Микромеханические зеркала действуют под давлением света

Устройство, созданное группой инженеров из квантовой секции Лаборатории физических измерений института NIST, способно привести к существенному прогрессу в оптомеханике: дисциплине, изучающей и использующей механическое воздействие света на мельчайшие объекты.

Разумеется, величины сил и перемещений, рассматриваемых в оптомеханике, исчезающее малы, однако их понимание важно для реализации многих разнородных проектов — от гигантского лазерного интерферометра Лаборатории гравитационных волн до миниатюрных консольных зондов, применяемых в атомно-силовой микроскопии.

Типичная лабораторная установка для оптомеханических измерений представляет собой оптическую полость, ограниченную двумя зеркалами: неподвижным на одном торце и перемещающимся — на другом. Изменение позиции движущегося зеркала вызывает смещение частоты оптического резонанса системы.

Подвижное зеркало обычно изготовляют из 16-40 слоев диэлектрической пленки с разными показателями преломления. Толщина такой конструкции не достигает и нескольких микрометров, однако масса на единицу площади достаточно велика, учитывая малость измеряемой величины — светового давления переотражаемого лазерного луча.

Столкнувшись с этой проблемой специалисты Группы квантовых процессов и метрологии, предложили использовать другой подход. Они отметили, что зеркалами можно считать решетки, расстояние между линиями которых меньше длины волны излучения (в данном случае около 1560 нм).

Экспериментальный образец такой решетки был изготовлен с помощью коллег из Центра нанотехнологий NIST. Рельеф, вырезанный реактивными ионами на мембране нитрида кремния имел шаг примерно 700 нм. До насечки канавок мембрана отражала лишь 27% света, а для финального продукта этот коэффициент вырос до 99,6%.

Всего исследователи изготовили 81 решетку с различным шагом, глубиной и шириной канавок. Для каждого типа экспериментально определяли отражательную способность, отбирая оптимальное сочетание решетки и мембраны. Полученный в итоге микромеханический рефлектор оказался на порядок величины легче составных пленочных отражателей и примерно в 100 раз превосходил последние по Q-показателю добротности упругих систем.

Помимо их важности для MEMS, эти устройства способны помочь в изучении интересных эффектов, возникающих когда оптомеханические системы приближаются к квантовым пределам. В частности, устранение избыточной тепловой энергии, связанной с механическим движением в системах мезоскопического масштаба сейчас сопряжено с большими трудностями. Прямое погружение в криостат во многих случаях неприемлемо, а требуемые температуры слишком низкие. Новая технология позволит переводить тепловую кинетическую энергию в оптический диапазон — по аналогии с лазерным охлаждением атомов.

Подробности эксперимента изложены в статье «Mechanically compliant grating reflectors for optomechanics» свежего выпуска Applied Physics Letters.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365