Струна, которая не фальшивит: высшие моды удерживают свет в резонаторе ✛
Настройка струны: высшие гармоники помогают держать тон, не заглушая основную ноту. В оптической микрополости — крошечном резонаторе из двух зеркал — свет гуляет между отражающими поверхностями, и любое дрожание расстояния сбивает резонанс. Инженеры из Лундского университета превратили эту проблему в преимущество: вместо того чтобы бороться с высшими пространственными модами, они заставили их работать стабилизаторами.
Резонатор Фабри–Перо с плоским зеркалом и вогнутым торцом одномодового волокна подвесили на трёх пружинах, чтобы отсечь вибрации криостата. Затем испытали два способа активной стабилизации. Первый — блокировка по краю резонансного провала отражения — работал, но точность падала с ростом порядка моды: от 1,3 пм для основной моды до 2,5 пм для TEM50. Причина — дифракционные потери на конечном зеркале радиусом 10,5 мкм, которые снижали добротность — число отражений света между зеркалами.
Второй способ — наклонная блокировка на нечётных модах Эрмита–Гаусса TEM10, TEM30, TEM50 — оказался точнее. Сигнал ошибки извлекали из интерференции между отражённой основной модой и резонансной высшей модой на четырёхквадрантном фотодетекторе. На моде TEM10 при внутрирезонаторной мощности 32 мВт достигли стабильности 0,5 пм СКЗ — в четыре раза лучше, чем у блокировки по краю. Утечка фотонов запирающего луча в одномодовое волокно для TEM10 оказалась в 8 раз ниже, чем для TEM00, а для TEM30 — в 20 раз ниже, что в сумме с фильтрацией даёт подавление более чем в 100 раз.
Раньше было неясно, можно ли стабилизировать открытую микрополость с высокой точностью, не загрязняя детектор одиночных фотонов светом запирающего луча. Теперь показано: наклонная блокировка на высших модах решает обе задачи сразу. Метод готов к применению в экспериментах с одиночными излучателями в открытых резонаторах, особенно при криогенных температурах. Следующий шаг — интеграция резонатора с нанокристаллами, допированными редкоземельными ионами, для проверки усиления Парселла.
Вернёмся к струне: высшие гармоники не просто звучат вместе с основной нотой — они удерживают её тон, когда инструмент дрожит. В оптике высшие моды делают то же самое для света, открывая дорогу к квантовым сетям с одиночными излучателями.
Стабильность 0,5 пм — это примерно одна пятидесятитысячная диаметра атома водорода. Если бы расстояние между зеркалами было равно одному метру, такая точность соответствовала бы контролю зазора с ошибкой в полпроцента толщины человеческого волоса.
Идея использовать высшие моды для стабилизации резонатора перекликается с концепцией «квантового демпфирования» из романа Грега Игана «Карантин», где точная подстройка оптических полостей позволяет управлять квантовыми состояниями одиночных частиц.