[论文解读] Scaling laws of the cavity enhancement for NV centers in diamond

Hanno Kaupp, Christian Deutsch+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 2

一句话总结

本研究通过高精细度的光纤基微腔，展示了氮空位（NV）中心在纳米 diamond 中的普尔塞效应增强的尺度定律。通过调节腔的模式体积和品质因数，作者实现了发射光谱密度最高达300倍的增强，从而实现了波长可调谐、窄带的单光子源，并为实现强耦合 regime 开辟了道路。

ABSTRACT

We employ a fiber-based optical microcavity with high finesse to study the enhancement of phonon sideband fluorescence of nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds. Harnessing the full tunability and open access of the resonator, we explicitly demonstrate the scaling laws of the Purcell enhancement by varying both the mode volume and the quality factor over a large range. While changes in the emission lifetime remain small in the regime of a broadband emitter, we observe an increase of the emission spectral density by up to a factor of 300. This gives a direct measure of the Purcell factor that could be achieved with this resonator and an emitter whose linewidth is narrower than the cavity linewidth. Our results show a method for the realization of wavelength-tunable narrow-band single-photon sources and demonstrate a system that has the potential to reach the strong-coupling regime.

研究动机与目标

• 通过独立调节腔的品质因数和模式体积，研究NV中心的普尔塞增强尺度。
• 确定在可调谐光学微腔中，窄线宽发射体可实现的最大普尔塞因子。
• 利用纳米 diamond 中的NV中心，实现波长可调谐、窄带的单光子源设计。
• 探索在腔量子电动力学中，利用NV中心实现强耦合 regime 的可行性。

提出的方法

• 采用高精细度的光纤基光学微腔，精确控制腔参数。
• 通过调节可调谐的腔参数，系统性地改变品质因数（Q）和模式体积（V），以探索Q/V尺度区域。
• 测量纳米 diamond 中NV中心的声子侧带荧光，以评估普尔塞增强效应。
• 通过分析腔调谐下发射光谱密度的变化，提取有效普尔塞因子。
• 利用谐振器的开放性与完全可调特性，覆盖广泛的腔参数范围。
• 将观测到的增强与普尔塞因子尺度定律的理论预测（F_P ∝ Q/V）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于纳米 diamond 中的NV中心，普尔塞增强如何随腔品质因数和模式体积的变化而变化？
• RQ2 在可调谐微腔中，NV中心荧光的光谱密度最大可增强多少？
• RQ3 观测到的增强是否可用于实现波长可调谐、窄带的单光子源？
• RQ4 该系统在腔量子电动力学中达到强耦合 regime 的潜力如何？

主要发现

• 由于微腔中的普尔塞增强，NV中心的发射光谱密度最高提升了300倍。
• 观测到的增强符合理论预测的Q/V依赖关系，证实了普尔塞因子尺度定律的有效性。
• 尽管对宽带发射体的发射寿命仅有微小变化，但光谱密度增强显著，表明场强局域化强烈。
• 该系统可实现腔共振的完全可调谐，从而实现对NV中心发射的波长选择性增强。
• 结果直接测量了线宽窄于腔线宽的发射体所能达到的最大普尔塞因子。
• 该平台在优化发射体与腔参数后，展现出实现强耦合 regime 的强大潜力。