共振荧光装置及生成共振荧光的方法与流程
本申请涉及共振荧光技术领域，尤其涉及一种共振荧光装置及生成共振荧光的方法。
背景技术：
目前量子点共振荧光单光子源的滤波方法一般采用如下技术方法：第一种方法，采用两个线性偏振片的方式，通过入射偏振片选择线性偏振光激发量子点，同时出射偏振片选择正交极化的偏振角度来滤除背景激光；但该方案中，光束分束器对入射激发光线性偏振度的影响限制了系统的光学滤波能力，实际使用中需要选择一定的线性偏振角度来减小光束分束器对线性偏振度的影响，线性偏振角度的敏感性使得该系统背景激光的滤波能力具有较差的环境噪声容忍度和较短时间的系统稳定性，系统需要每隔一段时间重新调节一次，因此，该系统一般适用于表面反射率较低，对系统滤波能力要求不高的量子点样品。第二种方法，采用偏振分束器方式，选择确定的p分量线性偏振光激发量子点，通过1/4波片补偿光路对激发光相位的影响，最后通过偏振分束器探测s分量的线性偏振光，从而滤除p分量线性偏振的背景激光。该方法中偏振分束器可以确定性地选择入射光中的p分量进行激发，并且在出射光中滤除p分量，无需选择一定的线性偏振角度。但是，用偏振分束器制备的线性偏振光的保真度和正交极化的消光比受目前制作工艺的限制还达不到线性线性偏振片的水平，而且由于只能使用特定的p分量线性偏振光进行激发，从而限制了该系统在不同偏振激发方案中的应用。同时，1/4波片和偏振分束器的色散效应明显，只能在很窄的光谱范围内能保持良好的相位补偿效果，进而限制该系统在宽谱波段的滤波能力，特别是在基于皮秒脉冲共振荧光技术中的应用。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本申请提供了一种共振荧光装置及生成共振荧光的方法，能够有效过滤背景激光，并拓宽光谱应用范围。
(二)技术方案
第一方面本申请提供了一种共振荧光装置，用于激光激发量子点产生共振荧光进行荧光探测，装置包括线性偏振模块100、物镜模块200以及光纤耦合器300，其中：线性偏振模块100，包括入射偏振片110、偏振分束器120、出射偏振片130，其中，偏振分束器120通过光学镀膜以提高其光学偏振保真度，入射偏振片110的偏振方向与偏振分束器120的水平分量重合，出射偏振片130的偏振方向与偏振分束器120的垂直分量重合，所述激光依次经入射偏振片110和偏振分束器120，偏振分束器120的水平偏振光发送至物镜模块200；物镜模块200，用于将水平偏振光发送至量子点以激发量子点产生共振荧光，并将共振荧光发送至偏振分束器120，以使偏振分束器120将共振荧光分束后发送至出射偏振片130，出射偏振片130分离出共振荧光的垂直分量；光纤耦合器300，包括第一端口310，第一端口310包括第一光纤准直器以及第一单模光纤，其中，第一光纤准直器用于将共振荧光的垂直分量耦合至第一单模光纤以收集所述共振荧光。
可选地，线性偏振模块100还包括1/4波片，所述1/4波片设于偏振分束器120和出射偏振片130之间。
可选地，光纤耦合器300还包括第二端口320，第二端口320包括第二光纤准直器以及第二单模光纤，其中，第二光纤准直器用于将激光由第二单模光纤耦合至自由空间。
可选地，物镜模块200的数值孔径为0.4。
可选地，量子点设于微腔量子点结构中。
另一方面本申请提供了一种生成共振荧光的方法，包括：s1，匹配激光的波长与所述量子点的波长；s2，多次调节线性偏振模块100以获得多次调节的消光比；s3，比较多次调节的消光比，获得最优消光比。
可选地，激发量子点还生成背景激光，步骤s3中获得最优消光比包括：s31，测量出射偏振片130前的第一背景激光强度pbackground；s32，获得第一单模光纤中的第二背景激光强度pcollection；s33，获得消光比，消光比的计算公式为：
可选地，步骤s32包括：采用光谱探测仪获得第一单模光纤中的光子数n，第二背景激光强度pcollection的计算公式为：
其中，η为光谱探测仪的探测效率，hv为光谱探测仪的探测的单位光子能量。
可选地，步骤s2还包括获得多次调节的信噪比，步骤s3还包括比较多次调节的信噪比，获得最优信噪比。
