Expérience sur une source de photons uniques
HE Puyuan − PICHARD Grégoire − ACAR Ozan − YANG Yijun
Institut d’Optique Graduate School, le 4 mars 2020
Table des matières
Introduction . . . 1
1 Dispositif expérimental . . . 1
1.1 La source de photons uniques . . . 2
1.2 Le dispositif laser . . . 3
1.3 Utilisation d’une fibre monomode . . . 3
1.4 Objectif du microscope . . . 4
1.5 Fibre multimode et APD . . . 5
2 Résultats et interprétations . . . 5
Conclusion . . . 6
Introduction
Le but de l’expérience décrite ci-après est de prouver qu’une source de photons uniques émet bien des photons uniques. Cette expérience repose sur le fait que lorqu’un photon parvient sur une lame semi- réflechissante, il n’y a que deux chemins possibles pour le photon. Le photon passera par l’un des deux chemins (contrairement à un faisceau de photons qui est séparé en deux).
Figure 1 – Deux chemins possibles pour un photon unique Cette idée est représentée mathématiquement par la fonction d’auto- corrélation du second ordre, notéeg(2)(τ) :
g(2)(τ) = < n(t)n(t+τ)>
< n(t)>2
Pour une source de photons uniques elle doit idéalement valoir zéro en zéro.
1 Dispositif expérimental
On va donc chercher à mesurer par quel chemin passent les photons d’une source de photons uniques. Pour cela on place un détecteur de
1 DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL 2 photons à la sortie de chaque chemin. On va montrer qu’un photon ne
peut pas prendre les deux chemins en même temps, pas de coincidence sur les déctecteurs pour un même photon. L’experience se base sur le dispositif suivant :
Figure 2 – Dispositif expérimental
1.1 La source de photons uniques
Il nous faut une source de photons uniques : on choisit ici un échan- tillon contenant des nanodiamants présentant des centres NV (Nitrogen Vacancy center en anglais). Il s’agit de défauts ponctuels qui peuvent être présents dans la structure cristalline des diamants. Ces derniers possèdent des propriétés photoluminescentes qui leur permettent après excitation d’émettre des photons uniques (temps de vie des niveaux de l’ordre de 10ns) :
Figure 3 – Spectre des centres NV
L’intérêt d’une telle source est qu’elle possède un large spectre d’absorp- tion dans le vert et un large spectre d’émission dans le rouge. Une faible puissance (inférieure à 10mW) permet d’obtenir la fluorescence. On a un très faible blanchiment (photobleaching) : l’échantillon concerve ses propriétés photoluminescentes.
Ces défauts dans le diamant existe à l’état naturel mais il est aussi possible de les créer artificiellement par différentes méthodes (HPHT, CVD, Implantation).
L’échantillon que nous avons utilisé est un dépot de centres NV sur une plaque de silicium. Des marqueurs en or permettent de se situer sur l’échantillon :
Figure 4 – Schéma de notre échantillon
Au niveau du cercle rouge, on observe des graduations en or. Les centres NV sont répartis autour.
1.2 Le dispositif laser
Le laser va permettre d’exciter l’échantillon. On a choisi un laser à 532nm (cf. le spectre d’absorption des centres NV). Il faut veiller à utiliser un laser stable en puissance car l’objectif final est de collec- ter la fluorescence d’un unique centre NV. Si on a des fluctuations de puissances on aura des difficultés à interpréter la quantité de photons collectée par nos détecteurs.
En sortie du laser, on vient placer une lame demi-onde suivie d’un cube séparateur de polarisation (beam splitter). En tournant la lame demi-onde, on modifie la composante verticale et horizontale de la po- larisation incidente et donc on atténue ou intensifie la puissance en sortie du beam splitter (qui correspond à une des deux composantes).
Un piège optique permet de couper le faisceau dans l’autre direction.
Ce dispositif permet de moduler la puissance du laser.
