Nano-optomechanische Fasersensorik

Nano-optomechanische Sensoren nutzen Lichtkonfektion auf Nanoskala, um sehr präzise Messungen von Verschiebung, Kraft, Beschleunigung und Masse zu ermöglichen. Ihre Anwendung wird durch die komplexen optischen Aufbauten oder Verpackungsschemata, die erforderlich sind, um Licht zu und von dem nano-optomechanischen Resonator zu koppeln, behindert. In dieser Arbeit präsentieren wir einen fasergekoppelten nano-optomechanischen Sensor, der keine Kopplungsoptik benötigt. Dies wird erreicht, indem eine nano-optomechanische Struktur, ein doppelmembraniger photonischer Kristall (DM-PhC), direkt auf die Facette einer Faser platziert wird, mithilfe einer einfachen und skalierbaren Wafer-zu-Faser-Transfermethode. Das Gerät wird im Reflexionsmodus untersucht und hat eine Resonanz bei Telekom-Wellenlängen mit einer relativ breiten spektralen Breite von 3-10 nm, was vorteilhaft für eine einfache Auslesung ist und eine Verschiebungsungenauigkeit von 10 fm/Hz erzielt. Durch die Verwendung von resonantem Antreiben und einer Ringdown-Messung können wir mechanische Oszillationen mit einer Amplitude im nm-Bereich über die Faser induzieren und überwachen, was es ermöglicht, die mechanische Resonanzfrequenz und die mechanische Linienbreite mit Ungenauigkeiten von 79 und 12 Hz zu verfolgen, jeweils bei Integrationszeiten von 4,5 s. Darüber hinaus demonstrieren wir die Anwendung dieses Fasersensors zur Druckmessung, indem wir den Effekt der kollisionalen Dämpfung auf die mechanische Linienbreite nutzen, was zu einer Ungenauigkeit von 9×10-4 mbar bei einer Integrationszeit von 290 s führt. Diese Kombination aus Optomechanik und Fasersensorik könnte den Weg für eine neue Generation von Fasersensoren mit beispielloser Funktionalität, ultraschmaller Stellfläche und kostengünstiger Auslesung ebnen.