Pour ´etudier nos ´echantillons, l’´etude de la photoluminescence r´esolue en excitation (PLE) peut ˆetre utile. Elle n´ecessite un laser dont la longueur d’onde est accordable et permet notamment de mesurer la largeur des transitions optiques de nos ´emetteurs avec une r´esolution d´etermin´ee par la largeur spectrale du laser. Pour r´ealiser ces mesures, on enregistre le taux de PL sur la PSB en fonction de la longueur d’onde du laser qui est balay´ee autour de la ZPL des ´emetteurs. Le laser et le signal utile sont ainsi s´epar´es grˆace `a un filtre qui laisse passer les grandes longueurs d’onde. Comme nous l’avons vu au premier chapitre, on obtient une lorentzienne lorsqu’est trac´e le taux de PL sur la PSB en fonction de la fr´equence du laser, le taux de PL ´etant proportionnelle aux populations de l’´etat excit´e ρbb. A basse puissance, la largeur de la lorentzienne est directement li´ee au temps de vie et au d´ephasage pur : 2π∆ν = 2Γ2. A basse temp´erature, on s’attend `a mesurer des largeurs limit´ees par le temps de vie d’environ 10 MHz pour les centres NV- et 100 MHz pour les centres SiV-. La largeur de raie des lasers utilis´es est tr`es petite devant ces grandeurs (< 300 kHz) ce qui rend la mesure possible. La longueur d’onde d’´emission de ce type de laser est accordable sur quelques nanom`etres seulement. Nous disposons donc de deux diodes laser14 correspondant aux ZPL des centres NV- et SiV-.
La figure2.7repr´esente un sch´ema du montage optique correspondant au couplage du laser dans des fibres. Les deux lasers sont coupl´es dans des fibres optiques monomodes. Cela a deux avantages : premi`erement, la fibre monomode permet de filtrer spatialement l’´emission du laser. Ensuite, cela nous permet d’amener facilement le laser en diff´erents points du montage optique. Un mˆeme laser est coupl´e dans deux fibres. L’une est utilis´ee pour envoyer le laser vers l’´echantillon tandis que l’autre sert `a recueillir des informations spectrales sur l’´emission du laser. Le faisceau laser passe d’abord au travers d’un isolateur de Faraday afin de s’assurer que des photons du laser ne reviennent pas en arri`ere et ne perturbent le fonctionnement de la diode. La premi`ere lame demi-onde permet d’optimiser la puissance traversant l’isolateur. Ensuite, un obturateur permet de couper m´ ecanique-ment le faisceau laser. Il est ensuite s´epar´e en deux par un cube polariseur. La seconde lame demi-onde permet de contrˆoler la quantit´e de laser allant d’un cˆot´e et de l’autre. En g´en´eral, la voie B est envoy´ee vers un interf´erom`etre pour d´eterminer la fr´equence relative du laser. La voie A est en g´en´eral utilis´ee pour exciter l’´echantillon. Un filtre passe-bande accordable Semrock permet de couper la lumi`ere parasite ´emise par le laser. Ce filtre est plac´e sur la voie qui va permettre d’exciter l’´echantillon.
Le fait de disposer d’un microscope confocal avec deux voies fibr´ees permet d’en utiliser une pour exciter le syst`eme `a r´esonance tout en collectant la PL sur la PSB grˆace `a l’autre voie. L’alignement de l’excitation est assez simple. On optimise la collection de la PL de la ZPL dans une fibre monomode (Voie 1 du sch´ema2.6). On connecte ensuite la fibre dans laquelle est coupl´e le laser r´esonant `a la fibre dans laquelle la collection de la PL a ´et´e optimis´ee. En pratique, on connecte les voies A et 1. Pour la mesure de PLE, on collecte la PL sur la PSB par la voie 2. Un filtre est plac´e sur cette voie afin de couper la lumi`ere provenant du laser15.
La fr´equence du laser est balay´ee en faisant varier la position du r´eseau du laser qui est mont´e sur un actuateur pi´ezo´electrique. La tension de commande est g´en´er´ee par une
14. Toptica DL-Pro
-PBS 2 2 filtre laser obturateur isolateur Voie A Voie B
Figure 2.7 – Sch´ema du montage optique permettant de contrˆoler la puissance du laser r´esonant et de le coupler dans des fibres monomodes. PBS : cube polariseur (polarizing beam splitter )
carte d’acquisition et de contrˆole16 connect´ee `a l’ordinateur. Pour connaˆıtre l’amplitude du balayage en fr´equence, un interf´erom`etre de Michelson est utilis´e. Il est repr´esent´e sur la figure2.8-a). La voie B du laser est connect´ee `a l’entr´ee de l’interf´erom`etre de Michelson et l’intensit´e du signal en sortie est enregistr´ee `a l’aide d’une photodiode. L’intervalle spectral libre du Michelson est typiquement de 1 GHz. La figure 2.8-b) repr´esente l’intensit´e du signal (en bleu) en sortie de l’interf´erom`etre lorsque la tension de commande de la position du r´eseau est balay´ee. Cette tension est repr´esent´ee en rouge. On ne peut pas faire varier la fr´equence du laser sur des plages de plus d’une quinzaine de GHz sans observer de saut de mode du laser qui se caract´erise par un changement brutal de sa fr´equence. Cela limite donc la largeur mesurable par PLE. De plus, lorsque la fr´equence du laser varie de plusieurs GHz, sa puissance ´evolue aussi sensiblement. Il faut donc enregistrer syst´ematiquement la puissance en fonction de la fr´equence relative pour normaliser le signal de PLE.
t (s) 0 0.05 0.1 0.15 U (V) 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 BS entrée sortie a) b)
Figure 2.8 – a) Sch´ema de l’interf´erom`etre de Michelson utilis´e dans cette ´etude. BS : lame s´eparatrice beam splitter. b) Sont repr´esent´es en bleu l’intensit´e du signal mesur´ee par la photodiode en sortie de l’interf´erom`etre de Michelson en fonction du temps et en rouge, le signal de commande de la position du r´eseau g´en´er´e par la carte de cammande.
La carte d’acquisition et le programme Labview ´ecrit pendant cette th`ese permettent de synchroniser le signal de commande du laser et l’acquisition du taux de PL. On peut ainsi accumuler le signal sur plusieurs balayages ce qui am´eliore le rapport signal sur bruit. Ce programme permet aussi d’enregistrer le signal d’une photodiode en sortie de
l’interf´erom`etre en fonction de la tension appliqu´ee `a l’actuateur du r´eseau du laser afin de connaˆıtre la fr´equence relative ainsi que la puissance en fonction de cette tension de commande. Les lasers r´esonants pourront aussi servir `a mesurer l’extinction du faisceau par un dipˆole.