子源に形状可変ブレーズド回折格子を組み込んだ

波面制御による集積・多重化（構想）

1. 蛍光波長が異なるドットを用意

2. パルス励起 3. 波長-タイミング変換を行う

回折格子を重ね合わせてスポットを分割

SLM

多数の経路で鍵を生成

変調 復調

逆に用いて、複数のドットからの蛍光を同時に集光

波長変換による光子の不可識別化

差周波 発生

Ti:Sレーザー (周波数可変)

波長分割

波長多重

まとめ

1. 我々はこれまでに、コロイド状量子ドットを用いた、簡便な単一光子源を開発した。

2. その改良として、空間光変調器(SLM)を利用した形状

可変ブレーズド回折格子を組み込み、光路調整を行えるようにした。

3. SLMを介して、コロイド状量子ドット1個の蛍光を集光し、光子計数測定した(～104 c/s)。

4. この手法で複数ドットからの蛍光を同時集光すれば、容易に、単一光子源を集積・多重化できる。