Cavity Optomechanics and Optical Frequency Comb Generation with Silica Whispering-Gallery-Mode Microresonators
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Cavity Optomechanics and Optical Frequency Comb Generation with Silica Whispering-Gallery-Mode Microresonators Albert Schließer Dissertation an der Fakult¨at f¨ur Physik der Ludwig–Maximilians–Universit¨at M¨unchen vorgelegt von Albert Schließer aus M¨unchen Erstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. H¨ansch Zweitgutachter: Prof. Dr. J¨org P. Kotthaus Tag der m¨undlichen Pr¨ufung: 21. Oktober 2009 Meinen Eltern gewidmet. ii Danke An dieser Stelle m¨ochte ich mich bei allen bedanken, deren Unterst¨utzung maßgeblich f¨ur das Gelingen dieser Arbeit war. Prof. Theodor H¨ansch danke ich f¨urdie Betreuung der Arbeit und die Aufnahme in seiner Gruppe zu Beginn meiner Promotion. Seine Neugier und Originalit¨at, die die Atmosph¨are in der gesamten Abteilung pr¨agen, sind eine Quelle der Motivation und Inspiration. In dieser Abteilung war auch die Independent Junior Research Group “Laboratory of Photonics” von Prof. Tobias Kippenberg eingebettet. Als erster Doktorand in dieser Gruppe danke ich Tobias f¨ur die Gelegenheit, an der Mikroresonator-Forschung am MPQ von Anfang an mitzuwirken. Ich bin ihm auch zu Dank verpflichtet f¨urdie tollen Rahmenbedingungen, die er mit beispiellosem Elan und Organisationstalent innerhalb k¨urzester Zeit schuf — und die mit Independent wohl wesentlich treffender beschrieben sind denn mit Junior.Ausdenungez¨ahlteDiskussionenphysikalischerFragestel- lungen und Ideen aller Art, und seiner sportliche Herangehensweise an die Herausforderungen des Forschungsalltags habe ich einiges gelernt. Ich m¨ochte auch Prof. J¨org Kotthaus danken, f¨urdie M¨oglichkeit der Probenherstellung im Reinraum seiner Gruppe, und sein Interesse am Fort- gang dieser Arbeit. Ich freue mich, dass er sich schließlich auch dazu bereit erkl¨art hat, das Zweitgutachten zu ¨ubernehmen. Anfang 2006 bestand das “Laboratory of Photonics” noch aus zwei leeren Laborr¨aumen. Ich hatte das Gl¨uck, zu dieser Zeit im Frequenzkammla- bor der H¨ansch-Gruppe mitarbeiten zu k¨onnen. Die Zusammenarbeit mit Christoph Gohle und Thomas Udem hat mein Wissen in Sachen Fre- quenzmetrologie und Laserspektroskopie definitiv erweitert und viel Spaß gemacht—im Labor genauso wie in der U-Bahn und im Biergarten (wo es nat¨urlich nicht immer um Physik geht). Und weiter: Ohne die zahlreichen Leihgaben aus dem Frequenzkammla- bor h¨atte das “Laboratory of Photonics” wohl einen schwierigeren Start gehabt am MPQ. Zusammen mit dem tatkr¨aftigen Engagement derMaster- Studenten Aur´elien Kuhn und Rui Ma beim Einkauf und Aufbau der experimentellen Apparaturen konnten wir so schon nach wenigen Monaten die ersten Experimente mit Mikroresonatoren beginnen, und noch im selben Jahr die ersten Ergebnisse ver¨offentlichen. Pascal del’Haye,derindieserZeitzuunsstieß,bewiesdabeiein¨außerst geschicktes H¨andchen beim Herstellen immer besserer Proben. Es hat mich gefreut, dass er, und auch Georg Anetsberger sich nach ihrer Diplomar- beit dazu entschieden haben, bei uns weiterzumachen. Georg war mir nicht nur ein sehr angenehmer B¨urokollege, er leistete auch Schl¨u s s e l b e i t r ¨a g e z u m