Optische Resonatoren – Was tun bei mechanischem Rauschen?

Eine Möglichkeit optische Emis­sio­nen vielseitig zu manipulieren, bieten optische Resonatoren (optische Kavitäten). Diese Mikro-Struk­tu­ren eignen sich für optische Ver­stär­kung, können die Linienbreite von Lasern stabilisieren und die Rate von spontanen Emissionen eines Ma­terials im Resonator beeinflussen. Op­tische Resonatoren werden häufig für Grundlagenforschung zur Wech­sel­wirkung zwischen Materia­lien und elektromagnetischen Wellen eingesetzt. Insbesondere in Quanten-Trans­port-Experimenten finden sie vermehrt Anwendung. 

Die Leistung eines Resonators hängt von etlichen Faktoren ab: z. B. Güte („Q-factor“), Kopplungs- und interne Verluste. Jeder dieser Faktoren verbessert sich bei kryogenen Temperaturen, hoher Temperaturstabilität und geringen Vibrationen. Bei Raumtemperatur werden so viele Phononen angeregt, dass der für Quantentransport-Ex­perimente so wichtige Null-Pho­no­nen-Spektral­übergang (ein rein op­tischer Übergang ohne Wech­sel­wir­kung mit Gitter­schwin­gungen) praktisch nicht vorkommt. Je tie­fer die Tem­peratur, desto geringer die Pho­nonen-Population und desto höher die Wahrscheinlichkeit eines rein optischen Überganges.

Um die Resonatoren an die Wellen­länge des verwendeten Lichtes anzupassen bietet es sich an, den Abstand der beiden Spiegel über eine Verfahreinheit zu regulieren. Bei tiefen Temperaturen ist gerade dieser experimentell sehr vielseitige Aufbau extrem anfällig für Vibrationen. Kom­merzielle Tieftemperatur-Posi­tio­­nierer haben eine geringe Reso­nanz­frequenz, die relativ nah an der Frequenz liegt, mit der gängige Kalt­köpfe arbeiten. Entsprechend stark werden die Vibrationen am Resonator verstärkt. Der Abstand der beiden Spie­gel fluktuiert, und ist damit nur noch eingeschränkt auf die verwendete Wellenlänge abgestimmt. In der Praxis wird eine RMS-Stabilität < 0,5 nm zwischen beiden Spiegeln benötigt. Fluss- und Bad-Kryostaten, die keine beweglichen Teile haben und daher von Natur aus wenig Vibrationen aufweisen, werden wegen hoher Heliumkosten, begrenzter Experimentdauer und eingeschränkter Temperaturkontrolle immer seltener eingesetzt. 

Die zentrale Anforderung an einen Kryostaten für Messungen an op­ti­schen Resonatoren ist eine gerin­ge Beschleunigung der Expe­ri­men­tierplattform. So lange eine Fa­ser-Op­tik verwendet wird, spielt die Am­plitude der Vibrationen keine Rol­le. Einzig auf die Beschleunigung kommt es an. 

Mit dem HILA-Kryostat von Montana Instruments (MI) hat man die Mög­lichkeit, die Bewegungen des Kalt­kopfes von der Probenkammer zu entkoppeln.

Erste Beta-Systeme waren bereits Mit­te 2017 verfügbar. Seit Ende letzten Jah­res ist die Entwicklung abgeschlossen. Der HILA-Kryostat hat mehrere Stufen der Vibrationsisolierung. Sein Herzstück ist die 4-K-Probenplattform, welche auf Federn mit einer extrem niedrigen Resonanzfrequenz (< 0,6 Hz) gelagert ist. Da die Plattform sehr langsam mit einer Amplitude von wenigen Mikrometern schwingt, arbeitet MI gegenwärtig an einem Modul für die Strahlführung, so dass sich neben der Faseroptik auch Frei­strahloptik verwenden lässt. 

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