[논문 리뷰] Forced and self oscillations of optomechanical cavity

Stav Zaitsev, Alok Kumar Pandey외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 12.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 섬유 브라그 격자와 자유로이 매달린 금속 거울로 구성된 광기계 공진기에서 강제 진동과 자가진동을 실험적으로 조사한다. 광기계 결합이 기계적 공진자의 효과적인 진동수, 감쇠 및 비선형성에 영향을 미치며, 임계 광출력 이상에서 자가진동이 발생함을 보여주며, 주로 광흡수에 의한 가열에 의해 유도됨을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이동 가능한 금속 거울을 갖춘 섬유 기반 광기계 공진기에서 강제 및 자가진동의 역학을 조사하기 위해.
• 흡수성 금속 거울을 갖는 시스템에서 지배적인 광기계 결합 메커니즘을 규명하기 위해.
• 광출력이 기계적 공진 주파수, 감쇠율 및 삼차 비선형성에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• 실험적 관측 결과를 광기계 결합의 이론적 모델과 비교하여 검증하기 위해.

제안 방법

• 고정 거울로 섬유 브라그 격자를, 이동 가능한 거울로 자유로이 매달린 금속 막대를 사용하여 패러티-피에르 유사 공진기를 형성하였다.
• 기계적 진동을 자극하기 위해 가변 광출력을 적용하고, 소규모 진폭 영역에서의 기계적 반응을 측정하였다.
• 광출력에 따른 기계적 공진 주파수, 감쇠율 및 삼차 비선형성의 변화를 특성화하였다.
• 임계 광출력 임계값 이상에서 자가진동의 발생을 관측하였다.
• 실험 데이터를 이론적 모델과 비교하여 지배적인 결합 메커니즘을 추론하였다.
• 광흡수에 의한 열팽창을 통해 금속 거울에서의 광흡수가 광기계 결합의 주요 원인임을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 섬유 기반 광기계 공진기에서 광출력은 기계적 공진자 효과적인 매개변수(공진 주파수, 감쇠, 비선형성)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이 시스템에서 자가진동은 어느 광출력 임계값 이상에서 발생하는가?
• RQ3 흡수성 금속 거울 기반 공진기에서 광기계 결합을 유도하는 지배적인 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 광흡수에 의한 열팽창을 기반으로 한 이론적 모델이 실험 관측 결과를 어느 정도 정량적으로 재현하는가?

주요 결과

• 광기계 결합은 소규모 진동 영역에서 기계적 공진자 효과적인 공진 주파수, 감쇠율 및 삼차 비선형성에 측정 가능한 영향을 미친다.
• 임계 광출력 이상에서 마이크로기계 거울의 자가진동을 실험적으로 관측하였다.
• 이론적 모델링을 통해 금속 거울 내 광흡수가 주로 열팽창을 통해 지배적인 결합 메커니즘임을 확인하였다.
• 실험 데이터와 이론적 모델 간 양호한 정량적 일치를 발견하여 결합의 열기원을 검증하였다.
• 광학적 제어를 통해 기계적 특성을 조절 가능하므로, 센서 및 신호 처리 분야의 잠재적 응용이 가능하다.
• 관측된 광기계 효과는 흡수된 빛이 국소적 가열을 생성하고 기계적 운동을 유도하는 모델과 일관된다.