Оптические мега и микрорезонаторы

Гравитационные волны
Нобелевская премия 1993 года (косвенное подтверждения)

США (LIGO) - 2.5 антенны
4 км × 2 + 2 км
Франция-Италия Германия-Англия
(VIRGO) 3 км (GEO-600) 600м
Япония (TAMA) – 300 m
Россия:
2 научные группы

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

Чувствительность антенны
h+ =10-21
Δ L=10-21× 4 км = 4×10-18 м
Δ L

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

Шумы в зеркалах
резонаторов
l, Δ n

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

Большое множество разнообразных видов шумов, в которых пытаемся разобраться.

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

Большое множество разнообразных видов шумов, в которых пытаемся разобраться.

1910 Рэлей объясняет акустические эффекты
“шепчущей галереи” собора св. Павла в Лондоне
1939 Рихтмайер: добротность может быть очень велика
1977 Ашкин и Джиджич. Узкие резонансы при рассеянии света на каплях
1987 Брагинский и Ильченко. СВЧ кольцевые резонаторы. Добротность 109
Предыстория микрорезонаторов с модами шепчущей галереи

1989 Брагинский, Городецкий, Ильченко.
Оптические микрорезонаторы
из плавленого кварца.
Добротность 3×108
(Индекс цитирования ISI - 281)
1995 Городецкий, Савченков, Ильченко.
Предельная добротность, ограниченная фундаментальными потерями в кварце 8×109
(Индекс цитирования ISI - 289)

Изготовление
Диаметр 10-1000 мкм, добротность 106-1010

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)

Прорыв в технологии
2003 … Ильченко, Савченков, Грудинин, Мацко кристаллические резонаторы в JPL.
Добротность до 3×1011
2002 Вахала, Киппенберг.
Гибридная технология микроторов.
Добротность 2×108
2001 … Городецкий, Ильченко
Микроторы. Добротность ~107

ОПТИЧЕСКИЕ МИКРОРЕЗОНАТОРЫ

Кристаллические микрорезонаторы
(И.С.Грудинин, 2006)

Основные результаты в МГУ
1996. Стабилизация частоты полупроводниковых лазеров с помощью микросфер (совместно с ФИАН и NIST).
1998. Разработана теория оптимальной связи с микрорезонаторами
2000. Теория рассеяния и связи мод в микрорезонаторах
2000. Измерение малых оптических потерь в жидкостях методом погруженного сферического микрорезонатора.
2004. Экспериментальное измерение фундаментальных оптических флуктуаций в микрорезонаторах.
2005. Теоретическое и экспериментальное исследование нестационарных нелинейных эффектов в микросферах.
2006. Квазигеометрическая теория мод шепчущей галереи в произвольных осесиметричных резонаторах
2007. Собственные частоты и добротность в геометрической теории мод шепчущей галереи

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

Те же термодинамические флуктуации
L = 4 км, Q>1013
δl ~ 10-16 -10-18 см
D ~ 100 мкм, Q>109
Veff ~10-9 см3, δT ~ 30 мкК
δf/f ~ 3×10-10

Спектр терморефрактивных флуктуаций
M.L.Gorodetsky and I.S.Grudinin, JOSA B, 21, 697-705 (2004)

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

Применение частотных гребенок
Частотная гребенка может состоять более чем из 10000 лазерных линий! Высокоскоростные линии связи
– один канал на одну линию гребенки
Прецизионная спектроскопия
– Измерение атомных переходов
Оптические часы
– Точность выше чем у атомных переходов
PTB
NIST

Кварцевая пленка
(2 мкм) на кремниевой подложке
Кварцевые диски после травления в HF
Кварцевые диски на ножках после травления XeF2
Изготовление микроторов

Микрорезонатор как генератор частотных гребенок
Размер: ~ 1м
Размер: ~100 мкм
Обычная частотная гребенка
Микротороид
10000 раз меньше

Del’Haye, et al.
Nature, 2007
Savchenkov et al.
PRL 2008
Grudinin et al.
Opt. Letts, 2009
Agha, et al.
Opt. Express, 2009

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