Un reticolo di Bragg in fibra con lente

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 4937 (2022) Citare questo articolo

1359 accessi

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I sistemi optomeccanici beneficiano dell'accoppiamento tra un campo ottico e vibrazioni meccaniche. I dispositivi basati su fibra sono particolarmente adatti a sfruttare facilmente questa interazione. Riportiamo un approccio alternativo di una membrana di nitruro di silicio nel mezzo di un fattore di alta qualità (\(10^6\)–\(10^7\)) Fabry–Perot, formata da un reticolo inscritto all'interno di una fibra nucleo come specchio di ingresso davanti a uno specchio posteriore dielettrico. La tecnica Pound–Drever–Hall utilizzata per stabilizzare la frequenza del laser sulla frequenza di risonanza ottica consente di ridurre il rumore a bassa frequenza fino a \({4}\,{{\mathrm{kHz}}/\sqrt{\mathrm{ Hz}}}\). Presentiamo una metodologia dettagliata per la caratterizzazione delle proprietà ottiche e optomeccaniche di questo sistema stabilizzato, utilizzando varie geometrie di membrana, con frequenze di risonanza corrispondenti nell'intervallo di diverse centinaia di \({\mathrm{kHz}}\). L'eccellente stabilità a lungo termine è illustrata da misurazioni continue dello spettro del rumore termomeccanico per diversi giorni, con la sorgente laser mantenuta a risonanza ottica. Questo importante risultato rende questo sistema un candidato ideale per il rilevamento optomeccanico.

L'optomeccanica delle cavità esplora l'interazione reciproca tra radiazione elettromagnetica e spostamento meccanico utilizzando risonatori ottici e meccanici. Questo accoppiamento è stato esplorato in un'ampia varietà di sistemi sfusi, dal Fabry-Perot con un microspecchio1 sospeso alla membrana meccanica nel mezzo (descritta come MIM di seguito) di tale cavità2. Sono stati inoltre implementati molteplici dispositivi integrati su scala nanometrica, come microdischi sospesi3, sistemi di cristalli fotonici e fossonici4,5,6 o configurazioni basate su risonatori in modalità galleria sussurrata7,8,9,10,11.

Gli ultimi due decenni hanno visto anche la comparsa di numerosi sistemi optomeccanici in fibra per varie applicazioni. Utilizzando sfaccettature concave delle estremità delle fibre rivestite con reticolo di Bragg altamente riflettenti formate mediante \(\hbox {CO}_2\) lavorazione laser (ablazione laser delle estremità delle fibre)12, finezza da elevata a ultraelevata (tra \(10^3\) e \(10^5\)) è possibile costruire cavità optomeccaniche a base di fibre. Queste configurazioni rappresentano un'ottima base per il sistema "risonatore meccanico nel mezzo", in cui le proprietà del risonatore meccanico e la finezza ottica della cavità possono essere ottimizzate in modo indipendente (a differenza del Fabry-Perot con uno specchio sospeso). Sono state condotte ricerche sui nanotubi13 e sui nanotubi14 di carbonio al centro di tali cavità, con misurazione ottica del loro movimento browniano. Altri gruppi hanno lavorato all'introduzione di una membrana in nitruro di silicio ad alto fattore di qualità: il primo studio su questa configurazione MIM basata su fibra ha eseguito l'osservazione della backaction dinamica con interazione optomeccanica dispersiva (spostamento della frequenza di risonanza ottica indotta dallo spostamento meccanico), con spostamento della frequenza di risonanza meccanica indotto otticamente (effetto molla ottica) e smorzamento optomeccanico15. Configurazioni simili sono state costruite da allora, con le associate osservazioni dinamiche di backaction, con varie altre proprietà interessanti, dall'ibridazione della modalità meccanica mediata otticamente16, all'ulteriore interazione optomeccanica dissipativa (spostamento delle perdite ottiche con lo spostamento meccanico)17,18. Infine, il gruppo di Eyal Buks ha lavorato su varie cavità optomeccaniche basate sul reticolo di Bragg (FBG). I loro sistemi sono composti da un reticolo di Bragg altamente riflettente inscritto sul nucleo di una fibra, che funge da specchio di input statico di una cavità di Fabry-Perot a \(\lambda ={1.55}\,{\upmu \text {m} }\), davanti ad uno specchio metallico sospeso (struttura rettangolare o a trave). La finezza ottica in questa situazione è relativamente bassa (dell'ordine di 10), a causa di una riflettività FBG inferiore, rispetto alle punte in fibra rivestite con Bragg a bassissima perdita. Hanno progettato varie configurazioni, con il raggio metallico fissato direttamente sull'estremità lucida della fibra, inducendo un allineamento passivo19,20,21, o con la luce focalizzata sul risonatore micromeccanico per mezzo di una lente con indice graduato giuntata all'estremità della fibra22 ,23. Sono state osservate oscillazioni bolometriche autosostenute al di sopra di una certa soglia di ingresso, utilizzando il riscaldamento dello specchio metallico dovuto all'assorbimento ottico. Per quanto ne sappiamo, questi sono gli unici studi sulle cavità optomeccaniche basate su FBG.