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Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (08/12/2006), Antoine Heidmann (Dir.)
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Mesure optique ultrasensible et refroidissement par pression de radiation d´un micro-résonateur mécanique
Olivier Arcizet1

On présente une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir inséré dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un traitement optique présentant peu de pertes déposé à la surface d'un résonateur de taille sub-millimétrique en silicium. On a mesuré le bruit thermique du résonateur sur une large plage de fréquences et déterminé les caractéristiques de ses modes propres de vibration: fréquence, facteur de qualité, masse effective, structure spatiale. Ces modes ont des fréquences de résonance élevées (1 MHz) et des faibles masses effectives (100 µg). On a appliqué une force électrostatique sur le micro-résonateur, ce qui a permis de tester sa réponse mécanique et de le refroidir par contrôle actif en mettant en oeuvre un processus de friction froide.

On a également mis en évidence un effet d'auto-refroidissement dû à la modification de la dynamique par la pression de radiation dans une cavité désaccordée. On a observé selon le désaccord un refroidissement et un chauffage du résonateur, qui conduit à forte puissance à une instabilité dynamique.

Ces techniques de refroidissement combinées à de 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 et une mesure des dilatations induites par l'échauffement lié à l'absorption de lumière dans les traitements optiques.
1:  LKB (Jussieu) - Laboratoire Kastler Brossel
Micro-miroir – Oscillateur mécanique – MEMS – Etat quantique fondamental – Cavité de grande finesse – Bruit thermique – Force électrostatique – Friction froide – Pression de radiation – Refroidissement intracavité – Cavité désaccordée – Instabilité optomécanique – Effet photothermique.

Ultrasensitive optical readout and radiation pressure cooling of a micro-mechanical resonator
We present a very sensitive optical measurement of the mechanical vibrations of a micro-mirror inserted in a high finesse Fabry-Perot cavity. The micro-mirror is made of a low-loss dielectric coating deposited on a sub-millimetric sized silicon etched resonator. We have measured the thermal noise of the resonator over a wide frequency range and characterized its eigenmodes: frequency, effective mass, damping and spatial shape. They present high frequency resonances (1 MHz) and low effective masses (100 µg). Using an electrostatic force, we have tested its mechanical response and cooled the resonator using a cold damping technique.

We have also demonstrated a novel cooling mechanism, induced by the radiation pressure in a detuned cavity. Depending on the detuning, we have observed a cooling or a heating of the resonator, which can lead to an optomechanical instability at large intracavity intensity.

These cooling mechanisms, combined with passive cryogenic techniques, may lead to a sufficient cooling in order to observe the ground state of the mechanical oscillator.

We also present an experimental study of the photothermal effect and a measurement of the thermal expansion induced by the light absorbed in the dielectric layer.
Micro-mirror – Mechanical oscillator – MEMS – Quantum ground state – High finesse optical cavity – Thermal noise – Electrostatic force – Cold damping – Radiation-pressure cooling – Detuned cavity – Optomechanical instability – Photothermal effect.

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