[논문 리뷰] Nonlinear multi-frequency phonon lasers with active levitated optomechanics

Tengfang Kuang, Ran Huang외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 12.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 활성 레벨리티드 옵티omechanics를 이용한 첫 번째 비선형 다주파수 진동수 레이저를 보여주며, 광학 트랩에 갇힌 Yb3+-도핑된 마이크로스피어가 산란 손실을 보완하고 비산란 결합을 통해 기본 모드 레이저 작동과 기계적 고조파의 자발적 생성을 가능하게 한다. 이 시스템은 3배의 진폭 향상을 달성하고 다중 주파수 간의 공진기적 진동수 상관관계를 관측하여 센서 및 양자 제어 분야에 새로운 응용 가능성을 열어 놓는다.

ABSTRACT

Phonon lasers, exploiting coherent amplifications of phonons, have been a cornerstone for exploring nonlinear phononics, imaging nanomaterial structures, and operating phononic devices. Very recently, by levitating a nanosphere in an optical tweezer, a single-mode phonon laser governed by dispersive optomechanical coupling has been demonstrated, assisted by alternating mechanical nonlinear cooling and linear heating. Such levitated optomechanical (LOM) devices, with minimal noises in high vacuum, can allow flexible control of large-mass objects without any internal discrete energy levels. However, untill now, it is still elusive to realize phonon lasing with levitated microscale objects, due to much stronger optical scattering losses. Here, by employing a Yb3+-doped active system, we report the first experiment on nonlinear multi-frequency phonon lasers with a micro-size sphere governed instead by dissipative LOM coupling. In this work, active gain plays a key role since not only 3-order enhancement can be achieved for the amplitude of the fundamental-mode phonon lasing, compared with the passive device, but also nonlinear mechanical harmonics can emerge spontaneously above the lasing threshold. Furthermore, for the first time, coherent correlations of phonons are observed for both the fundamental mode and its harmonics. Our work drives the field of LOM technology into a new regime where it becomes promising to engineer collective motional properties of typical micro-size objects, such as atmospheric particulates and living cells, for a wide range of applications in e.g., acoustic sensing, gravimetry, and inertial navigation.

연구 동기 및 목표

• 고진공에서의 미세 크기 레벨리티드 물체에서의 높은 광학 산란 손실로 인한 약한 진동수 레이저 문제를 해결하기 위해.
• Yb3+-도핑된 물질을 통한 활성 증폭을 도입하여 단일 마이크로스피어에서 다주파수 진동수 레이저 작동을 가능하게 하기 위해.
• 레벨리티드 시스템에서 기본 모드와 고조파 모드 간의 공진기적 상관관계를 입증하기 위해.
• 세포 및 미세 입자와 같은 미세 크기 물체의 집단 운동 상태를 공 ingeering하기 위해 레벨리티드 옵티omechanics를 새로운 영역으로 확장하기 위해.
• 활성 냉각과 산란 결합을 통해 비선형 진동수 레이저의 출력 진폭을 향상시키고 안정적인 고조파 생성을 실현하기 위해.

제안 방법

• 고진공 광학 트랩에 갇힌 Yb3+-도핑된 마이크로스피어를 사용하여 활성 광학 증폭을 제공하기 위해.
• 분산 결합 대신 산란 결합을 이용하여 진동수 레이저 효율을 향상시키기 위해.
• 열 노이즈를 억제하고 기계 모드를 안정화하기 위해 활성 냉각을 구현하기 위해.
• 펌프 레이저를 적용하여 레이저 임계값을 초과시켜 비선형 고조파 생성을 유도하기 위해.
• 측정된 측면선 스펙트로스코피를 통해 기본 모드와 고조파 모드의 진동수 진폭과 공진기적 성질을 검출하기 위해.
• 광학 산란 손실을 보완하기 위해 활성 증폭을 적용하여 미세 크기 시스템에서의 레이저 작동을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Yb3+-도핑된 마이크로스피어에서의 활성 증폭이 광학 산란 손실을 극복하여 미세 크기 레벨리티드 시스템에서의 진동수 레이저 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 활성 레벨리티드 시스템에서의 산란 결합이 비선형 다주파수 진동수 레이저 작동을 지원하는가?
• RQ3 기본 모드와 고조파에서 동시에 공진기적 진동수 상관관계를 관측할 수 있는가?
• RQ4 활성 증폭이 수동 시스템에 비해 진동수 레이저의 진폭을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 센서 응용을 위해 활성 레벨리티드 옵티omechanics를 이용해 미세 크기 물체의 집단 운동 상태를 공 ingeering할 수 있는가?

주요 결과

• 활성 레벨리티드 옵티ome카닉스 시스템은 수동 장치 대비 기본 모드 진동수 레이저의 진폭을 3배로 향상시켰다.
• 레이저 임계값을 초과한 이후 비선형 기계적 고조파가 자발적으로 발생하여 강력한 자가 지속 진동을 나타낸다.
• 기본 진동수 모드와 고조파 모드 간에 공진기적 상관관계가 관측되어 기계 시스템 내에서 양자 유사 공진기적 성질을 확인한다.
• 산란 결합을 통한 옵티ome카닉스 결합 방식을 통해 고진공에서의 높은 광학 산란 손실에도 불구하고 안정적인 레이저 작동이 가능하다.
• 활성 증폭 메커니즘이 열 노이즈를 억제하고 이전에는 손실 제한으로 인해 적합하지 않다고 여겨졌던 미세 크기 물체에서도 레이저 작동을 가능하게 한다.
• 이 연구는 활성 레벨리티드 옵티ome카닉스를 이용한 단일 마이크로스피어에서의 다주파수 진동수 레이저 작동의 첫 실험적 실현을 보여준다.