圖1：用Prime BSI sCMOS相機(jī)拍攝的廣域圖像，像素陣列顯示在軸標(biāo)簽中。圖像上的大多數(shù)亮點(diǎn)是錫空位中心，強(qiáng)度按圖像右側(cè)的刻度進(jìn)行縮放。

背景

蒂姆·施羅德博士在柏林洪堡大學(xué)的綜合量子光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室致力于理解、控制和開(kāi)發(fā)量子研究的應(yīng)用案例。在這個(gè)特定的項(xiàng)目中，馬滕·范德霍芬正在表征和研究金剛石納米結(jié)構(gòu)中顏色中心的行為。這些顏色中心是極其穩(wěn)定的單光子源，可以用來(lái)構(gòu)建量子傳感器或具有高通信速率的量子通信設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，馬滕正在尋找將這些量子系統(tǒng)耦合的方法，以盡可能有效地收集傳輸?shù)墓庾印?/p>

對(duì)于金剛石中的色心，制造包含發(fā)射器的納米結(jié)構(gòu)是一種眾所周知的方法，用于增強(qiáng)光子的提取。這些納米結(jié)構(gòu)可以用于色心發(fā)射的單模光纖耦合，因?yàn)檫@是高光子收集效率的要求，也是集成系統(tǒng)的需求。

挑戰(zhàn)

為了檢測(cè)單個(gè)點(diǎn)源，這些點(diǎn)源在每毫秒內(nèi)只有幾個(gè)光子的信號(hào)，需要一個(gè)具有非常高量子效率和非常低讀出噪聲的相機(jī)。之前使用了一種共聚焦掃描方法，但這種方法比同時(shí)定位許多數(shù)十或數(shù)百個(gè)色心要慢得多。

一個(gè)受良好控制的科學(xué)相機(jī)傳感器可以可靠地獲取檢測(cè)到的光子數(shù)量。其他不太優(yōu)化的相機(jī)解決方案難以進(jìn)行定量分析，需要頻繁校準(zhǔn)，并且在偏移和圖像中包含有模式化的偽影，導(dǎo)致結(jié)果更差。此外，對(duì)于某些實(shí)驗(yàn)，擁有足夠大的滿井容量以從非常暗到非常亮的信號(hào)水平獲取記錄是至關(guān)重要的——這只有在高位深度和良好的容量下才可能實(shí)現(xiàn)。

最后，色心的位置是隨機(jī)的，需要相對(duì)于鉆石上的地標(biāo)進(jìn)行定位，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。一個(gè)大視野傳感器將真正有助于加快整個(gè)過(guò)程，并使其非?？芍貜?fù)。

有了我們定制設(shè)置中的[Prime BSI]，我們可以進(jìn)行以前無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。-----蒂姆·施羅德博士，馬滕·范德霍芬先生

解決方案

Maarten告訴我們，Prime BSI sCMOS相機(jī)對(duì)于他們的成像需求來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常好的解決方案，因?yàn)閱蝹€(gè)顏色中心可以被可靠地識(shí)別、可重復(fù)地定位和表征。Prime BSI已經(jīng)成為顏色中心設(shè)置的首選成熟解決方案，這個(gè)小組最近為新系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)了第二臺(tái)相機(jī)。

除了使用Teledyne Photometrics Prime BSI sCMOS相機(jī)進(jìn)行寬場(chǎng)采集外，這個(gè)自行構(gòu)建的系統(tǒng)還包括Teledyne Princeton Instruments SpectraPro HRS 500光譜儀，配備ProEM EMCCD相機(jī)。由于光譜數(shù)據(jù)只能在事件發(fā)生的地點(diǎn)揭示，因此需要基于相機(jī)圖像進(jìn)行非常精確的定位，并通過(guò)高精度XY臺(tái)將光譜儀測(cè)量引導(dǎo)到需要所有組件之間微妙互動(dòng)的預(yù)定位置。Prime BSI和SpectraPro的快速和準(zhǔn)確組合能夠可靠地識(shí)別單個(gè)顏色中心的性質(zhì)。憑借其astigmatism-corrected光路和可以切換和互換光柵轉(zhuǎn)盤(pán)的靈活性，SpectraPro HRS光譜儀是此系統(tǒng)中Prime BSI的理想合作伙伴。

總的來(lái)說(shuō)，Maarten表示：“我們可以使用自行構(gòu)建的裝置進(jìn)行以前無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。將進(jìn)一步努力改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)，以獲得有關(guān)色心及其行為的更多見(jiàn)解，并最終推動(dòng)我們?cè)谠撗芯啃〗M的研究重點(diǎn)范圍內(nèi)對(duì)色心的理解和應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步。”

審核編輯 黃宇