1.3 Utilisation d’une fibre monomode
Dans le montage, on utilise deux fibres. La première (numéro 4 de la figure 2) est une fibre monomode à 532nm (avec un collimateur en entrée et en sortie). Elle permet de guider le faisceau laser jusqu’à la pupille de l’objectif. Avec cette fibre monomode on obtient en sortie un mode "propre", avec une répartition uniforme de l’intensité avant de focaliser sur l’échantillon. Il peut être intéressant de l’observer avec une lentille
Juste avant la fibre on place un agrandisseur de faisceau (numéro 3 de la figure 2). Ce dernier permet d’avoir une tache image plus petite en
sortie de collimateur et donc de bien rentrer dans la fibre (éviter de perdre des rayons lumineux, le coeur de la fibre est de l’ordre de 3µm).
Les éléments 1 à 3 du dispositif expérimental (figure 2) sont montés sur un banc optique afin de conserver un bon alignement.
On pourrait directement jouer sur les réglages de l’agrandisseur de fai- ceau pour l’injecter dans la fibre (on place alors le collimateur d’entrée sur le banc). Cependant expérimentalement, on a trouvé plus simple d’utiliser deux miroirs (munis de vis micrométriques) : l’un permet de régler le déplacment transverse du faiceau et l’autre l’angle.
Figure 5 – Injecter le fasceau dans la fibre monomode
On commence d’abord par régler l’alignement général. Ensuite on uti- lise le retour inverse da la lumière : on place un émetteur de faisceau laser (fiber checker 650nm) en sortie de la fibre et on joue sur les vis des différents éléments pour avoir un recouvrement spatial optimal des deux faisceaux. Une fois cette étape réalisée, on rebranche la fibre sur le collimateur de sortie : on devrait pouvoir observer un spot lumi- neux. On veille ensuite à optimiser la puissance de ce spot (utiliser un puissance-mètre à la bonne longueur d’onde est une bonne idée) en
1 DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL 4 jouant sur les réglages. Il faut jouer simultanément sur les vis des deux
miroirs car si par exemple on change l’angle avec l’un des miroirs alors il faut immédiatement réajuster sa position avec l’autre et inversement, pour avoir une bonne focalisation.
Il est peut être intéressant de créer son propre système afocale à l’aide de deux lentilles (pour remplacer l’agrandisseur de faisceau). Le point focal image de la première lentille est confondu avec le point focal objet de la deuxième lentille. En jouant sur la position de la deuxième lentille, ces deux points ne sont plus confondus et le faisceau de sortie n’est plus parallèle, ce qui change le point de focalisation en sortie du collimateur (reliée à la fibre). Ce réglage permet d’ajuster la position du point de focalisation au niveau de la fibre monomode et donc de gagner en puissance en sortie.
Figure 6 – Réglage avec un sytème afocal simple, déplacement de la deuxième lentille sur la figure du bas
Dans cette partie, il y a notamment deux points auxquels il faut faire attention : les fibres doivent être connectées aux collimateurs avec le bon embout (utiliser un adaptateur si nécessaire, PC, APC etc.) et on veille à sa sécurité (lunettes de protection, vigilance).
1.4 Objectif du microscope
L’objectif utilisé a une ouverture de 0.95 pour collecter le plus de lu- mière possible en provenance de l’échantillon (sachant que le diamant a un indice de réfraction de l’ordre de 2.4). Un système de deux miroirs permet d’aligner le faisceau à 532nm en sortie du collimateur de la fibre monomode et de le centrer sur la pupille de l’objectif. Le faisceau doit recouvrir la pupille de l’objectif (plus petite tache image).
Le premier miroir est un miroir dichroïque qui va laisser passer la fluo- rescence en transmission et couper le laser excitant. Le deuxième miroir permet de passer d’une configuration horizontale (fibres placées à l’ho- rizontal) à une configuration verticale (objectif du microscope).
Pour focaliser le faiceau vert sur l’échantillon, on utilise une platine avec des réglages fins (micrométriques X, Y, Z) et des réglages grossiers (Z).
On place l’échantillon au plus près de l’objectif puis dans le noir, on abaisse l’échantillon (réglages grossiers) jusqu’à observer un faisceau (un spot avec un diamètre de l’ordre du millimètre) en sortie du miroir dichroïque. On ajuste la focalisation (la puissance du spot de sortie) avec les réglages fins.