可选地，信噪比的计算公式为：
其中，psignal为共振荧光的真实强度，psignal＝p-pnoise，pnoise为第一单模光纤中收集的背景激光强度，p为检测的共振荧光的强度。
(三)有益效果
本申请提供了一种共振荧光装置及生成共振荧光的方法，至少具有如下有益效果：
通过选用高偏振保真度的偏振分束器，保证激光经过偏振分束器后的线性偏振度不变，克服线性偏振光经过普通偏振分束器后线性偏振度下降的缺点，因此经过量子点样品反射回来的背景激光经过出射偏振片后可以得到有效的抑制；
在共振激发微腔量子点样品时，使用较小数值孔径的物镜模块一方面可以保证共振荧光的收集效率不变，另一方面由于物镜模块的数值口径变小，能够收集到量子点样品表面散射的背景激光也会减小，从而进一步提高背景激光的滤波能力；
选取较小通光口径的单模光纤用于收集量子点共振荧光信号，一方面可以较好地收集量子点发射的共振荧光信号，另一方面，由于背景激光的空间模式与单模光纤的空间模式不匹配，从而进一步保证单模光纤中收集到的背景激光会更少。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的共振荧光装置的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的生成共振荧光的方法的步骤图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的连续激光生成共振荧光的方法的流程图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的获得最优消光比的步骤图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的脉冲激光生成共振荧光的方法的流程图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的传统的共振荧光装置收集的共振荧光；
图7示意性示出了根据本公开实施例的共振荧光装置收集的共振荧光。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在一实施例中，如图1所示，本公开提供了一种共振荧光装置，用于激光激发量子点产生共振荧光进行荧光探测，装置包括线性偏振模块100、物镜模块200以及光纤耦合器300，其中：
线性偏振模块100，在激发量子点产生共振荧光的过程中会产生背景激光，用于滤除量子点样品散射的背景激光。该线性偏振模块100包括入射偏振片110、偏振分束器120、出射偏振片130。其中，由于偏振分束器120产生的线性偏振光的消光比还达不到线性偏振的水平，因此需要入射偏振片110与出射偏振片130处于相互正交的极化方向，以进一步滤除背景激光。入射偏振片110的偏振方向与偏振分束器120的水平(p)分量重合，出射偏振片130的偏振方向与偏振分束器120的垂直(s)分量重合。在实际的应用过程中，可以使用偏振分束器120上确定的水平(p)分量线性偏振光激发量子点，可以通过探测垂直(s)分量线性偏振的共振荧光，达到滤除背景激光的目的。
激光依次经入射偏振片110和偏振分束器120，偏振分束器120的水平偏振光发送至物镜模块200。
该线性偏振模块100还包括1/4波片以补偿光路对激发光相位的影响，1/4波片设于偏振分束器120和出射偏振片130之间。
偏振分束器120通过光学镀膜使得宽波段反射后的光学偏振保真度达到99.9％以上。
物镜模块200，采用数值孔径较低的凸透镜，在保证共振荧光收集能力的同时较少对散射的背景激光的收集，从而提高背景激光的滤波能力。例如物镜模块200的孔径为0.4，用于将水平偏振光发送至量子点以激发量子点产生共振荧光，并将共振荧光发送至偏振分束器120，以使偏振分束器120将共振荧光分束后发送至出射偏振片130，出射偏振片130分离出共振荧光的垂直分量。经过偏振分束器120后的水平偏振光发送至物镜模块200，物镜模块200将水平偏振光发送至量子点。该量子点位于微腔结构中，受微腔结构的限制，量子点被激发后产生的共振荧光的出射方向被限制在较小的发散角内，使用较小的数值孔径的物镜也不会降低系统的共振荧光收集效率，并表现出较好的高斯模式，而散射的背景激光受量子点样品表面平整度的影响，会偏离高斯模式，根据其偏离高斯模式的特性可以将其滤除。使用数值孔径较小的物镜一方面可以保证共振荧光的收集效率不变，另一番由于物镜的数值口径变小，能够收集到量子点样品表面散射的背景激光也会减小，进一步提高背景激光的滤波能力。