Verst¨andnis der mechanischen G¨uten. Vielleicht folgt Johannes Hofer,mit dem ich jetzt an den kristallinen Resonatoren arbeite, ja ihrem Beispiel. Mit meinen Mitstreitern Olivier Arcizet und R´emi Rivi`ere habe ich gelernt, was es bedeutet, ein schwieriges Experiment durchzuf¨uhren. Ohne R´emis effiziente Laborarbeit und seinen durch R¨uckschl¨ageallerArtunbeein- druckten Einsatz w¨aren die kryogenen Experimente nicht gelungen. Olivier ist nicht nur ein begabter Experimentalist, sondern brachteausParisauch derart umfangreiches physikalisches Wissen mit, dass die Diskussionen mit ihm immer eine Bereicherung waren. Am Forschungscampus Garching und ganz besonders am MPQ ist eine erstklassige Infrastruktur und eine F¨ulle von Expertenwissen konzentriert, wovon ich vielf¨altig profitieren konnte. Auf der wissenschaftlichen Seite m¨ochte ich mich besonders bei Wilhelm Zwerger, Ignacio Wilson-Rae, Janis Alnis, Thomas Becker und Ronald Holzwarth bedanken. Auf der technischen Seite leisteten unser Elektroniker Helmut Br¨uckner und die Techniker Charly Linner und Wolfgang Simon unsch¨atzbare Hilfe beim Aufbau eines jeden neuen Experiments. Wolfgangs F¨ahigkeiten, die ex- otischsten Probleme in einer eingeschobenen halben Stunde zu l¨osen, grenzen zuweilen an Zauberkunst. Achim Marx sei f¨ur den Zugang zu dem erstk- lassigen Elektronenmikroskop am Walther-Meißner Institutgedankt. Fritz Keilmann danke ich nicht nur f¨urwertvollen Rat und Unterst¨utzung, son- dern auch die Einladung zu den sch¨onen Ausfl¨ugen in die Alpen. Christina Becker, Ingrid Herrmann und Gabi Geschwendtner sei f¨ur ihre Un- terst¨utzung in administrativen Angelegenheiten gedankt.Esisttraurig,dass ich Rosemarie Lechner f¨ur ihre besonders tatkr¨aftige Hilfe nicht mehr pers¨onlich danken kann. Wissenschaftliches Arbeiten erfordert Ausdauer, und oft die F¨ahigkeit, ein Problem aus verschiedenen Richtungen anzugehen. Ohne die anregende Gesellschaft und den Humor meiner Kolleg(inn)en Xiaoqing, Thomas, Max, Katha, Jens, Christoph, Birgitta, Andreas und Ali w¨are das sicher betr¨achtlich schwieriger gewesen. Auf keinen Fall h¨atte ich auch den Ausgleich durch die stets am¨usanten freit¨aglichen Zusammenk¨unfte mit Christian, Matthias, Martin, µ und Simon missen wollen. Von meinen Freunden und meiner Familie habe ich sehr viel Unterst¨utzung erfahren, wann immer es darauf ankam. Daf¨ur bin ich sehr dankbar. iv Zusammenfassung In dieser Arbeit werden nichtlineare optische Effekte in den Fl¨ustergallerie- moden von Glas-Mikroresonatoren untersucht. Insbesonderewerdenopto- mechanische Effekte, und die Erzeugung von Frequenzk¨ammen studiert. Das in einem Resonator gespeicherte optische Feld koppeltuber ¨ seinen Strahlungsdruck an die mechanischen Freiheitsgrade der Resonatorw¨ande. Im Rahmen dieser Arbeit wurden optische Mikroresonatoren entwickelt, in denen das in Fl¨ustergalleriemoden gespeicherte Licht einestarkeoptomecha- nische Kopplung an mechanische Moden mit besonders geringerDissipation und hoher Oszillationsfrequenz (30–120 MHz) aufweist. Wir beobachten und analysieren den Effekt der dynamischen R¨uckwir- kung,beiderderStrahlungsdruckdieBewegungsdynamikdermechanischen Mode modifiziert. Insbesondere demonstrieren wir erstmalig, wie dieser Ef- fekt dazu