Ein Hochfinesse-Resonator mit beweglichem Spiegel als optomechanischer Sensor
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Diplomarbeit aus dem Jahr 1998 im Fachbereich Physik - Technische Physik, Note: 1,0, Universität Konstanz (Unbekannt), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:Seit der Begründung der Quantentheorie in ihrer heute gültigen Form durch Heisenberg und Schrödinger in den 20er-Jahren dieses Jahrhunderts ist die Rückwirkung des Meßgerätes auf das zu messende Objekt für den Mikrokosmos der Quantenwelt allgemein akzeptiert. Aus unserer täglichen Erfahrung sind wir es aber gewohnt, daß Gegenstände nicht dadurch ihre Position verändern, daß wir eben diese Position zu bestimmen v...
Diplomarbeit aus dem Jahr 1998 im Fachbereich Physik - Technische Physik, Note: 1,0, Universität Konstanz (Unbekannt), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Seit der Begründung der Quantentheorie in ihrer heute gültigen Form durch Heisenberg und Schrödinger in den 20er-Jahren dieses Jahrhunderts ist die Rückwirkung des Meßgerätes auf das zu messende Objekt für den Mikrokosmos der Quantenwelt allgemein akzeptiert. Aus unserer täglichen Erfahrung sind wir es aber gewohnt, daß Gegenstände nicht dadurch ihre Position verändern, daß wir eben diese Position zu bestimmen versuchen. Mit zunehmender technologischer Entwicklung verschwimmt jedoch diese scheinbar scharfe Grenze zwischen quantenmechanischem Mikrokosmos und klassischer Erfahrungswelt mehr und mehr. Physikalische Experimente stoßen gegenwärtig in Bereiche der Präzision und Empfindlichkeit vor, die eine Beobachtung der Rückwirkung einer Messung auf das zu vermessende System auch für im Sinne der Quantenmechanik makroskopische Körper erwarten läßt.
Ein Gebiet der aktuellen Forschung, bei dem diese Effekte berücksichtigt werden müssen, ist beispielsweise die Gravitationswellendetektion. Diese von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Zeugen großer astrophysikalischer Ereignisse wie z.B. Supernovae würden ein neues Beobachtungsfenster in den Kosmos eröffnen. Seit den 60er Jahren wird der Versuch der Detektion dieser Gravitationswellen intensiv verfolgt. Weltweit werden derzeit mehrere internationale Projekte (LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA, AURIGA) vorangetrieben, die alle den Bau eines Gravitationswellendetektors zum Ziel haben. Das Grundprinzip dieser Detektoren beruht auf der interferometrischen Messung der Bewegung einer Testmasse, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird. Die erwarteten Längenänderungen, die von Interferometern aufgelöst werden müssen, liegen bei 1O-18m [MLP95]. Bei dieser Empfindlichkeit müssen möglicherweise Effekte wie die Rückwirkung des verwendeten Lasers auf die Testmasse über quantenmechanisch bedingte Strahlungsdruckfluktuationen berücksichtigt werden.
Ein anderes modernes Meßgerät, das den gleichen grundlegenden Beschränkungen der Meßpräzision entgegenstrebt, ist das atomare Kraftmikroskop (AFM). Die Position des durch die Wechselwirkung mit einer Probenoberfläche bewegten Mikroskopbalkens wird im allgemeinen optisch gemessen; dabei wird entweder die laterale Ablenkung eines Laserstrahls detektiert oder eine interferometrische Messung durchgeführt. Die dabei zu erwartenden Grenzen der Auflösung durch die Rückwirkung des Laserlichts auf die Position der Meßspitze werden seit einiger Zeit theoretisch diskutiert ([Mil94],[Smi95]). Obwohl die oben aufgeführten Experimente in ihren Dimensionen und auch in ihrer Zielsetzung völlig unterschiedlich sind, lassen sich doch sowohl das atomare Kraftmikroskop mit optischem Detektionssystem als auch die Gravitationswellendetektoren auf ein gemeinsames Modellsystem zurückführen: auf den optischen Resonator mit beweglichem Spiegel.
Der optische Resonator mit beweglichem Spiegel ist aber nicht nur als Modellsystem für Gravitationswellendetektoren interessant, sondern bietet auch Gelegenheit, die Theorie der optomechanischen Kopplung zu untersuchen. Verschiedene Gruppen haben sich mit diesem System theoretisch beschäftigt ([Fab94] [Mil94],[Hei94],[Pin94]), es existiert aber noch kein Experiment, das die Überprüfung der vorhergesagten Effekte wie zum Beispiel Reduzierung des Quantenrauschens durch den Beweglichen Spiegel [Fab94] ermöglicht. Das einzige dem Autor bekannte Experiment mit einem solchen Resonator wurde von [Dor83] durchgeführt; dabei wurde die durch den Strahlungsdruck induzierte optische Bistabilität eines Resonators mit beweglichem Pendelspiegel untersucht. Die realisierten Parameter (Finesse F = 15) des Experiments lassen aber die Beobachtung von Effekten wie quantenmechanische St...
