Flexural membrane-at-the-edge optomechanical system

In the field of cavity optomechanics, we have gained a great deal of control over mechanical systems using radiation pressure. Traditionally, this is achieved using "dispersive" optomechanical coupling (wherein mechanical motion modulates the frequency of an optical resonator), but it is also possible to exploit these forces with a "dissipative" coupling, wherein mechanical motion modulates a cavity's decay rate.In this thesis, we present a membrane-at-the-edge system, which consists of a membrane positioned a few microns from one mirror of a centimeters-long Fabry-Perot optical cavity. A Si3N4 membrane is positioned on ~ 20 μm high photoresist "bumpers" deposited on top of a mirror (reflectivity R ~ 0.99) and the silicon chip containing the membrane is bent by applying a force on it, effectively displacing the membrane. We align this short half-cavity by interferometric imaging, and position it as the first "compound mirror" of an optical cavity (the second mirror, ~ 10 cm away, has comparatively high reflectivity R > 0.99999). We characterize the optical modes and find that the position of the mechanical oscillator, the Si3N4 membrane, modulates the finesse of the cavity between F ~ 250 and F ~ 600. We can also change the relative contribution of the dispersive and dissipative couplings by tuning its position. We then discuss the prospects for dissipative laser cooling with this system and what parameters would optimize this effect. This preliminary measurement and analysis show that it could be possible to significantly cool a trampoline mechanical resonator: its effective temperature could be reduced by a factor of 10^4 for 1 W of intra-cavity power. Futhermore, by using a higher reflectivity trampoline (R ~ 0.99) and 1 W intra-cavity power, the phonon number can be reduced by a factor of 10^6 (the shot-noise of which only introduces an additional ~ 0.01 quanta of mechanical energy in steady state). The latter scenario could be realized by patterning a 2D array of holes, a photonic crystal, on a Si3N4 trampoline. Development of photonic crystals is a goal already pursued by the Sankey lab.Dans le domaine de l'optomécanique, il est possible de contrôler très précisément un élément mécanique via la pression de radiation de la lumière. Traditionnellement, les éléments mécaniques sont contrôlés via un couplage dit « dispersif » - où la position d'un oscillateur mécanique module la fréquence d'un résonateur optique -, mais il est aussi possible d'utiliser un couplage « dissipatif » avec lequel la position de l'oscillateur mécanique module le temps de vie des photons à l'intérieur d'une cavité optique.Dans ce mémoire, nous présentons un système membrane-proche-d'un-miroir (membrane-at-the-edge) qui consiste en une membrane de Si3N4 placée à quelques microns d'un miroir d'une cavité de quelques centimètres. Ladite membrane a été placée sur des piliers en photorésine, d'environ ~ 20 μm de hauteur, qui ont été déposés sur un miroir d'une réflectivité R ~ 0.99, créant une demi-cavité. La position de la membrane a été changée en appliquant une force sur l'échantillon de silicium contenant la membrane, qui le fait fléchir. Nous avons aligné la demi-cavité en utilisant de l'imagerie par interférométrie et placé ce « miroir composite » comme le premier miroir d'une cavité contenant un autre miroir de grande réflectivité R > 0.99999. Nous avons caractérisé ses résonances optiques, montrant que la position de l'élément mécanique fait varier la fréquence de résonance du système et le temps de vie des photons dans la cavité. La position de la membrane, agissant aussi à titre d'élément mécanique, fait varier la finesse de la cavité entre F ~ 250 et F ~ 600. Nous confirmons aussi qu'il est possible de changer la contribution relative du couplage dispersive et dissipatif. Nous montrons en particulier qu'il est possible d'utiliser le système développé afin de refroidir significativement la membrane, et discutons comment un tel refroidissement est possible et quels paramètres doivent être optimisés afin de maximiser cet effet.Cette mesure préliminaire et l'analyse réalisée dans ce mémoire montrent qu'il devrait être possible de refroidir significativement une « trampoline » : sa température effective peut être réduite par un facteur de 10^4 pour 1 W de puissance intra-cavité. De plus, nous montrons qu'en utilisant un trampoline de grande réflectivité (R ~ 0.99) et 1 W de puissance intra-cavité, le nombre de phonons peut être réduit par un facteur de 10^6 (le bruit de grenailles des photons introduit seulement ~ 0.01 quanta d'énergie dans l'oscillateur mécanique). Cette dernière possibilité pourrait être réalisée en créant une série de trous périodiques, un cristal photonique, dans un trampoline, augmentant ainsi sa réflectivité. Le développement de cristaux photoniques est une des avenues de recherche du laboratoire Sankey