[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究通过实验研究了由光纤布拉格光栅和自由悬挂的金属膜镜组成的光机械腔中的受迫振荡和自激振荡。结果表明，光机械耦合改变了机械谐振器的有效频率、阻尼和非线性特性，当光功率超过某一阈值时，自激振荡开始出现，主要由光吸收引起的热致效应驱动。

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.

研究动机与目标

• 研究基于光纤的光机械腔中可移动金属膜镜的受迫振荡和自激振荡动力学。
• 识别在具有金属吸收镜的系统中主导的光机械耦合机制。
• 量化光功率对机械谐振频率、阻尼率和三次非线性度的调制作用。
• 将实验观测结果与光机械耦合理论模型进行对比验证。

提出的方法

• 采用光纤布拉格光栅作为固定镜，自由悬挂的金属膜作为可动镜，构成法布里-珀罗型腔。
• 施加可变光功率以激发机械振荡，并在小振幅条件下测量相应的机械响应。
• 表征机械谐振频率、阻尼率和三次非线性度随光功率的变化。
• 观测到在临界光功率阈值以上出现自激振荡。
• 将实验数据与理论模型对比，推断主导耦合机制。
• 确认金属镜中的光吸收是主要的光机械耦合来源，其机制主要通过热膨胀实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 光功率如何影响基于光纤的光机械腔中机械谐振器的有效参数（谐振频率、阻尼、非线性）？
• RQ2 该系统中自激振荡在何种光功率阈值下开始出现？
• RQ3 在基于金属镜的光机械腔中，主导的物理耦合机制是什么？
• RQ4 基于光吸收引起的热膨胀的理论模型在多大程度上能再现实验观测结果？

主要发现

• 光机械耦合在小振幅振荡条件下，可引起机械谐振器有效谐振频率、阻尼率和三次非线性度的可测量变化。
• 在明确的光功率阈值以上，实验观测到了微机械镜的自激振荡。
• 理论建模证实，金属镜中的光吸收是主导耦合机制，主要通过热膨胀实现。
• 实验数据与理论模型之间具有良好的定量一致性，验证了耦合的热起源。
• 该系统可通过光控实现机械特性的可调谐，具有在传感和信号处理中应用的潜力。
• 观测到的光机械效应与吸收光产生局域加热并驱动机械运动的模型一致。