렌즈형 광섬유 브래그 격자

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 4937(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광기계 시스템은 광학장과 기계적 진동 간의 결합으로 인해 이점을 얻습니다. 광섬유 기반 장치는 이러한 상호 작용을 쉽게 활용하는 데 매우 적합합니다. 우리는 섬유 내에 새겨진 격자에 의해 형성된 고품질 인자 (\(10^6\)-\(10^7\)) Fabry-Perot의 중간에 있는 질화규소 막의 대안적 접근법을 보고합니다. 유전체 백미러 앞의 입력 미러로 코어를 사용합니다. 광학 공명 주파수에서 레이저 주파수를 안정화하는 데 사용되는 Pound-Drever-Hall 기술을 사용하면 저주파 잡음을 \({4}\,{{\mathrm{kHz}}/\sqrt{\mathrm{ 헤르츠}}}\). 우리는 수백 \({\mathrm{kHz}}\) 범위의 해당 공명 주파수와 함께 다양한 막 형상을 사용하여 이 안정화된 시스템의 광학적 및 광기계적 특성을 특성화하기 위한 자세한 방법론을 제시합니다. 우수한 장기 안정성은 레이저 소스를 광학 공진 상태로 유지하면서 며칠에 걸쳐 열역학적 소음 스펙트럼을 지속적으로 측정함으로써 입증됩니다. 이러한 주요 결과로 인해 이 시스템은 광기계적 감지에 이상적인 후보가 되었습니다.

Cavity optomechanics는 광학 및 기계 공진기를 사용하여 전자기 복사와 기계적 변위의 상호 작용을 탐구합니다. 이 결합은 매달린 마이크로거울이 있는 Fabry-Perot부터 이러한 공동의 기계적 중간막(이후 MIM으로 설명됨)까지 다양한 벌크 시스템에서 연구되었습니다. 부유형 마이크로디스크3, 광자 및 폭소닉 결정 시스템4,5,6 또는 속삭이는 갤러리 모드 공진기 기반 설정7,8,9,10,11과 같은 다중 통합 나노크기 장치도 구현되었습니다.

지난 20년 동안 다양한 응용 분야를 위한 수많은 광섬유 광기계 시스템이 등장했습니다. \(\hbox {CO}_2\) 레이저 가공(섬유 끝의 레이저 제거)12으로 형성된 반사율이 높은 브래그 격자 코팅 오목 섬유 끝면을 사용하여 높음에서 초고 정밀도(\(10^3\) 및 \(10^5\)) 섬유 기반 광기계적 공동을 구성할 수 있습니다. 이러한 설정은 기계적 공진기 특성과 공동의 광학 기교가 독립적으로 최적화될 수 있는 "중간 기계적 공진기" 시스템을 위한 탁월한 기반입니다(매달린 거울이 있는 Fabry-Perot와 달리). 브라운 운동을 광학적으로 측정하여 이러한 공동 한가운데에 있는 탄소 나노막대13 및 나노튜브14에 대한 연구가 수행되었습니다. 다른 그룹에서는 고품질 질화규소 멤브레인의 도입에 대해 연구했습니다. 이 섬유 기반 MIM 설정에 대한 첫 번째 연구는 분산형 광기계적 상호 작용(기계적 변위에 의해 유도된 광학 공명 주파수의 이동)을 통한 동적 역작용의 관찰을 수행했습니다. 광학적으로 유도된 기계적 공명 주파수 이동(광학 스프링 효과) 및 광기계적 감쇠15. 그 이후로 유사한 구성이 광학적으로 매개된 기계적 모드 혼성화에서 추가적인 소산 광기계적 상호 작용(기계적 변위에 따른 광학 손실의 이동)에 이르기까지 다양한 다른 흥미로운 특성과 관련된 동적 역작용 관찰과 함께 구성되었습니다. 마지막으로 Eyal Buks 그룹은 다양한 FBG(Fiber Bragg Gating) 기반 광기계 공동에 대해 작업했습니다. 그들의 시스템은 광섬유 코어에 새겨진 반사율이 높은 브래그 격자로 구성되며, 이는 \(\lambda ={1.55}\,{\upmu \text {m}에서 Fabry-Perot 공동의 정적 입력 거울 역할을 합니다. }\), 매달린 금속 백미러(직사각형 또는 빔 구조) 앞. 이 상황에서 광학 기교는 초저 손실 브래그 코팅 파이버 팁에 비해 FBG 반사율이 낮기 때문에 상대적으로 낮습니다(10 정도). 그들은 수동 정렬을 유도하는 연마된 섬유 끝 부분에 직접 고정된 금속 빔을 사용하거나 섬유의 끝 면에 접합된 등급 인덱스 렌즈를 통해 미세 기계 공진기에 빛을 집중시키는 등 다양한 구성을 설계했습니다. ,23. 광 흡수로 인한 금속 거울의 가열을 사용하여 특정 입력 임계값을 초과하는 볼로메트릭 자체 유지 진동이 관찰되었습니다. 우리가 아는 한, 이는 FBG 기반 광기계적 공동에 대한 유일한 연구입니다.

{100}\,{\mathrm{kHz}}\)) corresponds to the noise floor for the measurement of the optical resonance frequency fluctuations (oscillating above \({100}\,{\mathrm{kHz}}\)) induced by any sources. The typical optimal noise spectrum (“PDH on”) is compared to the spectrum without feeding the laser piezo with the correction signal (“PDH off”) in Fig. 2c. The PDH technique is intended to stabilize the system over long term. One can indeed clearly see a decrease of the low frequency noise (below \({50}\,{\mathrm{Hz}}\)) of more than 2 decades, which indicates a stabilization between the laser and the cavity frequency drifts. In addition, it has a negligible influence on the background noise in the high frequency regime (above \({100}\,{\mathrm{kHz}}\)). The setup is then adapted for long term measurement and for future sensing applications, which would require long acquisition time and a long-term stability./p>

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