Advanced mirror concepts for high-precision metrology

Brückner, Frank GND

Die Messempfindlichkeit für Anwendungen im Bereich der Hochpräzisions-Metrologie wie z.B. der interferometrischen Gravitationswellendetektion oder der Realisierung hochstabiler Referenzresonatoren wird durch fundamentale Rauscheinflüsse limitiert. Diese führen zu statistischen Oberflächenfluktuationen der beteiligten Optiken, welche sich dem gewünschten Messsignal überlagern. Einen entscheidenden Anteil des thermischen Rauschens liefern hierbei die dielektrischen Vielschichtsysteme, die in den derzeitigen Aufbauten die hohen Reflektivitäten der Resonatorspiegel gewährleisten. Alternativ wurde in dieser Arbeit das Potenzial so genannter resonanter Wellenleitergitter im Hinblick auf die Realisierung maximaler Reflektivitäten bei gleichzeitiger Minimierung der dielektrischen Beschichtung erstmals experimentell untersucht. Diese mikrooptischen Elemente versprechen aufgrund ihrer Dünnschicht-Gitterstruktur eine Reduzierung der notwendigen Schichtdicke und damit des thermischen Schichtrauschens um mindestens eine Größenordnung. Strukturen auf der Basis von Tantalpentoxid und Silizium in Verbindung mit Siliziumdioxid wurden experimentell realisiert und erfolgreich charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zudem zwei völlig neue Ansätze der Mikrostrukturierung einer dielektrischen Oberfläche entwickelt, die vollständig auf eine Beschichtung verzichten und damit rein monolithische Lösungen resonanter Wellenleitergitter darstellen. So konnte erstmals ein hochreflektierender monolithischer Resonatorspiegel auf der Basis von Silizium gezeigt werden, der Bestandteil eines Hoch-Finesse-Resonators war. Solch ein Resonatoraufbau spiegelt exakt die Ausgestaltung zukünftiger Experimente wider. Die Ergebnisse dieser Arbeit eröffnen einen Weg zu einer neuen Generation von hochempfindlichen Experimenten zur Erforschung fundamentaler Fragen der modernen Physik.

The sensitivity of applications in the field of optical high-precision metrology such as interferometric gravitational wave detection or the realization of ultra stable reference cavities is limited by fundamental noise sources. These noises cause statistical surface fluctuations of the incorporated optical components which override the desired measurement signal. A significant thermal noise contribution is given by the dielectric multilayer coatings that are currently used to provide high-reflectivity of the cavity mirrors. Alternatively, this work experimentally investigated for the first time the capability of so-called guided-mode resonant waveguide gratings of reaching maximum reflectivity while reducing the necessary coating thickness. Due to their thin-film grating structure such microoptical elements suggest a reduction of the coating thickness and thus of the related thermal noise level by at least one order of magnitude. Grating structures based on tantalum pentoxide and silicon in combination with silicon dioxide have been fabricated and successfully characterized. Moreover, within this work two novel approaches of microstructuring dielectric surfaces have been developed which avoid any dielectric coating at all and thus provide purely monolithic solutions for resonant waveguide gratings. This includes the first demonstration of a monolithic high-reflectivity surface cavity mirror from a single silicon crystal which was part of a high-finesse standing-wave cavity. Such setups precisely execute the arrangement in the applications envisioned. The results of this thesis open the avenue to new generations of a variety of high-precision experiments targeting fundamental questions of physics.

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Brückner, Frank: Advanced mirror concepts for high-precision metrology. 2011.

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