A mechanically stable and tunable cryogenic Fabry-Perot microcavity
高精细度、开放几何微腔是近年来出现的一种增强光子与物质系统相互作用的多功能工具,在量子光学和量子信息科学中有着广泛的应用。然而,机械振动对它们在闭合循环低温恒温器内的操作构成相当大的挑战,特别是当需要空间可调谐性和自由空间光学访问时。在这里,我们提出的设计和表征的系统,可以实现$\sim$ 16 pm-rms的两个高精细度镜之间的被动机械稳定性,同时允许三维定位的腔模式和自由空间共焦成像。该设计依赖于两个级联的振动隔离级连接的板簧,解耦轴向和横向运动,并结合调谐质量和磁阻尼。此外,我们提出了一种技术,用于量化腔长位移类似或大于腔线宽,允许在现场测量的振动和没有主动反馈。我们的研究结果有利于一个可调的,高精细度的腔在一个封闭的循环低温恒温器内的操作,代表一种使能技术的腔耦合到各种固态系统。
2021-03-05 cond-mat.other physics.ins-det physics.optics
Monolithic semiconductor hemispherical micro cavities for efficient single photon extraction
我们提出了一种单片半导体微腔设计,用于增强嵌入式量子发射器(如量子点或色心)的光-物质相互作用和光子提取效率。微腔是由平面后镜和顶部曲面镜组成的半球形法布里-珀罗设计。通过降低曲面镜的高度来抑制结构中的高阶模式,从而导致有效的光子提取到具有高斯远场辐射图案的基模中。通过改变反射镜的反射率可以很容易地改变腔的精细度,并且我们考虑两种具体情况:用于增强自组装量子点的宽带光子提取的低精细度结构和用于增强金刚石中色心的零声子线的单光子提取的中等精细度腔。我们还考虑了结构缺陷对腔性能的影响。最后,我们提出了单片GaAs半球形微腔的制作和光学特性。
2019-05-24 physics.app-ph physics.optics
High finesse microcavities in the optical telecom O-band
光学微腔允许将光强烈地限制在小的模体积中并且具有长的光子寿命。这种限制显著增强了腔内光与物质之间的相互作用,其应用包括纳米颗粒的光学捕获和冷却、单光子发射增强、量子信息处理和传感。对于许多应用,直接进入模式体积的开放式谐振器是必要的。在这里,我们报告了一个可扩展的,开放式访问的光学微腔平台,模式体积< 30 $λ^3$和精细度接近$5x10^5$。这一结果大大超过了迄今为止法布里-珀罗腔所达到的最高光学增强因子。该平台为依赖于强光-物质相互作用的高性能量子设备提供了构建模块。
2021-04-06 physics.optics quant-ph
Cavity nano-optomechanics: a nanomechanical system in a high finesse optical cavity
根据最近的评论报道,机械振荡器与光的耦合最近引起了人们的兴趣。[1,2]当将光限制在光学腔中时,这种耦合得到增强,其中机械振荡器被集成为后镜或可移动壁。在纳米尺度下,由于更小的光机相互作用体积和机械振荡器的减小的质量,光机耦合进一步增加。为了实现这种腔的纳米光力学实验,提出了一种将亚波长尺寸的纳米机械振荡器耦合到高精细度光学微腔的方案。[3]在这里,我们提出了这样一个实验,涉及一个单一的纳米机械杆精确定位到一个微型法布里-珀罗腔的限制模式。[4]我们描述了所采用的稳定腔设置和相关的精细度测量。我们继续使用超声压电致动方法表征纳米棒的振动特性。利用光学谐振腔作为纳米机械运动的传感器,我们对压电驱动的纳米棒振动进行了光学监测。除了将腔量子电动力学概念扩展到纳米机械系统之外,腔纳米光学力学还应该推进到标准量子极限附近的精密位移测量[5],量子机制中的机械系统研究,非线性动力学[6]和传感应用。
2011-10-28 physics.optics
Optically detecting the quantization of collective atomic motion
我们直接测量了由数千个超冷原子组成的气体在高精细度光学腔中与光耦合的量子化集体运动。我们检测到强烈的不对称性,高达3:1,在低能量和高能量的运动边带散射光的强度。由于腔-原子的高协同性,腔的光输出包含光与运动之间能量交换的光谱记录,直接量化量子位置测量的反作用所沉积的热量。这种反作用选择性地导致所观察到的集体模式的声子占据随测量速率而增加。这些结果,除了提供了一种方法,用于校准低占用机械系统的运动,提供了新的可能性,调查集体模式的简并气体和诊断光学机械测量反作用。
2011-11-29 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Optics of spin-noise-induced gyrotropy of asymmetric microcavity
