Interaction optomécanique à trois modes et refroidissement d'un micro-résonateur mécanique
Résumé
We present a very sensitive optical measurement of the mechanical fluctuations of a micro-mirror in a high finesse Fabry-Perot cavity. The micro-mirror is formed by a micrometric silicon resonator typically oscillating at few megahertz and coated with a high reflectivity dielectrical multilayer. The very high sensitivity of interferometric measurements allows in principle to measure the zero-point fluctuations of the resonator. Its thermal energy becomes negligible with respect to ground state energy when its effective temperature is lower than 30 microKelvin: in order to meet this very stringent condition, we both made use of cryogenic techniques and a cooling laser technique based on dynamical radiation-pressure effects in a detuned cavity. We have thus explored the possibility of performing high-sensitivity optical measurements once the micro-resonator and the cavity are cooled in a flowing helium cryostat. We measured the thermal noise spectrum at cryogenic temperature and realized the radiation pressure cooling of the micro-mirror. We studied a new kind of optomechanical coupling as well, which involves three modes and will enable a more efficient active cooling. We demonstrated the possibility of either increase or decrease the effective temperature, depending on the coupling between the modes. Furthermore, this technique is useful to study the parametric instabilities which are likely to play a role in second generation of gravitational-waves interferometers.
Dans ce manuscrit nous présentons une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un résonateur de taille micrométrique en silicium, de fréquence de résonance de l'ordre du mégahertz, sur lequel est déposé un traitement optique de haute réflectivité. La sensibilité très élevée des mesures interférométriques est en principe suffisante pour observer les fluctuations quantiques de point zéro du résonateur. Pour atteindre le régime où l'énergie d'agitation thermique du micro-résonateur devient négligeable devant celle de l'état quantique fondamental, sa température doit être inférieure à 30 microKelvin. Afin d'approcher cette température, nous avons utilisé à la fois des méthodes cryogéniques traditionnelles et une technique de refroidissement laser basée sur les effets dynamiques de la pression de radiation dans une cavité désaccordée. Nous avons ainsi étudié la possibilité de combiner mesures optiques de haute sensibilité et cryogénie en plaçant le micro-résonateur et la cavité dans un cryostat à circulation d'hélium liquide. Nous avons mesuré le spectre de bruit thermique à température cryogénique et réalisé un refroidissement par pression de radiation du micro-résonateur. Nous avons également étudié un nouveau mécanisme de couplage optomécanique à trois modes, à bandes latérales résolues, plus efficace pour refroidir un micro-résonateur. Nous avons mis en évidence à la fois un effet de réduction et d'augmentation de la température effective du micro-miroir selon le couplage des modes optiques. Cette technique permet également d'étudier le phénomène des instabilités paramétriques pouvant apparaître dans les interféromètres gravitationnels de seconde génération.
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