[论文解读] Phase-noise induced limitations in resolved-sideband cavity cooling of mechanical resonators

Peter Rabl, Claudiu Genes+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2009

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本文研究了激光相位噪声如何限制光机械系统中的冷却与相干动力学，表明由相位噪声引起的强度涨落主导了加热效应，对最终占据数设定了线性极限，且该极限与腔体强度成正比。尽管如此，在实际条件下，基态冷却与相干操作仍具有实验可行性。

ABSTRACT

We present a detailed theoretical discussion of the effects of ubiquitous laser noise on cooling and the coherent dynamics in opto-mechanical systems. Phase fluctuations of the driving laser induce modulations of the linearized opto-mechanical coupling as well as a fluctuating force on the mirror due to variations of the mean cavity intensity. We first evaluate the influence of both effects on cavity cooling and find that for a small laser linewidth the dominant heating mechanism arises from intensity fluctuations. The resulting limit on the final occupation number scales linearly with the cavity intensity both under weak and strong coupling conditions. For the strong coupling regime, we also determine the effect of phase noise on the coherent transfer of single excitations between the cavity and the mechanical resonator and obtain a similar conclusion. Our results show that conditions for optical ground state cooling and coherent operations are experimentally feasible and thus laser phase noise does pose a challenge but not a stringent limitation for opto-mechanical systems.

研究动机与目标

• 分析激光相位噪声对光机械系统中分辨边带腔冷却的影响。
• 区分相位噪声对光机械耦合的影响与由强度波动引起的镜面涨落力的影响。
• 确定在弱耦合与强耦合 regimes 下的主导加热机制。
• 评估相位噪声对腔与机械模式之间单激发相干转移的影响。
• 评估尽管存在激光噪声，实验实现基态冷却与相干操作是否仍具可行性。

提出的方法

• 使用包含激光相位与强度涨落的线性化运动方程对光机械系统进行建模。
• 在相位噪声条件下推导有效哈密顿量，以分析其对耦合强度与镜面涨落力的影响。
• 采用主方程方法评估相位噪声下的冷却速率与最终占据数。
• 分析强耦合 regime，以评估腔与机械模式之间相干态转移的保真度。
• 比较由相位噪声引起的耦合调制与由强度引起的力波动的贡献。
• 使用微扰分析表明，强度涨落主导加热效应，尤其在激光线宽较小时更为显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 在腔冷却中，激光相位噪声的哪个分量——对光机械耦合的调制，还是由强度波动引起的涨落力——主导了加热效应？
• RQ2 在相位噪声下，机械谐振子的最终占据数如何随腔体强度变化？
• RQ3 相位噪声对强耦合 regime 下的相干单激发转移有何影响？
• RQ4 尽管存在激光相位噪声，是否仍可实现光学基态冷却？
• RQ5 相位噪声是否对在光机械系统中实现相干操作构成严格限制？

主要发现

• 在激光线宽较小时，由相位噪声引起的强度涨落是腔冷却中主导的加热机制。
• 最终占据数在弱耦合与强耦合 regime 下均与腔体强度呈线性关系。
• 相位噪声引起的耦合调制对加热的影响小于强度涨落的影响。
• 在典型实验条件下，由强度波动引起的镜面涨落力是主要的加热源。
• 尽管存在相位噪声，实现光学基态冷却与相干操作的条件在实验上仍具可行性。
• 结果表明，激光相位噪声虽构成挑战，但并非光机械冷却与量子调控的根本限制。