[論文レビュー] Tenfold reduction of Brownian noise in optical interferometry

Garrett D. Cole, Wei Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 54被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、結晶性被膜——結晶性で機械的損失が極めて低い多層誘電体——をファブリペロー共振器のエンドミラーとして導入することで、光学干渉計におけるブラウン運動ノイズを10倍低減することを示した。新規被膜は、150,000のファインセスを達成し、室温での熱的制限ノイズフロアを実現し、従来の非晶質多層被膜を著しく上回った。

ABSTRACT

Thermally induced fluctuations impose a fundamental limit on precision measurement. In optical interferometry, the current bounds of stability and sensitivity are dictated by the excess mechanical damping of the high-reflectivity coatings that comprise the cavity end mirrors. Over the preceding decade, the mechanical loss of these amorphous multilayer reflectors has at best been reduced by a factor of two. Here we demonstrate a new paradigm in optical coating technology based on direct-bonded monocrystalline multilayers, which exhibit both intrinsically low mechanical loss and high optical quality. Employing these "crystalline coatings" as end mirrors in a Fabry-Pérot cavity, we obtain a finesse of 150,000. More importantly, at room temperature, we observe a thermally-limited noise floor consistent with a tenfold reduction in mechanical damping when compared with the best dielectric multilayers. These results pave the way for the next generation of ultra-sensitive interferometers, as well as for new levels of laser stability.

研究の動機と目的

• 光学干渉計における熱的フラクチュエーションによって引き起こされる根本的限界を克服すること。
• 現在の干渉計の感度と安定性を制限している高反射率誘電体被膜における過剰な機械的ダンピングを是正すること。
• 内在的に低機械的損失でありながら高い光学的品質を維持できる新しいクラスの光学被膜を開発すること。
• これらの被膜をファブリペロー共振器に実装し、性能向上を実証すること。
• 熱的駆動ノイズを低減することで、次世代の超高感度干渉計および高安定レーザーの実現を可能とすること。

提案手法

• エpitaxial成長技術を用いた直接接合式単結晶多層被膜の設計およびプロセス開発。
• これらの結晶性被膜を高ファインセスファブリペロー共振器のエンドミラーとして統合すること。
• 光学的品質および安定性を評価するため、共振器のファインセスを測定し、150,000を達成した。
• 熱的に誘起されるノイズ分光法を用いて、機械的ダンピングおよびブラウン運動ノイズレベルを定量すること。
• 室温における最新の非晶質誘電体被膜とのノイズ性能を比較すること。
• キャビティの安定化と正確なノイズ測定を可能とする二周波数レーザーロック方式を採用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単結晶多層被膜は、従来の非晶質誘電体と比較して機械的損失を低減できるか？
• RQ2 結晶性被膜は、光学干渉計における熱的ノイズフロアをどの程度改善できるか？
• RQ3 これらの新規被膜をファブリペロー共振器に使用した場合、達成可能なファインセスおよび光学的安定性はどの程度か？
• RQ4 機械的ダンピングの低減が、ブラウン運動ノイズ性能において測定可能な10倍の改善に繋がるか？
• RQ5 この被膜技術は、高精度干渉計における感度および安定性の新たな水準を実現できるか？

主な発見

• 結晶性被膜は150,000のキャビティファインセスを達成し、高い光学的品質と低い往復損失を示した。
• 室温条件下で測定された熱的制限ノイズフロアは、最高の非晶質多層被膜と比較して、機械的ダンピングが10倍低減していた。
• 新規被膜の機械的損失は、結晶材料の理論的限界と整合する水準まで低下した。
• ノイズ性能は直接測定され、熱的ノイズ低減の顕著な改善が確認された。
• 結果は、次世代の感度向上とレーザー安定性を有する干渉計への実現可能性を示した。
• 本研究は、単結晶被膜が、長年の材料的制限を克服し、低機械的損失と高い光学的性能を同時に達成できることを確立した。