benutzt werden kann, eine mechanische Mode durch Laserlicht abzuk¨uhlen. Die effektive Temperatur der mechanischen Modewirddabei durch die Messung von Positionsfluktuationen mithilfe optischer Interferome- trie bestimmt. Am Schrotrausch-Limit werden dadurch Ungenauigkeiten von 1 10−18 m/√Hz erreicht, die unterhalb der erwarteten quantenmechanischen · Nullpunktsfluktuationen der mechanischen Mode liegen. Wir demonstrieren die Laserk¨uhlung erstmalig auch im “aufgel¨osten Sei- tenband”-Regime, in dem die Photonenspeicherzeit wesentlich l¨anger ist als eine mechanische Oszillationsperiode, wie es zur Grundzustandsk¨uhlung er- forderlich ist. Heizmechanismen technischer Natur werden durch die Ver- wendung rauscharmer Laser und einer kryogenen Experimentumgebung un- terdr¨uckt. Damit wird die Okkupation der mechanischen Modebisauf n = " # 63 20 Anregungsquanten reduziert. Es konnte auch gezeigt werden, dass die ± interferometrische Positionsmessung eine nahezu ideale quanten-mechanische Messung darstellt, mit einem R¨uckwirkung-Ungenauigkeits-Produkt nahe dem Quantenlimit. Damit sind alle wesentlichen Bedingungenf¨urdieBe- obachtung von Quanteneffekten in mesoskopischen Oszillatoren erf¨ullt. In einer unabh¨angigen Serie von Experimenten wird die Kerr-Nichtlineari- t¨at in Glas-Mikroresonatoren untersucht. Durch Vierwellen-Mischen entsteht eine Kaskade von Seitenb¨andern zu einem Dauerstrichlaser.DieLiniendieses diskreten Spektrums ¨uberspannen mehr als 500 nm. Die relative Abwe- ichung der Linienfrequenzen von einem ¨aquidistanten Kamm-Spektrum wird in Pr¨azisionsmessungen auf 7 10−18 beschr¨ankt. Damit steht eine neuartige, · ultrakompakte Quelle f¨uroptische Frequenzk¨amme mit hohen Repetitions- raten (80 GHz–1 THz) zur Verf¨ugung, mit m¨oglichen Anwendungen in der Astronomie und Telekommunikationstechnologie. vi Abstract In this thesis, I report on the exploration of non-linear optical phenom- ena in silica whispering gallery mode (WGM) microcavities. In particular, optomechanical interactions, and the generation of opticalfrequencycombs due to the Kerr non-linearity of silica are investigated. Radiation pressure couples the optical field stored in a microcavity to mechanical degrees of freedom of its boundary. Our systematic survey of the mechanical modes present in silica WGM microcavities hasenabledengi- neering devices which exhibit strong optomechanical coupling between high- quality, radio-frequency (30–120 MHz) mechanical radial-breathing modes and ultra-high finesse optical WGMs. The finite build-up time of the intracavity field leads to complex dynam- ics in the optomechanical interaction. We observe and analyze the effect of dynamical backaction,inwhichtheradiation-pressureforcemodifiesthe dynamics of the mechanical mode. In particular, we demonstrate for the first time, how this effect can be exploited to optically cool a mechanical mode. Quantum-noise limited optical interferometry is employed for the measurement of mechanical displacement fluctuations, from which the ef- fective temperature of the mode is inferred. An imprecision at the level of 1 10−18 m/√Hz is reached, below the expected quantum mechanical zero- · point position fluctuations of the mechanical mode. For the first time, we demonstrate