[論文レビュー] Forced and self oscillations of optomechanical cavity

Stav Zaitsev, Alok Kumar Pandey+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2011

Mechanical and Optical Resonators被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ファイバー・ブレグ・グレーティングと自由に支持された金属ミラーからなるオプトメカニカルキャビティにおける強制振動および自己振動を実験的に調査した。光学力学結合が機械的共振子の有効周波数、減衰、非線形性を変化させることを示し、自己振動は臨界光パワーを超えると発生する。主な駆動要因は、光吸収に起因する加熱である。

ABSTRACT

We experimentally study forced and self oscillations of an optomechanical cavity which is formed between a fiber Bragg grating that serves as a static mirror and between a freely suspended metallic mechanical resonator that serves as a moving mirror. In the domain of small amplitude mechanical oscillations, we find that the optomechanical coupling is manifested as changes in the effective resonance frequency, damping rate and cubic nonlinearity of the mechanical resonator. Moreover, self oscillations of the micromechanical mirror are observed above a certain optical power threshold. A comparison between the experimental results and a theoretical model that we have recently presented yields a good agreement. The comparison also indicates that the dominant optomechanical coupling mechanism is the heating of the metallic mirror due to optical absorption.

研究の動機と目的

• 可動金属ミラーを有するファイバー型オプトメカニカルキャビティにおける強制振動および自己振動のダイナミクスを調査すること。
• 金属で吸収性の高いミラーを有する系における主要なオプトメカニカル結合メカニズムを特定すること。
• 光パワーが機械的共振周波数、減衰率、三次非線形性にどのように影響するかを定量すること。
• 実験的観察をオプトメカニカル結合の理論的モデルと照合して検証すること。

提案手法

• 固定ミラーとしてファイバー・ブレグ・グレーティング、可動ミラーとして自由に支持された金属膜を用いて、ファブリ・ペロー型キャビティを形成した。
• 可変な光パワーを印加して機械的振動を励起し、微小振幅領域における機械的応答を測定した。
• 光パワー関数としての機械的共振周波数、減衰率、三次非線形性の変化を特徴づけた。
• 臨界光パワー閾値を超えた領域で自己振動の発生を観測した。
• 実験データと理論モデルを比較し、支配的結合メカニズムを推定した。
• 金属ミラーにおける光吸収が、熱膨張を通じて主なオプトメカニカル結合の原因であると特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバー型オプトメカニカルキャビティにおいて、光パワーが有効な機械的パラメータ（共振周波数、減衰、非線形性）にどのように影響を与えるか。
• RQ2 この系において自己振動が発生する光パワーの閾値はどの程度か。
• RQ3 金属ミラーを用いたキャビティにおけるオプトメカニカル結合の主な物理的メカニズムは何か。
• RQ4 光吸収に起因する熱膨張に基づく理論モデルが、実験的観察をどの程度正確に再現できるか。

主な発見

• オプトメカニカル結合により、微小振幅振動領域における機械的共振子の有効共振周波数、減衰率、三次非線形性に測定可能な変化が生じた。
• 可動マイクロメカニカルミラーの自己振動が、明確に定義された光パワー閾値を超えて実験的に観測された。
• 理論的モデリングにより、金属ミラーにおける光吸収が支配的結合メカニズムであることが確認され、主に熱膨張によるものであった。
• 実験データと理論モデルの間で良好な定量的整合性が得られ、結合の熱的起源が裏付けられた。
• 光制御により機械的特性を調整可能であり、センシングや信号処理への応用が可能である。
• 観測されたオプトメカニカル効果は、吸収された光が局所的加熱を生成し、それによって機械的運動が駆動されるモデルと整合的である。