研究了具有嵌入量子阱(QW)的高精细度半导体布拉格微腔在光子模和QW激子共振不同失谐量下的光学陀螺噪声。我们发现,在非对称法布里-珀罗谐振腔中,光子模频率高于激子共振频率时,噪声强度受到很强的抑制,这一现象是非对称法布里-珀罗谐振腔所特有的。从我们的分析如下,在一定程度的腔内损耗,非对称谐振腔的反射率消失,而极化灵敏度的回旋变化时,跨越临界点移动。模型计算结果与单量子阱微腔中自旋噪声的实验数据符合得很好,并得到了泵浦-探测实验中光致克尔旋转谱的证实。
2014-02-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Enhanced optomechanical coupling between an optically levitated particle and an ultrahigh Q optical microcavity
提出一种结合光学镊子与超高Q环形微腔的平台,通过近场耦合实现单光子光机械耦合50倍增强,为悬浮介观粒子的量子实验铺路。
2024-10-21 physics.optics
A Fabry-Perot Microcavity for Diamond-Based Photonics
开放的法布里-珀罗微腔代表了一个有前途的路线,实现量子电动力学(腔QED)平台与金刚石基发射器。特别地,它们提供了将高纯度、最少制造的材料引入到可调谐、高品质因数光学谐振器中的机会。在这里,我们展示了一个基于纤维的微腔,包含一个厚(> 10 μm)的金刚石膜,其精细度为17,000,对应于品质因数Q ~ $10^6$。这种最低限度制造的厚样品可以包含类似于块状金刚石中发现的光学稳定发射体。我们观察修改后的微腔光谱中存在的膜,并开发分析和数值模型来描述腔模式的膜的效果,包括损耗和耦合到高阶横模。我们估计,大约20的Purcell增强应该是可能的钻石在这个设备中的发射器,并提供证据表明,更好的钻石表面处理和镜面涂层可以增加这个值到200在一个现实的系统。
2015-08-26 physics.optics quant-ph
Demonstration of ultra-high-Q small mode volume toroid microcavities on a chip
光学微腔在空间和时间上限制光,并在广泛的基础和应用研究中找到应用。在许多领域,微腔品质因数不仅取决于光子寿命(或等效品质因数Q),而且还取决于同时实现的小模体积V。在这里,我们展示了超高Q因子小模式体积环形微腔的芯片上,表现出的Q/V因子超过$10^{6}(λ/n)^{-3}$。这些值是迄今为止报道的任何基于芯片的微腔的最高值。相应的Purcell因子超过20万,腔精细度达到$2.8\times10^{6}$,表明环形微腔是研究Purcell效应、腔QED或生物化学传感的有希望的候选者
2004-12-07 physics.optics
Nanoparticle detection in an open-access silicon microcavity
我们报告在微机械,开放式法布里-珀罗微腔中检测游离纳米粒子。当镜间距为$130\,μ$ m,曲率半径为$1.3\,$ mm,束腰半径为$12\,μ$ m时,对称红外谐振腔的模体积小于$15\,$ pL.小的束腰,加上超过34,000的精细度,使得能够在高真空中检测纳米尺度的介电颗粒。该装置允许实时监测单个$150\,$ nm半径二氧化硅纳米球的运动。我们观察到粒子和腔场之间的强耦合,这是光机控制的先决条件。我们讨论了光学冷却和检测的电介质粒子小于$10\,$ nm的半径和$1\times10^7\,$ amu的质量的前景。
2017-12-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
A Compact, Robust, and Tunable Open Microcavity Platform for Solid-State Quantum Electrodynamics
JILA and Department of Physics, University of Colorado Boulder(科罗拉多大学博尔德分校 JILA 与物理系);Icarus Quantum Inc.(Icarus 量子公司);National Institute of Standards and Technology(美国国家标准与技术研究院)
本文提出一种紧凑且可调的开放微腔平台,用于固态量子电动力学研究,实现了无振动诱导展宽和原位调谐,展示了量子点与微腔的强耦合。
2026-05-15 physics.optics quant-ph
Cavity optomechanics with ultra-high Q crystalline micro-resonators
我们首次在超高Q晶体回音壁模(WGM)谐振器中观察到光-机耦合。晶体材料的高纯度使得光学品质因数超过10^{10},精细度超过10^{6}。同时,获得大于10^{5}的机械品质因数,仍然受到夹持损失的限制。与先前展示的圆柱形谐振器相比,机械模式的有效质量可以通过制造CaF 2微盘谐振器而显著降低。在10^{-18} m/sqrt{Hz}级的光学位移监测揭示了频率高达20 MHz的机械径向模式,对应于前所未有的边带因子(>100)。与晶体材料中的弱固有机械阻尼一起,这种高sindeband因子使得晶体WGM微谐振器有希望用于反作用规避测量、分辨边带冷却或光机械法向模式分裂。此外,这些谐振器可以在光机械布里渊激光可以变得可访问的机制中操作。
