圖1：用Prime BSI sCMOS相機拍攝的廣域圖像，像素陣列顯示在軸標簽中。圖像上的大多數亮點是錫空位中心，強度按圖像右側的刻度進行縮放。

背景

蒂姆·施羅德博士在柏林洪堡大學的綜合量子光子學實驗室致力于理解、控制和開發量子研究的應用案例。在這個特定的項目中，馬滕·范德霍芬正在表征和研究金剛石納米結構中顏色中心的行為。這些顏色中心是極其穩定的單光子源，可以用來構建量子傳感器或具有高通信速率的量子通信設備。為了實現這一目標，馬滕正在尋找將這些量子系統耦合的方法，以盡可能有效地收集傳輸的光子。

對于金剛石中的色心，制造包含發射器的納米結構是一種眾所周知的方法，用于增強光子的提取。這些納米結構可以用于色心發射的單模光纖耦合，因為這是高光子收集效率的要求，也是集成系統的需求。

挑戰

為了檢測單個點源，這些點源在每毫秒內只有幾個光子的信號，需要一個具有非常高量子效率和非常低讀出噪聲的相機。之前使用了一種共聚焦掃描方法，但這種方法比同時定位許多數十或數百個色心要慢得多。

一個受良好控制的科學相機傳感器可以可靠地獲取檢測到的光子數量。其他不太優化的相機解決方案難以進行定量分析，需要頻繁校準，并且在偏移和圖像中包含有模式化的偽影，導致結果更差。此外，對于某些實驗，擁有足夠大的滿井容量以從非常暗到非常亮的信號水平獲取記錄是至關重要的——這只有在高位深度和良好的容量下才可能實現。

最后，色心的位置是隨機的，需要相對于鉆石上的地標進行定位，以便進行進一步處理。一個大視野傳感器將真正有助于加快整個過程，并使其非常可重復。

有了我們定制設置中的[Prime BSI]，我們可以進行以前無法進行的實驗。-----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相機對于他們的成像需求來說是一個非常好的解決方案，因為單個顏色中心可以被可靠地識別、可重復地定位和表征。Prime BSI已經成為顏色中心設置的首選成熟解決方案，這個小組最近為新系統購買了第二臺相機。

除了使用Teledyne Photometrics Prime BSI sCMOS相機進行寬場采集外，這個自行構建的系統還包括Teledyne Princeton Instruments SpectraPro HRS 500光譜儀，配備ProEM EMCCD相機。由于光譜數據只能在事件發生的地點揭示，因此需要基于相機圖像進行非常精確的定位，并通過高精度XY臺將光譜儀測量引導到需要所有組件之間微妙互動的預定位置。Prime BSI和SpectraPro的快速和準確組合能夠可靠地識別單個顏色中心的性質。憑借其astigmatism-corrected光路和可以切換和互換光柵轉盤的靈活性，SpectraPro HRS光譜儀是此系統中Prime BSI的理想合作伙伴。

總的來說，Maarten表示：“我們可以使用自行構建的裝置進行以前無法進行的實驗。將進一步努力改進整個系統，以獲得有關色心及其行為的更多見解，并最終推動我們在該研究小組的研究重點范圍內對色心的理解和應用的技術進步。”

審核編輯 黃宇