Montage de microphotoluminescence et d’excitation résonnante

L’intensité de la photoluminescence d’une boîte quantique unique est très faible, quelques dizaines de millions de photons par seconde au plus, ce qui représente quelques picowatts. Détecter et caractériser la luminescence d’une boîte quantique unique est donc délicat et il est absolument nécessaire de prévenir et de filtrer tout signal parasite qui pourrait s’ajouter au signal de photoluminescence. Le montage de microphotoluminescence est conçu pour la détection de la photoluminescence d’un objet unique, ce qui passe par des conditions d’excitation controlées et des étapes de filtrage spatial et spectral de la lumière collectée.

Dans cette thèse nous nous intéresserons en particulier à l’excitation résonante, où le laser d’excitation et le signal de photoluminescence sont à la même énergie et ne peuvent donc pas être séparés spectralement. Avec un montage de microphotoluminescence conventionnel, le laser d’excitation rétroréfléchi vers le système de détection peut être 8 ordres de grandeur plus intense que le signal de photoluminescence. Observer celui-ci nécessite donc des dispositions particulières : notre montage consiste à disposer le faisceau d’excitation orthogonalement à l’axe optique du système de détection, ce qui réduit considérablement le signal parasite et permet parfois de s’en affranchir complètement. Ce montage permet donc de collecter le signal de photoluminescence d’un objet unique dans toutes les conditions d’excitation.

Montage de microphotoluminescence

Que ce soit en excitant de manière résonnante ou à haute énergie, le signal lumineux provenant d’une boîte quantique unique est très faible, entre 103 et 107 photons/s, ce qui représente de 10−16 à 10−12 W*. L’un des aspects expérimentaux les plus cruciaux sera donc d’isoler ce signal du fond parasite qui peut être lié à des imperfections du montage, d’autres boîtes au voisinage de celui que l’on cherche à étudier ou même la luminescence naturelle du cristal lorsque l’on excite de manière non-résonnante. 

Description générale

Le principe général d’un montage de microphotoluminescence est de pouvoir exciter un échantillon et collecter sa luminescence. La figure 2.1 présente le schéma du montage en faisant abstraction des optiques de focalisation. Le laser d’excitation est amené sur l’échantillon par le même chemin depuis lequel on détecte la luminescence ; on utilise une séparatrice pour séparer ces chemins. On notera aussi la présence d’un polariseur et d’une lame demi-onde, qui permettent d’analyser la luminescence en polarisation. laser λ/2 P cryostat spectro vers l’acquisition détecteur Figure 2.1 — Schéma de principe du montage de microphotoluminescence. Le composant noté P est un polariseur, λ/2 est une lame biréfringente demi-onde.

Détails techniques généraux Cryostat

Afin d’observer la luminescence de boîtes InAs, il est nécessaire d’opérer à basse température, inférieure à quelques dizaines de kelvins. Nous utilisons pour cela un cryostat à circulation continue d’hélium liquide Oxford Instruments Microstat HiRes, modifié par Pascal Morfin et Jack Olejnik, ingénieurs au service mécanique du département. Une extension de la chambre à vide a été conçue et fabriquée afin d’y placer un porte-échantillon et le montage d’excitation résonnante qui comporte notamment un porte-fibre et des cales piézo-électriques cryogéniques et prévues pour l’ultra-vide, qui serviront pour le montage d’excitation résonnante détaillé à la section 2.2 (p. 52).