[论文解读] Stability of a high-finesse optical cavity at 493 nm in vacuum for cavity QED with Barium ions

Diptaranjan Das, Ezra Kassa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2026

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一句话总结

论文研究493 nm下高保真氧化物镀膜反射镜的真空和激光诱导降解，评估Ba+腔QED的可行性，并将激光诱导沉积识别为可能的损伤机制。

ABSTRACT

We explore the stability of a high-finesse optical cavity at 493 nm in vacuum for cavity QED with Barium ions. A high-finesse Fabry-Perot cavity is built using mirrors with high-reflectivity (HR) coatings that are implemented by stacking multiple thin films of low-loss dielectrics on substrates. Applications of such HR mirrors in the near ultraviolet (UV) range have been hampered by degradation of coatings in vacuum. Here, we explore the degradation of mirrors with HR coatings at 493 nm in vacuum. We study both vacuum-induced and laser-induced effects on oxide-coated cavity mirrors by probing changes in cavity loss using cavity lifetime measurements. We investigate the role of circulating power in the rate of increase in cavity loss and demonstrate methods of reversal of cavity degradation. While we observe no degradation without long exposure or with short exposures at lower circulating powers, we find evidence of degradation on long exposure to high circulating powers. We discuss potential causes and conclude that laser-induced deposition is the likely cause while ruling out thermally activated processes due to laser-induced heating.

研究动机与目标

• 评估493 nm下的HR氧化物镀膜镜在超高真空中长期是否降解。
• 确定真空诱导的氧耗或激光暴露是否驱动降解。
• 在不同循环功率和暴露时间下量化腔损耗/保真度的变化。
• 研究493 nm下Ba+腔QED应用的恢复机制及潜在缓解方法。

提出的方法

• 构建一个12.7 mm、半径为1000 mm的Fabry-Perot腔，使用HR493镜。
• 通过环降(transient)测量腔寿命并推断损耗（P_PD(t) ~ exp(-t/τ)）。
• 在~493.4 nm波长下，使用493 nm激光和稳定的986 nm激光倍频至493 nm以探测腔。
• 在真空条件下（约2×10^-8 mbar）并谨慎控制循环功率，监测几个月内的腔损耗。
• 测试两种降解情景：真空诱导（氧耗）和激光诱导（碳氢化合物沉积）。
• 通过比较TEM00、TEM01和TEM11的环降，分析降解的模态依赖性以定位损伤位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 长期暴露于真空是否会在493 nm下导致与Ba+腔QED相关的氧化镜降解？
• RQ2 在493 nm高循环功率下，激光诱导沉积是否为降解的主导机制？
• RQ3 循环功率如何影响腔损耗的速率，是否存在损伤的功率阈值？
• RQ4 是否可通过暴露于氧气实现降解的可逆性，397 nm照射是否加速恢复？

主要发现

• 真空诱导的降解在数月内可以忽略；损耗速率与零在测量误差之内（0.4±1.5）×10^-4 ppm/小时。
• 在高循环功率与较长暴露时间下观察到激光诱导降解，腔损耗从约30 ppm增加到>130 ppm，持续约800小时。
• 损伤似乎局部化在受照射点，且对高阶模态的损失较低，指示为激光诱导表面损伤，而非均匀扩散。
• 通过暴露于397 nm光和氧暴露可加速保真度恢复，在引入空气后观察到部分或完全的恢复。
• 热激活过程不太可能是降解的主要原因，因为功率依赖性不一致且顶层组成（Ta2O5/SiO2上的二氧化硅）不同。
• 结果支持在493 nm下使用Ba+进行低光子数腔QED的可行性，但在高腔内功率下存在锁定与损伤的担忧。