2010-03-23 physics.optics
Cavity enhancement of V2 centers in 4H-SiC with a fiber-based Fabry-Pérot microcavity
本研究将4H-SiC薄膜中的V2色心集成到光纤法布里-珀罗微腔中,实现零声子线散射光子13.3倍增强,为确定性自旋-光子相互作用奠定基础。
2025-03-28 physics.optics quant-ph
Epitaxial lift-off for solid-state cavity quantum electrodynamics
我们提出了一种新的方法,将自组装的量子点到Fabry-Pérot-like微腔。由此,外延去除包含量子点的3 $λ$ /4 GaAs层,并通过范德华键合将其附接到微腔镜之一。我们达到了高达4,100的精细度,这种配置受到介质镜反射率的限制,而不是受到半导体-镜界面处散射的限制,表明外延剥离过程是固态腔量子电动力学的一个有前途的过程。作为在这个方向上的第一步,我们证明了一个明确的腔量子点相互作用在弱耦合制度与Purcell因子在3的顺序。通过珀塞尔因子的耦合强度的估计表明,我们接近强耦合制度。
2015-05-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Tunable open-access microcavities for on-chip cQED
我们报告的芯片上的微腔的发展,并显示其作为一个平台的腔量子电动力学实验的潜力。微腔阵列是通过控制SiO2/Ta 2 O 5布拉格反射镜的屈曲而形成的,其反射极限精细度为3500,模体积小至35 μ da ^[3]。我们表明,腔共振可以热调谐到与87 Rb的D2跃迁对齐,并概述了两种方法提供原子进入腔。由于它们的小模体积和高精细度,这些腔表现出高达C1 = 65的单原子合作率。屈曲圆顶结构的一个独特的特点是强耦合参数g 0/kappa几乎与腔体尺寸无关。此外,强耦合应该是可以实现的,只有适度的改善镜面反射率,这表明这些单片器件可以提供一个强大的和可扩展的解决方案的工程轻物质接口。
2016-01-13 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Resonant two-laser spin-state spectroscopy of a negatively charged quantum dot-microcavity system with a cold permanent magnet
本文提出低温兼容的紧凑型 SmCo 永磁体,在 5 K 下产生 475 mT 面内磁场,并结合高精细度双折射微腔实现 InGaAs 量子点的单、双激光自旋态光谱与操控。
2023-03-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Enhanced Spectral Density of a Single Germanium Vacancy Center in a Nanodiamond by Cavity-Integration
本文利用原子力显微镜纳米操控将含单个GeV$^-$色心的纳米金刚石集成到高精细度法布里-珀罗微腔中,实现48倍光谱密度增强,为高效自旋-光子平台奠定基础。
2023-11-30 physics.optics quant-ph
Cavity optomechanical bistability with an ultrahigh reflectivity photonic crystal membrane
以亚波长周期图案化的光子晶体(PhC)膜提供了高反射率、低质量和高机械品质因数的独特组合。我们展示了一个PhC膜,我们使用的法布里-珀罗腔的一面镜子与精细度高达$F=35,000(500)$,对应于一个记录高的PhC反射率$R=0.999835(6)$。基本机械频率为426 kHz,是光学线宽的两倍多,使其牢牢地处于解析边带状态。真空中的机械品质因数是$Q=1.1(1)\times 10^6$,这使我们能够实现与${\cal C}_0=6.6\times10^{-3}$一样高的单光子协同性值。我们很容易将光机械双稳看作是腔传输中的滞后现象。当输入功率超过双稳态阈值时,即使存在空气阻尼,动力学反作用也会引起1~MHz以上的强机械振荡。该平台将促进光机、精密传感和光机诱导双稳态应用的发展。
2022-11-18 physics.app-ph physics.optics
Scanning cavity microscopy of a single-crystal diamond membrane
本研究通过扫描腔显微镜探究集成单晶金刚石薄膜的高精细度微腔,揭示金刚石表面对腔模结构及珀塞尔增强的影响,为优化自旋-光子接口提供路径。
2023-03-29 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph