Высокодобротные резонаторы в прецизионных измерениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Сферические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи

1.1 Моды типа шепчущей галереи в оптических микрорезонаторах

1.1.1 Моды диэлектрического шара.

1.1.2 Излучательные потери.

1.1.3 Нормировка поля в резонаторе.

1.2 Демонстрация предельной добротности в микросферах.

1.2.1 Изготовление сферических мини и микрорезонаторов различного размера.

1.2.2 Измерение предельной оптической добротности микросфер

1.2.3 Динамика изменения предельной добротности и резонансной частоты в лабораторной атмосфере.

1.3 Моды шепчущей галереи в реальных микросферах с малой несферичностью. Теория прецессии фундаментальной моды и ее следствия: связь, излучение, добротность.

1.3.1 Прецессионный подход к анализу мод в сфероидальном резонаторе.

1.3.2 Квазигеометрический подход к описанию мод шепчущей галереи.

1.3.3 Частотный спектр сфероидального резонатора

1.3.4 Пространственные спектры переизлучения резонатора с при змеиным элементом связи

1.3.5 Экспериментальное исследование угловых спектров переизлучения мод шепчущей галереи в призму.

1.4 Теория оптимальной связи с высокодобротными модами типа шепчущей галереи.

1.4.1 Общие соображения.

1.4.2 Моделирование связи волноводным ответвителем

1.4.3 Вариационный подход.

Неотъемлемым элементом почти любой оптической или СВЧ экспериментальной установки является резонатор. Именно прогресс в их совершенствовании часто приводил к достижению качественно новых результатов. Так, создание квантовых генераторов было бы невозможно без применения высокодобротных оптических и СВЧ резонаторов. Высокодобротные резонаторы активно используются для сужения и стабилизации линии генерации, в качестве фильтров и дискриминаторов, в прецизионных физических экспериментах.

Одним из ключевых направлений физики сегодня является развитие квантовой теории измерений и связанный с ним интерес к экспериментам с отдельными квантовыми объектами. Именно с помощью высокодобротных резонаторов в оптическом диапазоне были впервые продемонстрированы неклассические состояния электромагнитного поля {см. например обзоры в [1, 2]) и были впервые проведены впечатляющие эксперименты по наблюдению эффектов взаимодействия отдельных фотонов и отдельных атомов [3]. Тесно связаны с этим направлением и такие, вызывающие активное внимание и ожидания приложения, как квантовые компьютеры [4], квантовая криптография [5], квантовая телепортация [б]. В последние годы с разработкой технологии получения ридберговских атомов впечатляющие результаты были получены с помощью резонаторов и в СВЧ диапазоне. Особенно следует отметить квантово-неразрушающие измерения [7] и приготовление состояний с малым числом квантов [8].

Необходимость повышения добротности однозначно вытекает из простого критерия, определяющего возможность наблюдения неклассических квантовых свойств электромагнитного поля в резонаторе, который следует из условия малости термодинамических флуктуаций за время измерения по сравнению со стандартным квантовым пределом [9]:

3.3.6 Приложение С. Вычисление спектральной плотности термоупругих флуктуаций через ФДТ.181

3.4 Терморефрактивный шум в зеркалах гравитационно-волновой антенны .183

3.4.1 Терморефрактивный эффект.184

3.4.2 Численные оценки. . . 187

3.4.3 Приложение А. Коэффициент отражения от многослойного покрытия.189

3.5 О возможности бесконтактного прецизионного измерения координаты диэлектрических объектов .191

3.5.1 Идея метода.192

3.5.2 Результаты предварительных экспериментов . 195

Основные защищаемые положения .197

Публикации автора по теме диссертации.199

Список литературы.201 где Ник- констианты Планка и Больцмана, Т - температура, ф - добротность, г - время измерения. К настоящему времени неизвестны фундаментальные ограничения для величины ф, и достигнутые значения определяются, как правило, уровнем развития технологии. В то же время, кроме техничесих ограничений, добротность обычных электромагнитных резонаторов связана прямой пропорциональностью с их линейными размерами (геометрический фактор в СВЧ и длина в оптическом диапазоне), Это вступает в противоречие как с потребностями экспериментальной техники - необходимостью работать с малым числом квантов и малым объемом локализации поля, так и с потребностями в миниатюризации компонетов, диктуемыми развитием волоконной и интегральной оптики.

Сформулированное условие является лишь необходимым для реализации неклассических сжатых состояний электромагнитного поля, Есоторые должны позволить в перспективе качественно улучшить чувствительность прецизионных измерений. Для их реального использование требуется разработка непоглощающих энергию методов внутререзонаторных измерений.

В диссертации представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований высокодобротных резонаторов оптического и СВЧ диапазонов целью которых было решение следующих, по мнению автора, важных проблем:

1) Исследование нового класса оптических устройств - оптических микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи. Эти резонаторы, сочетающие малый размер с высокой добротностью, уже превратились из объекта узкоспециальных исследований в перспективные элементы фотоники.

2) Разработка менее дорогостоящих и трудоемких, по сравнению с техникой ридберговских атомов, инструментальных методов квантовых измерений в в СВЧ диапазоне. Анализ экспериментальной возможности реализации стробоскопической процедуры к вантово-не возмущающего измерения [10].

3) Проекты будущих модернизаций, вступающих в эксплуатацию, лазерных гравитационных антенн содержат заявленную чувствительность на уровне и даже выше чем стандартный квантовый предел. Однако, никаких практических разработок в этом направлении пока не существует. Цель заключительной части работы состоит в том, чтобы проанализировать возможностн практической реализации топологий антенны, позволяющих обойти стандартный квантовый предел и (или) снизить принципиальные требования к мощности накачки. Особенно важен анализ всех неучтенных ранее источников шумов, могущих воспрепятствовать в будущем достижению заявленной чувствительности.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения.

1. V.B. Braginsky, F.Ya. Khalili, Rev. Mod. Phys., 68 (1996) 1.

2. P. Grangier et al., Nature, 396 (1998) 537.

3. J. Ye, D.W. Vernoy, and H.J. Kimble, Phys. Rev. Lett., 83 (1999) 4987.

4. P.W. Shor, Proc. 35th Annual Symp. on Foundations of Computer Science, Santa Fe, IEEE Computer Soc. Press, 1994; lanl e-print quant-ph/9508027.

5. C.H. Bennett, F. Bessette. G. Brassard, L. Savail and J. Smolin, J.CryptoIogy, 5 (1992) 3.

6. C.H. Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, R. Jozsa, A. Peres and W.K. Woot-ers, Phys. Rev. Letts. 70 (1993) 1895.

7. A. Rauschenbeutel, G. Nogues, S. Osnaghi, P. Bevtet, M. Brune, J.M. Rai-mond, S. Haroche, Phys. Rev. Letts. 83 (1999) 5166.

8. B.T.H. Varcoe, S. Brattke, M. Weidinger, Walther H., Nature 403 (2000) 743.9J V.B. Braginsky, F.Ya. Khalili,"Quantum Measurement", chap. VI, ed. by K.S. Thorne, Cambridge Univ. Press, 1992.

9. В.Б. Брагинский, Ю.Й. Воронцов, Ф.Я. Халили, Письма в ЖЭТФ, 52 (1980) 341.

10. R.D. Richtmyer, J. Appl. Phys., 10 (1939) 391.

11. V.B. Braginsky, V.S. Ilchenko, and Kh.S. Bagdassarov, Phys. Lett.A120 (1987) 300.

12. В.Б. Брагинский, B.C. Ильченко, Доклады академии наук, 32 (1987) 36.14 151617 1819 2021