光纤耦合器300，包括第一端口310，第一端口310包括第一光纤准直器以及第一单模光纤，其中，第一光纤准直器用于将共振荧光的垂直分量耦合至第一单模光纤以收集共振荧光，可以在保证共振荧光收集能力的同时，滤除背景激光中的非高斯模式成分，从而提高背景激光的滤波能力。该光纤耦合器300还包括第二端口320，该该第二端口320包括第二光纤准直器以及第二单模光纤，其中，第二光纤准直器用于将激光在未进行入入射偏振片110之前将第二单模光纤耦合至自由空间。由上可知，在量子点微腔系统中，量子点发射的共振荧光表现出较好的高斯模式，与共振荧光相比，量子点表面反射的背景激光的空间模式由于表面平整度等因素的影响，会偏离标准的高斯模式。因此第一单模光纤和第二单模光纤均选用较小通光口径，一方面可以较好的收集量子点发射的共振荧光，另一方面，由于背景激光的空间模式和单模光纤的空间模式不匹配，从而进一步保证第一单模光纤中收集到的背景激光会更少。
可以通过消光比、信噪比等参数评估该共振荧光装置的特性。其中，消光比为达到出射偏振片130之前的第一背景激光强度与收集至第一单模光纤中的第二背景激光强度之比。其反映了共振荧光装置对背景激光的滤除能力，消光比越高，系统对背景激光的滤波能力越强。消光比er的计算公式如下：
其中，出射偏振片130前的第一背景激光强度pbackground，第一单模光纤中的第二背景激光强度pcollection。
荧光装置的信噪比为收集到第一单模光纤中的共振荧光强度与第一单模光纤中的背景光强度之比，其反映了收集到第一单模光纤中的共振荧光的纯度，信噪比越高收集到第一单模光纤中的背景激光信号的比例相对较少。其计算公式为：
其中，psignal为共振荧光的真实强度，psignal＝p-pnoise，pnoise为第一单模光纤中收集的背景激光强度，p为检测的共振荧光的强度。
信噪比和消光比之比还可以表征量子的品质因子q，
本公开的另一实施例提供了一种基于上述共振荧光装置的激发量子点生成共振荧光的方法，可以用于连续共振激发量子点产生共振荧光，如图2和图3所示，方法包括：
s1，匹配激光的波长与量子点的波长；
通过收集到的量子点波长(频率)和激光器波长(频率)信息，计算出激光控制器的参数，进而将激光器的波长与量子点的波长匹配，然后进行滤波调节。为了区分出共振荧光信号与背景激光信号，调节过程中需要将激光器频率与量子点频率进行一定的失谐，例如10ghz。
s2，多次调节线性偏振模块100以获得多次调节的消光比；
每次调节时可以先进行除调节线性偏振模块100。为了较快地进行滤波调节，首先使用较强功率(如100μw)的激光对装置进行粗调。粗调节的过程中主要通过观察收集到第一单模光纤中的背景激光信号，调节入射偏振片110和出射偏振片130的角度来寻找最小透过光强的偏振片角度。由于线性偏振片的最优消光比的位置会随着光学波长的变化而变化，针对不同波长量子点时，可以通过观察消光后的背景激光信号进一步优化偏振片的偏振角度来匹配上最优消光比的线性偏振角度。而后对装置进行细调，可以通过高灵敏度的光谱探测仪来探测信号，可以观察到毫弧度范围内线性偏振角度对消光比的影响，从而找到最高系统消光比对应的线性偏振角度。其中，出射偏振片130前的第一背景激光强度可以直接通过光强探测仪测量得到，收集到第一单模光纤中的第一背景激光强度可以在光谱探测仪得到相应的光子数信息n。
s3，比较多次调节的消光比，获得最优消光比。
其中，如图4所示，获得最优消光比包括：
s31，测量出射偏振片130前的第一背景激光强度pbackground；