Seit der Begründung der Quantentheorie in ihrer heute gültigen Form durch Heisenberg und Schrödinger in den 20er-Jahren dieses Jahrhunderts ist die Rückwirkung des Meßgerätes auf das zu messende Objekt für den Mikrokosmos der Quantenwelt allgemein akzeptiert. Aus unserer täglichen Erfahrung sind wir es aber gewohnt, daß Gegenstände nicht dadurch ihre Position verändern, daß wir eben diese Position zu bestimmen versuchen. Mit zunehmender technologischer Entwicklung verschwimmt jedoch diese scheinbar scharfe Grenze zwischen quantenmechanischem Mikrokosmos und klassischer Erfahrungswelt mehr und mehr. Physikalische Experimente stoßen gegenwärtig in Bereiche der Präzision und Empfindlichkeit vor, die eine Beobachtung der Rückwirkung einer Messung auf das zu vermessende System auch für im Sinne der Quantenmechanik makroskopische Körper erwarten läßt.
Ein Gebiet der aktuellen Forschung, bei dem diese Effekte berücksichtigt werden müssen, ist beispielsweise die Gravitationswellendetektion. Diese von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Zeugen großer astrophysikalischer Ereignisse wie z.B. Supernovae würden ein neues Beobachtungsfenster in den Kosmos eröffnen. Seit den 60er Jahren wird der Versuch der Detektion dieser Gravitationswellen intensiv verfolgt. Weltweit werden derzeit mehrere internationale Projekte (LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA, AURIGA) vorangetrieben, die alle den Bau eines Gravitationswellendetektors zum Ziel haben. Das Grundprinzip dieser Detektoren beruht auf der interferometrischen Messung der Bewegung einer Testmasse, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird. Die erwarteten Längenänderungen, die von Interferometern aufgelöst werden müssen, liegen bei 1O-18m [MLP95]. Bei dieser Empfindlichkeit müssen möglicherweise Effekte wie die Rückwirkung des verwendeten Lasers auf die Testmasse über quantenmechanisch bedingte Strahlungsdruckfluktuationen berücksichtigt werden.
Ein anderes modernes Meßgerät, das den gleichen grundlegenden Beschränkungen der Meßpräzision entgegenstrebt, ist das atomare Kraftmikroskop (AFM). Die Position des durch die Wechselwirkung mit einer Probenoberfläche bewegten Mikroskopbalkens wird im allgemeinen optisch gemessen; dabei wird entweder die laterale Ablenkung eines Laserstrahls detektiert oder eine interferometrische Messung durchgeführt. Die dabei zu erwartenden Grenzen der Auflösung durch die Rückwirkung des Laserlichts auf die Position der Meßspitze werden seit einiger Zeit theoretisch diskutiert ([Mil94],[Smi95]). Obwohl die oben aufgeführten Experimente in ihren Dimensionen und auch in ihrer Zielsetzung völlig unterschiedlich sind, lassen sich doch sowohl das atomare Kraftmikroskop mit optischem Detektionssystem als auch die Gravitationswellendetektoren auf ein gemeinsames Modellsystem zurückführen: auf den optischen Resonator mit beweglichem Spiegel.
Der optische Resonator mit beweglichem Spiegel ist aber nicht nur als Modellsystem für Gravitationswellendetektoren interessant, sondern bietet auch Gelegenheit, die Theorie der optomechanischen Kopplung zu untersuchen. Verschiedene Gruppen haben sich mit diesem System theoretisch beschäftigt ([Fab94] [Mil94],[Hei94],[Pin94]), es existiert aber noch kein Experiment, das die Überprüfung der vorhergesagten Effekte wie zum Beispiel Reduzierung des Quantenrauschens durch den Beweglichen Spiegel [Fab94] ermöglicht. Das einzige dem Autor bekannte Experiment mit einem solchen Resonator wurde von [Dor83] durchgeführt; dabei wurde die durch den Strahlungsdruck induzierte optische Bistabilität eines Resonators mit beweglichem Pendelspiegel untersucht. Die realisierten Parameter (Finesse F = 15) des Experiments lassen aber die Beobachtung von Effekten wie quantenmechanische St...
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