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.
Abb. 1 Freistrahl (links) und faserbasierter (rechts) optischer Resonator
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.
Abb. 2 Vibrationsisolierung des neuen HILA-Kryostaten von Montana Instruments. Der Betrieb des Kaltkopfes (blauer Graph) weist kaum höhere Beschleunigung auf als das System im Ruhezustand (orangener Graph)
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.
