Development of confocal microscope for polarimetry of semiconductor nano-structures

Abstract

La microscopie confocale est un outil d'imagerie essentiel pour les systèmes biologiques, en physique du solide et en nano-photonique. L'utilisation d’un tel microscope permet de réaliser des mesures de fluorescence résonante, où la lumière émise a la même longueur d'onde que la source. Ces mesures difficiles sont menées en condition de polarisation croisée linéaire, rejetant la lumière laser du détecteur. Dans ce travail, nous expliquons pour la première fois les mécanismes physiques du taux de rejet de polarisation élevé encore inexpliqué qui rend possible les mesures de fluorescence résonante. Nous montrons à la fois dans l'expérience et la théorie que l'utilisation d'une surface réfléchissante (le séparateur de faisceau et les miroirs) placée entre deux polariseurs en combinaison avec un arrangement confocal explique le taux d'extinction géant de 10^8 et au-delà. Nous illustrons la transformation modale du faisceau gaussien polarisé. Nous trouvons un «trou» d'intensité dans le faisceau réfléchi dans ces conditions. Nous interprétons cela comme une manifestation de l'effet Imbert-Fedorov. Nous confirmons ces résultats pour une grande variété de miroirs et polariseurs disponibles dans le commerce, permettant leur mise en œuvre pratique dans de nombreuses expériences. Par la suite, nous avons exploré un aspect plus fondamental de l'optique pour tester notre modèle. Le décalage d'Imbert-Fedorov, également connu comme l'«effet de spin-hall de la lumière», a d'abord été mesuré pour un faisceau laser de lumière polarisée circulairement dans un prisme de verre en condition de réflectivité interne totale. En fonction de la chiralité de sa polarisation, la trajectoire d'un faisceau polarisé circulairement se déplacera au-dessus ou au-dessous du plan de réflectivité lorsqu'il est réfléchi sur une surface. Ce décalage est dû au couplage spin-orbite de la lumière à chaque réflexion et est normalement très petit, typiquement, plusieurs ordres de grandeur plus petits que la longueur d'onde du photon. Pour cette raison, il était auparavant nécessaire d'utiliser des schémas de détection complexes limitant les investigations expérimentales. Ici, nous rapportons une nouvelle méthode pour mesurer et illustrer ce décalage basée sur une technique de polarisation croisée en champ sombre dans un arrangement confocal. Dans cette configuration, la majorité des photons réfléchis par le miroir qui ne contribuent pas au décalage sont filtrés. Les photons minoritaires possèdent la chiralité appropriée pour le couplage spin-orbite permettant ainsi le grossissement du décalage de plusieurs ordres de grandeur. Nous avons vérifié que le décalage hors plan d'incidence mesuré de cette manière est une conséquence directe de la conservation du moment cinétique total. En se basant sur notre modèle dérivé en première partie, nous avons vérifié expérimentalement que le décalage augmente de manière significative en diminuant l'angle d'incidence, ceci, à notre connaissance, est un nouveau régime qui n'a pas été exploré. Le modèle montre un excellent accord avec nos mesures effectuées sur un mirror métallique. En particulier, le modèle révèle un régime d'angle d'incidence inférieur en dessous duquel l'approche simpliste de la quasi-onde plane mène à une divergence non physique du décalage. Dans un tel régime, notre modèle élimine cette divergence de décalage et prédit une transformation modale des photons minoritaires réfléchis vers le mode Hermit-Gaussien supérieur suivant d'une manière similaire à celle explorée dans la première partie de ce travail. Les premières données indiquent la transition vers un tel régime. Enfin, ces travaux ouvrent la voie à la conception méthodique de microscopes à fluorescence résonante laser sensibles à extinction de fond extrême, pour une large gamme d'applications en optique quantique et en physique du solide. Les méthodes développées ici peuvent également être appliquées pour mesurer les propriétés optiques des matériaux.Confocal microscopy is an essential imaging tool for biological systems, in solid-state physics and nano-photonics. Using confocal microscopes allows performing resonant fluorescence experiments, where the emitted light has the same wavelength as the excitation laser. Theses challenging experiments are carried out under linear cross-polarization conditions, rejecting laser light from the detector. In this work, we uncover for the first time the physical mechanisms that are at the origin of the yet unexplained high polarization rejection ratio which makes the resonant fluorescence measurements possible. We show in both experiment and theory that the use of a reflecting surface (i.e. the beam-splitter and mirrors) placed between two polarizers in combination with a confocal arrangement explains the giant cross-polarization extinction ratio of 10^8 and beyond. We map the modal transformation of the polarized optical Gaussian beam. We find an intensity “hole” in the reflected beam under cross-polarization conditions. We interpret this as a manifestation of the Imbert-Fedorov effect. We confirm these experimental findings for a large variety of commercially available mirrors and polarizers, allowing their practical implementation in many experiments. Learning from this first part, we moved our exploration to a more fundamental aspect of optics in order to test the predictive power of the model. The Imbert-Fedorov shift, also known as "spin-hall effect of light", was first measured for a laser beam of circularly polarized light in a glass prism under total internal reflectivity condition. Depending on the chirality of its circular polarization, the trajectory of a circularly polarized beam will shift above or below the plane of reflectivity when reflected off a surface. This shift is due to spin-orbit coupling of light upon each reflection and is normally very small, typically, several order of magnitudes smaller than the photon wavelength. For this reason, it has previously required using complex detection schemes limiting detailed experimental investigations. Here, we report about a novel method to measure and map the Imbert-Fedorov shift based on a dark-field cross-polarization technique in a confocal arrangement. In our proposed dark-field configuration in circular polarization, the majority photons reflected off a silver surface that are not contributing to the shift are filtered-out. The minority photons possess the proper chirality for spin-orbit coupling enabling this way the magnification of the Imbert-Fedorov shift by several orders of magnitudes. We verified that the out-of-plane-of-incidence shift measured this way is a direct consequence of the conservation of total angular momentum. Building on our detailed model for Gaussian beams derived for the first part of this work we have verified quantitatively experimentally that the shift increases significantly when decreasing the angle of incidence, this, to the best of our knowledge, is a novel regime that was not explored previously. The analytical model show an excellent agreement with our measurements performed on high reflectivity metals such as silver. In particular, the model reveals clearly a regime of lower angle of incidence below which the simplistic approach of quasi plane-wave would lead to an unphysical divergence of the shift at vanishing angles. In such a low angle regime, our model eliminates this shift divergence and predicts instead a modal transformation of the reflected minority photons to the next higher Hermit-Gaussian mode in a way very similar to that explored in the first part of this work. First data indicate the transition into such a regime. Finally, this work opens the way to methodical design of sensitive laser resonant-fluorescence microscopes with extreme background extinction, for a broad range of applications in quantum optics and solid-state physics. The new methods developed here can also be applied for measuring material optical properties