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Mehr Rauschen als erwartet

Begrenzung der Empfindlichkeit von Interferometern und ultrastabilen Lasern

PTBnews 3.2023
22.09.2023
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Lasertechnologie

Gravitationswellendetektion

Nano-Optomechanik

Hochreflektierende Spiegel sind ein wesentlicher Baustein der präzisesten optischen Interferometer, die beispielsweise zur Detektion von Gravitationswellen oder in optischen Atomuhren (zur Reduktion der Linienbreite von Lasern) eingesetzt werden. Diese Anwendungen werden wesentlich durch das Brown’sche Rauschen begrenzt, bei dem die thermische Bewegung der Teilchen im Spiegel zu Fluktuationen der reflektierten Lichtwelle führt. Neuartige GaAs/AlGaAs-Bragg-Reflektoren lassen eine deutliche Verringerung dieses Rauschbeitrages erwarten. Doch wegen neu entdeckter Rauschprozesse ist die Verbesserung bei tiefen Temperaturen gegenüber konventionellen Spiegeln nur gering.

Die starke Antikorrelation der Fluktuationen einer Spiegeloberfläche für Licht mit Polarisation entlang der schnellen und langsamen Achsen der kristallinen Spiegelschicht ist deutlich sichtbar. Ihr Mittelwert zeigt zwar deutlich verringertes Rauschen, das aber noch über dem erwarteten Brown’schen Rauschniveau liegt.

Die starke Antikorrelation der Fluktuationen einer Spiegeloberfläche für Licht mit Polarisation entlang der schnellen und langsamen Achsen der kristallinen Spiegelschicht ist deutlich sichtbar. Ihr Mittelwert zeigt zwar deutlich verringertes Rauschen, das aber noch über dem erwarteten Brown’schen Rauschniveau liegt.

Das Foto zeigt den für die Messungen verwendeten Siliziumresonator.

Das Foto zeigt den für die Messungen verwendeten Siliziumresonator.

Die Längenfluktuationen aufgrund des Brown’schen Rauschens wachsen mit der mechanischen Dämpfung der im Interferometer verwendeten Materialien. Etablierte dielektrische Spiegelschichten weisen eine erheblich höhere Dämpfung als die übrigen verwendeten Materialien auf. Daher wird von Spiegelschichten aus neuartigen Materialien mit kleiner Dämpfung (etwa einkristallinen GaAs/AlGaAs-Bragg-Reflektoren) eine deutliche Reduktion dieser Längenfluktuationen erwartet.

In einer Zusammenarbeit zwischen JILA (Boulder, USA) und PTB wurden diese Spiegel für eine Wellenlänge von 1,5 μm in kryogenen optischen Resonatoren bei Temperaturen von 124 K, 16 K und 4 K getestet. Als Abstandshalter wurde einkristallines Silizium verwendet. Mit diesen Systemen konnten technische Rauscheinflüsse so weit reduziert werden, dass nur noch das Brown’sche Rauschen der konventionellen Spiegel die Längen- und Frequenzstabilität des Resonators begrenzen dürfte. Vergleichbare Systeme mit konventionellen dielektrischen Spiegelschichten werden bereits zur Frequenzstabilisierung der zurzeit besten Laser eingesetzt.

Die Verringerung des Brown’schen Rauschens konnte zwar bei den neuartigen kristallinen Spiegeln bestätigt werden, allerdings wurden andere, unerwartet hohe Fluktuationen beobachtet. Diese entgegengesetzten, stark antikorrelierten Schwankungen der beiden Polarisationseigenmoden der Resonatoren ließen sich auf Fluktuationen der intrinsischen Doppelbrechung dieser Spiegelschichten zurückführen. Werden die Fluktuationen der beiden Moden gemittelt, reduziert sich das Rauschen zwar, es liegt allerdings immer noch deutlich über den Brown’schen Fluktuationen der neuartigen Spiegelschichten.

Die physikalischen Ursachen für die beiden neuen Rauschprozesse sind noch unbekannt. Erste Anzeichen weisen auf die Halbleitereigenschaften der Beschichtungen hin.

Ansprechpartner

Uwe Sterr
Fachbereich 4.3
Quantenoptik und Längeneinheit
Telefon: (0531) 592-4310
Opens local program for sending emailuwe.sterr(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

D. Kedar, J. Yu, E. Oelker, A. Staron, W. R. Milner, J. M. Robinson, T. Legero, F. Riehle, U. Sterr, J. Ye: Frequency stability of cryogenic silicon cavities with semiconductor crystalline coatings. Optica, 10, 464–470 (2023)