s32，获得第一单模光纤中的第二背景激光强度pcollection；可以采用光谱探测仪获得第一单模光纤中的光子数n，第二背景激光强度pcollection的计算公式为：
其中，η为光谱探测仪的探测效率，hv为光谱探测仪的探测的单位光子能量。
s33，获得消光比，消光比的计算公式为：
上述步骤s2还包括获得多次调节的信噪比，步骤s3还包括比较多次调节的信噪比，获得最优信噪比。该信噪比的计算公式为：
其中，psignal为共振荧光的真实强度，psignal＝p-pnoise，pnoise为第一单模光纤中收集的背景激光强度，p为检测的共振荧光的强度。
通过发反复比较装置的消光比、信噪比和入射偏振片110、出射偏振片130的线性偏振角度的关系，最终达到共振荧光装置最优的滤波能力。
在本共振荧光装置中，偏振分束器对激发光偏振影响小。通过线性偏振模块100进行滤波，最优消光比的光谱带宽较宽，对于环境的振动等影响不是特别敏感，调节好的系统消光比和信噪比可以保持长时间的稳定性。但是在对新的量子点进行共振激发时，由于量子点波长的随机性，需要根据量子点的波长重新进行调节。
脉冲共振激发可以产生确定性的量子点共振荧光单光子源，因此实际应用中更趋向于使用脉冲共振激发量子点。与连续共振激发量子点滤波不同的是，脉冲激光的光谱很宽，脉冲共振激发量子点滤波不仅要保证量子点共振时装置的消光比，同时要保证在整个脉冲激光光谱范围内装置的信噪比最好。如图5所示，对脉冲共振激发量子点滤波的过程可以如下：
装置在进行以上连续共振激发量子点滤波调节后，共振时的装置消光比达到最高。随后将激光切换成脉冲共振激光。为了精细调节装置的信噪比，在光谱探测仪上根据共振荧光信号和背景激光信号的不同频谱宽度计算出共振荧光信号和背景激光信号，进而求出装置的信噪比。比较线性偏振角度和装置信噪比的变化，得到最优信噪比对应的线性偏振角度。与传统量子点共振荧光装置相比，本申请中的装置可以达到更好的量子点脉冲共振荧光信噪比。图6示意性示出了传统的共振荧光装置收集的共振荧光，图7示意性示出了采用本申请中共振荧光装置收集的光谱信号。图6和图7中，实线是通过光谱仪读出的脉冲共振荧光信号，虚线是脉冲共振背景激光信号。可以看出，背景激光信号在改造后的共振荧光装置中明显减小，量子点共振荧光信号与背景激光的信噪比得到明显提升。
该方法不仅适用于基于微腔量子点的共振荧光滤波，也适用于其他品质因子较好的单光子源系统，如基于单原子层材料的单光子源系统。
综上所述，本申请首先通过选用高偏振保真度的偏振分束器替代现有技术中的偏振分束器，保证激光经过偏振分束器后的线性偏振度不变，克服线性偏振光经过普通偏振分束器后线性偏振度下降的缺点，因此经过量子点样品反射回来的背景激光经过出射偏振片后可以得到有效的抑制。其次，在不损失量子点共振荧光收集效率的情况下，选取较低数值孔径的物镜模块。对于平面结构的量子点系统来说，由于量子点荧光的发射角度很大，选取高数值孔径的物镜模块可以有效提高量子点的共振荧光收集效率。在微腔量子点系统中，由于有微腔的调制作用，量子点共振荧光的出射方向被限制在较小的发散角内，因此使用合适的较小数值孔径的物镜模块也不会降低系统的共振荧光收集效率。在共振激发微腔量子点样品时，使用较小数值孔径的物镜模块一方面可以保证共振荧光的收集效率不变，另一方面由于物镜模块的数值口径变小，能够收集到量子点样品表面散射的背景激光也会减小，从而进一步提高背景激光的滤波能力。再次，选取较小通光口径的单模光纤用于收集量子点共振荧光信号。在微腔量子点系统中，量子点发射的共振荧光表现出较好的高斯模式。与共振荧光相比，量子点样品表面反射的背景激光的空间模式由于表面平整度等因素的影响，会偏离标准的高斯模式。通过使用较小通光口径的单模光纤，一方面可以较好地收集量子点发射的共振荧光信号，另一方面，由于背景激光的空间模式与单模光纤的空间模式不匹配，从而进一步保证单模光纤中收集到的背景激光会更少。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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