Mesure optique ultrasensible et refroidissement par pression de radiation d'un micro-résonateur mécanique

par Olivier Arcizet

Thèse de doctorat en Physique quantique

Sous la direction de Antoine Heidmann.

Soutenue en 2006

à Paris 6 .

mots clés

• Micro-miroir
• Cavité de grande finesse
• Bruit thermique
• Friction froide
• Refroidissement intracavité
• Effet photothermique

Résumé

On présente une expérience de mesure optique de la position d'un micro-miroir inséré dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse, constitué d'un traitement optique présentant peu de pertes déposé sur un résonateur sub-millimétrique en silicium. On a mesuré son bruit thermique sur une large plage de fréquences et étudié les caractéristiques de ses modes propres de vibration qui ont des fréquences de résonance élevées (1 MHz) et des faibles masses effectives (100 µg). Une force électrostatique permet de tester sa réponse mécanique et de le refroidir en utilisant un processus de friction froide. On a aussi démontré un refroidissement par pression de radiation dans une cavité désaccordée, un chauffage et même une instabilité dynamique. Ces techniques, associées à la cryogénie passive, devraient permettre de refroidir suffisamment le micro-résonateur pour observer son état quantique fondamental. On présente enfin une étude expérimentale de l'effet photothermique.

Titre traduit

High-sensitivity measurement and radiation-pressure cooling of a micro-mechanical resonator

Résumé

We present a very sensitive optical measurement of the mechanical vibrations of a micro-mirror inserted in a high finesse Fabry-Perot cavity, made of a low-loss dielectric coating deposited on a sub-millimetric silicon etched resonator. We have measured the thermal noise of the resonator over a wide frequency range and characterized its eigenmodes which have high frequency resonances (1 MHz) and low effective masses (100 µg). With an electrostatic force, we have tested its mechanical response and cooled it with a cold damping technique. We have also demonstrated a new cooling mechanism, induced by radiation pressure in a detuned cavity, and even observed an optomechanical instability at large intracavity power. These cooling mechanisms, combined with passive cryogenic techniques, may lead to the observation of the quantum ground state of the mechanical oscillator. An experimental study of the photothermal effect follows.