*** A faire : remplacer les réglages fins par une cale piézoélectrique (X, Y, Z). On contrôle ainsi les déplacements à l’aide de tensions com- mandables avec un ordinateur. Il n’y a plus de vibrations de la table dues à des appuis qui pouvaient exister avec le sytème précédent et surtout on peut créer une cartographie de notre échantillon. En effet le piézo permet un balayage X, Y de l’échantillon (plus ou moins ra-
pide) et avec les détecteurs de photons on trace un histogramme 2D du nombres de photons (nombre de photons pour un point (X,Y)). Les zones avec le plus de photons sont suceptibles d’être des centre NV (fluorescence).
Figure 7 – Exemple d’un histogramme 2D du nombre de photons détecté, on repère une zone de centres NV, source : M. HILBERER Sans ce sytème pour repérer les zones de fluorescence, on a projeté l’image en sortie de l’objectif (de l’échantillon) sur un mur à l’aide d’un cube séparateur de polarisation et on a essayé de se place avec les réglages X, Y sur la zone indiquée par le cercle rouge de la figure 4. Les centres NV sont répartis autour des graduations.
Figure 8 – On repère la neuvième graduation de l’échantillon
1.5 Fibre multimode et APD
Une fois les réglages précédents correctement effectués, on va venir focaliser le spot de fluorescence sur une fibre multimode directement reliée à nos détecteurs (APD) via un coupleur 50 %. Pour cela on utilise une simple lentille précédée d’un filtre. Ce dernier doit permettre de couper les photons provenant du laser à 532nm.
Cette fibre sert de ’pinhole’ ; le but est de récupérer uniquement les pho- tons provenant du point de focalisation du laser vert. C’est le principe du microscope confocal.
Les APD (Avalanche PhotoDiode) sont utilisées pour détecter un faible nombre de photons. C’est du matériel très couteux : il faut veiller à les alimenter correctement et à ne pas les éclairer avec un flux supérieur à 1000000 de photons par seconde. C’est pourquoi toutes les mesures doivent être réalisées dans le noir absolu : on utilise des draps noirs pour limiter les flux de lumière parasite.
Les APD utilisées ont un temps mort de l’ordre de 50ns. Dès qu’un photon est détecté par une APD, il doit envoyer un signal au deuxième APD. On note τ la durée à partir de laquelle le deuxième APD détecte un photon (à partir du moment où il a reçu le signal). Le but est ensuite de tracer un histogramme correspondant au nombre de photons détectés pour chaque valeur de τ : il s’agit de la représentation de la fonction g(2)(τ).
2 Résultats et interprétations
Nous avons tout d’abord testé une APD pour voir si le montage fonc- tionnait. Une fois bien focalisé sur l’échantillon, nous nous sommes déplacé dessus à l’aide des vis selon X et Y. Le nombre de photons détectés augmentent fortement lorque l’on se trouve sur des centre NV
2 RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONS 6 (au-delà de 50000 par seconde selon le montage et l’environnement).
Il ne faut pas que ce nombre se dégrade avec le temps (pour un point donné) pour être dû à la fluorescence.
L’idée a éte ensuite de placer à la place de la fibre multimode (ou en sortie), un spectromètre pour observer la fluorescence. Nous avons réussi à observer le spectre de fluorescence. Voici une image de ce que l’on a trouvé (malheureusement pas la meilleure) :
Figure 9 – Spectre de fluorescence (faible)
En théorie avec un tel montage, voici une représentation de la fonction g(2)(τ) à laquelle nous sommes censés aboutir :
Figure 10 – Courbe expérimentale de la fonction g(2)(τ), source : M.
HILBERER
On retrouve bien un trou dans le nombre de photons détectés au niveau de τ = 0. C’est la caractéristique que la source de photons émet bien des photons uniques. On peut par ailleurs montrer que la valeur en τ = 0 est propotionnelle au nombre de centre NV sur lequel on est focalisé selon la formule 1− 1
n, avec n, le nombre de centres NV, pour une courbe normalisée.
Conclusion
Ce projet expérimental fut fort enrichissant. Nous avons acquis de nom- breuses connaissances sur les sources de photons uniques et sur des pro- cédés d’optique en général (comme la microscopie confocale, les fibres).
Il nous a permis de nous familiariser avec des manipulations d’optiques classiques comme l’injection d’un faisceau laser dans une fibre ou du moins de consolider nos talents d’expérimentateur.
Voici le montage final auquel nous esperions aboutir :
Figure 11 – Montage Solidworks de la partie objectif
