Cavity optomechanics and optical frequency comb generation with silica whispering-gallery-mode microresonators [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Albert Schließer

Albert Schliesser

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 15
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

Cavity Optomechanics and Optical
Frequency Comb Generation with
Silica Whispering-Gallery-Mode
Microresonators
Albert Schließer
Dissertation
an der Fakulta¨t fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
M¨unchen
vorgelegt von
Albert Schließer
aus Mu¨nchenErstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. H¨ansch
Zweitgutachter: Prof. Dr. J¨org P. Kotthaus
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 21. Oktober 2009Meinen Eltern gewidmet.iiDanke
An dieser Stelle mo¨chte ich mich bei allen bedanken, deren Unterstu¨tzung
maßgeblich fu¨r das Gelingen dieser Arbeit war.
Prof. Theodor H¨ansch danke ich fur¨ die Betreuung der Arbeit und die
AufnahmeinseinerGruppezuBeginnmeiner Promotion. SeineNeugierund
Originalita¨t, diedieAtmospha¨reindergesamten Abteilungpr¨agen, sindeine
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 fu¨r die Gelegenheit, an
der Mikroresonator-Forschung am MPQ von Anfang an mitzuwirken. Ich
bin ihm auch zu Dank verpflichtet fur¨ die tollen Rahmenbedingungen, die
er mit beispiellosem Elan und Organisationstalent innerhalb ku¨rzester Zeit
schuf — unddie mit Independent wohl wesentlich tre!enderbeschrieben sind
denn mit Junior.Ausdenungeza¨hlteDiskusionenphysikalischerFragestel-
lungen und Ideen aller Art, und seiner sportliche Herangehensweise an die
Herausforderungen des Forschungsalltags habe ich einiges gelernt.
Ich mo¨chte auch Prof. J¨org Kotthaus danken, fur¨ die 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
erkla¨rt hat, das Zweitgutachten zu u¨bernehmen.
Anfang 2006 bestand das “Laboratory of Photonics” noch aus zwei leeren
Laborr¨aumen. Ich hatte das Glu¨ck, 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
natur¨ lich 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 tatkraf¨ tigen 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 vero¨!entlichen.
Pascal del’Haye,derindieserZeitzuunsstieß,bewiesdabeiein¨außerst
geschicktes Han¨ dchen beim Herstellen immer besserer Proben. Es hat michgefreut, 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 Bu¨rokollege, er leistete auch Schl b u m
Verst¨andnis der mechanischen Gu¨ten. Vielleicht folgt JohannesHofer,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 durchzufu¨hren. Ohne
R´emis e"zienteLaborarbeitundseinendurchRu¨ckschla¨geallerArtunbeein-
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 Fu¨lle 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 Bru¨ckner und
die Techniker Charly Linner und Wolfgang Simon unsch¨atzbare Hilfe
beimAufbaueinesjedenneuenExperiments. WolfgangsF¨ahigkeiten, die ex-
otischsten Probleme in einer eingeschobenen halben Stundezul¨osen, grenzen
zuweilen an Zauberkunst. Achim Marx sei fu¨r den Zugang zu dem erstk-
lassigen Elektronenmikroskop am Walther-Meißner Institutgedankt.Fritz
Keilmann danke ich nicht nur fur¨ wertvollen Rat und Unterstut¨ zung, son-
dern auch die Einladung zu den sch¨onen Ausflug¨ en in die Alpen. Christina
Becker, Ingrid Herrmann und Gabi Geschwendtner sei fu¨r ihre Un-
terstu¨tzung in administrativen Angelegenheiten gedankt.Esisttraurig,das
ich Rosemarie Lechner f¨ur ihre besonders tatkr¨aftige Hilfe nicht mehr
pers¨onlich dankenkann.
Wissenschaftliches Arbeiten erfordert Ausdauer, und oft die Fa¨higkeit,
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 amus¨ anten freit¨aglichen Zusammenku¨nfte mit
Christian, Matthias, Martin, µ und Simon missen wollen.
Von meinen Freunden und meiner Familie habe ich sehr viel Unterstu¨tzung
erfahren, wann immer es darauf ankam. Dafu¨r bin ich sehr dankbar.
iv
z e g ¨a r t i e l e s s ¨uZusammenfassung
In dieser Arbeit werden nichtlineare optische E!ekte in den Flu¨stergallerie-
moden von Glas-Mikroresonatoren untersucht. Insbesonderewerdenopto-
mechanische E!ekte, und die Erzeugung von Frequenzk¨ammen studiert.
Das in einem Resonator gespeicherte optische Feld koppelt ub¨ er seinen
Strahlungsdruck an die mechanischen Freiheitsgrade der Resonatorw¨ande.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden optische Mikroresonatoren entwickelt, in
denen das in Flus¨ tergalleriemoden gespeicherte Licht einestarkeoptomecha-
nische Kopplung an mechanische Moden mit besonders geringerDissipation
und hoher Oszillationsfrequenz (30–120 MHz) aufweist.
Wir beobachten und analysieren den E!ekt der dynamischen Ru¨ckwir-
kung,beiderderStrahlungsdruckdieBewegungsdynamikdermechanischen
Mode modifiziert. Insbesondere demonstrieren wir erstmalig, wie dieser Ef-
fekt dazu benutzt werden kann, eine mechanische Mode durch Laserlicht
abzuku¨hlen. Die e!ektive Temperatur der mechanischen Modewirddabei
durchdieMessungvonPositionsfluktuationenmithilfeoptischerInterferome-
triebestimmt. AmSchrotrausch-LimitwerdendadurchUngenauigkeitenvon!
!181·10 m/ Hzerreicht, dieunterhalbder erwarteten quantenmechanischen
Nullpunktsfluktuationen der mechanischen Mode liegen.
Wir demonstrieren die Laserku¨hlung erstmalig auch im “aufgelos¨ ten Sei-
tenband”-Regime, in dem die Photonenspeicherzeit wesentlich l¨anger ist als
eine mechanische Oszillationsperiode, wie es zur Grundzustandsku¨hlung er-
forderlich ist. Heizmechanismen technischer Natur werden durch die Ver-
wendung rauscharmer Laser und einer kryogenen Experimentumgebung un-
terdru¨ckt. Damit wird die Okkupationdermechanischen Modebisauf"n# =
63±20 Anregungsquantenreduziert. Eskonnteauchgezeigt werden, dassdie
interferometrische Positionsmessung einenahezuideale quanten-mechanische
Messung darstellt, mit einem Ru¨ckwirkung-Ungenauigkeits-Produkt nahe
dem Quantenlimit. Damit sind alle wesentlichen Bedingungenfu¨rdieBe-
obachtung von Quantene!ekten in mesoskopischen Oszillatoren erfu¨llt.
Ineinerunabha¨ngigenSerievonExperimentenwirddieKerr-Nichtlineari-
t¨atinGlas-Mikroresonatoren untersucht. DurchVierwellen-Mischenentsteht
eineKaskadevonSeitenba¨ndernzueinemDauerstrichlaser.DieLiniendieses
diskreten Spektrums ub¨ erspannen mehr als 500nm. Die relative Abwe-
ichung der Linienfrequenzen von einem a¨quidistanten Kamm-Spektrumwird
!18in Pra¨zisionsmessungen auf 7·10 beschr¨ankt. Damitstehteineneuartige,
ultrakompakte Quelle fur¨ optische Frequenzk¨amme mit hohen Repetitions-
raten (80GHz–1THz) zur Verfu¨gung, mit m¨oglichen Anwendungen in der
Astronomie und Telekommunikationstechnologie.viAbstract
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