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Cavity-Optomechanik

Cavity-Optomechanik

Wir erforschen die Kopplung von kohärentem Licht (Laserstrahlung) mit der Bewegung von mechanischen Objekten. In der Regel finden diese Untersuchungen in optischen Resonatoren (Cavities) statt. Neben makroskopischen Kopplungen wie dem Strahlungsdruck untersuchen wir auch mikro- und nanoskopische Effekte, insbesondere die Wechselwirkung des optischen Nahfeldes mit mikro- und nanostrukturierten Oberflächen (sogenannte Metaspiegel). Die Kopplung von thermischem Rauschen (Brownsche Bewegung) an das kohärente Lichtfeld ist der begrenzende Faktor für viele Hochpräzisionsanwendungen wie Gravitationswellendetektoren und optische Atomuhren. Durch die Untersuchung der Kopplungsmechanismen und die Entwicklung spezieller Metaspiegel lässt sich dieses Rauschen um mehrere Größenordnungen verringern. 

Rauscharme Metaspiegel
Rauscharme Metaspiegel

Das thermische Rauschen in optischen Komponenten stellt eine grundlegende Grenze für viele Laseranwendungen dar. Insbesondere die Gravitationswellendetektion und ultrastabile Laser für optische Atomuhren, Ionenfallen-Quantencomputer und die Telekommunikation im Weltraum profitieren von rauscharmen Optiken. Wir erforschen verschiedene Rauschmechanismen, die optische Signale stören, und entwickeln neuartige optische Komponenten mit geringerem Rauschen als die derzeit verwendeten.

Vor allem mikrostrukturierte Oberflächen weisen ein geringes Rauschen auf:

  • Brownian thermal noise in functional optical surfaces
    Kroker, S., et al. DOI: 10.1103/PhysRevD.96.022002
  • Influence of polarization and material on Brownian thermal noise of binary grating reflectors
    Dickmann, J., et al. DOI: 10.1016/j.physleta.2017.07.006

Andere Komponenten wie Strahlteiler weisen ebenfalls ein nicht zu vernachlässigendes Rauschen auf:

  • Thermal noise of beam splitters in laser gravitational wave detectors
    Dickmann, J., et al. DOI: 10.1103/PhysRevD.98.082002
  • Thermal noise computation of arbitrary masses in optical interferometers from first principles
    Dickmann, J. DOI: 10.1364/oe.438507

Wir entwickeln Hybridspiegel mit hohem Reflexionsvermögen und geringem Rauschen und untersuchen sie experimentell in unseren Labors.

  • Highly reflective low-noise etalon-based meta-mirror
    Dickmann, J., and Kroker, S. DOI: 10.1103/PhysRevD.98.082003
  • Experimental realization of a 12,000-finesse laser cavity based on a low-noise microstructured mirror
    Dickmann, J., et al. DOI: 10.1038/s42005-023-01131-1

Ebenso sind wir ständig auf der Suche nach neuen Lärmquellen:

  • Thermal charge carrier driven noise in transmissive semiconductor optics
    Bruns, F., et al. DOI: 10.1103/PhysRevD.102.022006
  • Thermally induced refractive index fluctuations in transmissive optical components and their influence on thesensitivity of Einstein telescope
    Meyer, J., et al. DOI: 10.1088/1361-6382/ac6e21

Kontakt: Dr. Johannes Dickmann

Cavity-Ringdown-Spektroskopie
Cavity-Ringdown-Spektroskopie

Die Messung sehr hoher Reflexionsgrade > 99,9 % ist eine Herausforderung, da der Unterschied zwischen der Eingangsleistung und der reflektierten Leistung sehr gering ist. Wir verfügen über einen Aufbau zur Messung sehr hoher Reflexionsgrade mit abnehmendem Messfehler, je höher der Reflexionsgrad des Spiegels ist: die Cavity-Ringdown-Spektroskopie.

Anstatt die Reflektivität direkt zu messen, wird ein optischer Resonator (Cavity) aufgebaut, der aus dem zu vermessenden Spiegel und einem Referenzspiegel besteht. Mit Hilfe eines durchstimmbaren Lasers wird in dem Hohlraum eine optische Resonanz gefunden. Dadurch entsteht ein starkes kohärentes Lichtfeld zwischen den beiden Spiegeln. Die Bestrahlung wird abgeschaltet und die Photonenlebensdauer in der Cavity wird gemessen. Dies ist ein Maß für das Reflexionsvermögen der Spiegel.

 

Mit dem Cavity-Ringdown untersuchen wir rauscharme mikrostrukturierte Spiegel und Hybridkonzepte mit geringem Rauschen und hoher Reflektivität:

  • Experimental realization of a 12,000-finesse laser cavity based on a low-noise microstructured mirror
    Dickmann, J., et al. DOI: 10.1038/s42005-023-01131-1

Kontakt: Dr. Johannes Dickmann

Cavity-Optomechanik für die Grundlagenforschung

Mit Hilfe von ultrastabilen Laserresonatoren können Gesetze
der fundamentalen Physik untersucht werden. Insbesondere
untersuchen wir die Wechselwirkung von Laserlicht
mit der Gravitation (spezielle und allgemeine Relativitätstheorie):

  • Impact of Earth's gravity on Gaussian beam propagation 
    in hemispherical cavities
    Ulbricht, S., et al. DOI: 10.1103/PhysRevD.104.062002
  • Gravitational light deflection in Earth-based laser cavity experiments
    Ulbricht, S., et al. DOI: 10.1103/PhysRevD.101.121501

Kontakt: Dr. Johannes Dickmann

Cavity-Optomechanik für die Grundlagenforschung
Untersuchung des mechanischen Q-Faktors
Untersuchung des mechanischen Q-Faktors

Eine der wichtigsten Größen für rauscharme Optiken ist der mechanische Qualitätsfaktor (oder mechanische Verlust). Genauer gesagt ist das Brownsche Rauschen von optischen Oberflächen proportional zum mechanischen Verlust. Wir untersuchen die mechanische Qualität verschiedener Materialsysteme in Abhängigkeit von Temperatur (auch kryogen), Geometrie und Messfrequenz:

  • Mode-dependent mechanical losses in disc resonators
    Cagnoli, G., et al. DOI: 10.1016/j.physleta.2017.05.065
  • Fabrication of SiO2 microcantilever arrays for mechanicalloss measurements
    Mariana, S., et al. DOI: 10.1088/2053-1591/aafab7

Kontakt: Dr. Johannes Dickmann, Nico Wagner

Optomechanische Lichtsteuerung
Optomechanische Lichtsteuerung

Wir untersuchen mikrostrukturierte Oberflächen, die eine stark ausgeprägte optomechanische Kopplung aufweisen. Insbesondere die gebundenen Zustände im Kontinuum sind für viele Anwendungen geeignet: Alloptische Lichtsteuerung, sättigbare Ausgangskoppler und optomechanische Erzeugung von nichtklassischem Licht:

  • Bound states in the continuum foroptomechanical 
    light control with dielectric metasurfaces
    Rojas Hurtado, C. B., et al. DOI: 10.1364/oe.392782

Kontakt: Dr. Johannes Dickmann

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