Оптические мега и микрорезонаторы Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью Размер <100. - презентация

1 Оптические мега и микрорезонаторы Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью Размер

2 Гравитационные волны Нобелевская премия 1993 года (косвенное подтверждения)

3 США (LIGO) антенны 4 км км Франция-Италия Германия-Англия (VIRGO) 3 км (GEO-600)600м Япония (TAMA) – 300 m Россия: 2 научные группы

4 Гравитационные антенны [М.Е.Герценштейн, В.И.Пустовойт // ЖЭТФ, 1962, Т.43, Вып. 2(8), С. 605]

5 Чувствительность антенны h + = L= км = м L

6

7

8 Ограничения чувствительности лазерных гравитационных антенн 1. Фазовые шумы измерительного лазера (дробовой шум) 2.Флуктуации радиационного давления 3. Шумы подвеса 4. Шумы зеркал 5. Сейсмические шумы 6. Флуктуации земной гравитации 6. Технические шумы

9 Шумы в зеркалах резонаторов l, n

10 Термоупругий шум V.B.Braginsky, M.L.Gorodetsky and S.P.Vyatchanin Phys. Letts A264 (1999) 1.

11 Большое множество разнообразных видов шумов, в которых пытаемся разобраться.

12 Частотные зависимости основных шумов из зоопарка в зеркалах лазерных гравитационных антенн.

13 Большое множество разнообразных видов шумов, в которых пытаемся разобраться.

14 1910 Рэлей объясняет акустические эффекты 1910 Рэлей объясняет акустические эффекты шепчущей галереи собора св. Павла в Лондонешепчущей галереи собора св. Павла в Лондоне 1939 Рихтмайер: добротность может быть очень велика 1939 Рихтмайер: добротность может быть очень велика 1977 Ашкин и Джиджич. Узкие резонансы при рассеянии света на каплях 1977 Ашкин и Джиджич. Узкие резонансы при рассеянии света на каплях 1987 Брагинский и Ильченко. СВЧ кольцевые резонаторы. Добротность Брагинский и Ильченко. СВЧ кольцевые резонаторы. Добротность 10 9 Предыстория микрорезонаторов с модами шепчущей галереи

15 Брагинский, Городецкий, Ильченко Брагинский, Городецкий, Ильченко. Оптические микрорезонаторы из плавленого кварца. Добротность (Индекс цитирования ISI - 281) 1995 Городецкий, Савченков, Ильченко Городецкий, Савченков, Ильченко. Предельная добротность, ограниченная фундаментальными потерями в кварце (Индекс цитирования ISI - 289)

16 Изготовление Диаметр мкм, добротность

17 Микросферы в мире OEwaves Inc, (Pasadena CA, USA) L.Maleki's lab (JPL, USA) H.J.Kimble's lab (Caltech, USA) K.Vahala's lab (Caltech, USA) S.Arnold's lab (Polytechnical University New York, USA) C.Tapalian's group (MIT Draper Laboratory, USA) R.Chang's lab (Yale Univ, USA) A. Rosenberger's lab (Oklahoma State Univ., USA) Xponent Photonics Inc, USA H.Wang's lab (Univ. of Oregon, USA) S. Blair's lab, (Univ. of Utah, USA) Nomadics Inc, (Monrovia CA, USA) T. Haensch's lab (LMU, MPQ Muenchen, Germany) O.Benson's lab (Humboldt Univ. Berlin, Germany) S.Haroche's lab (ENS Paris, France) G.Stephan's lab (ENSSAT, Lannion, France) J. Knight's lab (University of Bath, UK) Y.-P.Laine's lab (Helsinki University of Technology, Finland) A.Serpenguezel's lab (Koc University, Turkey) V.Sandoghdar's lab (ETH Zurich, Switzerland) M.Kuwata's lab (University of Tokyo, Japan) K.Hakuta's lab (University of Electro-Communications Tokyo, Japan)

18 Прорыв в технологии 2003 … Ильченко, Савченков, Грудинин, Мацко кристаллические резонаторы в JPL. Добротность до Вахала, Киппенберг. Гибридная технология микроторов. Добротность … Городецкий, Ильченко Микроторы. Добротность ~10 7

19 ОПТИЧЕСКИЕ МИКРОРЕЗОНАТОРЫ

20 Кристаллические микрорезонаторы (И.С.Грудинин, 2006)

21 Основные результаты в МГУ Стабилизация частоты полупроводниковых лазеров с помощью микросфер (совместно с ФИАН и NIST) Стабилизация частоты полупроводниковых лазеров с помощью микросфер (совместно с ФИАН и NIST) Разработана теория оптимальной связи с микрорезонаторами Разработана теория оптимальной связи с микрорезонаторами Теория рассеяния и связи мод в микрорезонаторах Теория рассеяния и связи мод в микрорезонаторах Измерение малых оптических потерь в жидкостях методом погруженного сферического микрорезонатора Измерение малых оптических потерь в жидкостях методом погруженного сферического микрорезонатора Экспериментальное измерение фундаментальных оптических флуктуаций в микрорезонаторах Экспериментальное измерение фундаментальных оптических флуктуаций в микрорезонаторах Теоретическое и экспериментальное исследование нестационарных нелинейных эффектов в микросферах Теоретическое и экспериментальное исследование нестационарных нелинейных эффектов в микросферах Квазигеометрическая теория мод шепчущей галереи в произвольных осесиметричных резонаторах Квазигеометрическая теория мод шепчущей галереи в произвольных осесиметричных резонаторах Собственные частоты и добротность в геометрической теории мод шепчущей галереи Собственные частоты и добротность в геометрической теории мод шепчущей галереи

22 Коммерческие фильтры, модуляторы, СВЧ оптоэлектронные генераторы на основе оптических микрорезонаторов

23 Те же термодинамические флуктуации L = 4 км, Q>10 13 l ~ см D ~ 100 мкм, Q>10 9 V eff ~10 -9 см 3, T ~ 30 мкК f/f ~

24 Спектр терморефрактивных флуктуаций M.L.Gorodetsky and I.S.Grudinin, JOSA B, 21, (2004)

25 Частотные гребенки Pulsed Laser Spence et al, Optics Letters, 16(1):42–44, January 1991, etc… Частотный спектр Nobel Prize Physics 2005: "for their contributions to the development of laser- based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique" J. Hall T. Hänsch

26 26 Применение частотных гребенок Частотная гребенка может состоять более чем из лазерных линий! Высокоскоростные линии связи – один канал на одну линию гребенки Прецизионная спектроскопия – И змерение атомных переходов Оптические часы – Точность выше чем у атомных переходов PTB NIST

27 Кварцевая пленка (2 мкм) на кремниевой подложке Кварцевые диски после травления в HF Кварцевые диски на ножках после травле ния XeF 2 Изготовление микроторов

28 28 Микрорезонатор как генератор частотных гребенок Размер: ~ 1м Размер: ~100 мкм Обычная частотная гребенкаМикротороид раз меньше

29 DelHaye, et al. Nature, 2007 Savchenkov et al. PRL 2008 Grudinin et al. Opt. Letts, 2009 Agha, et al. Opt. Express, 2009

30 30 Пример использования: Поиск экзопланет ESO Очень Большой Телескоп (VLT) в ЧилиСпектрометр X-Shooter (Мюнхен) Спектр гребенки микрорезонатора (расстояние 83 ГГц) на эшелете спектрометра

31 Измерение механических смещений на квантовом уровне Резонанс зависит от положения струны: Броуновское движение Переносится в оптический спектр: Чувствительность : 0.25 фм / Гц 1/2