Title (eng)
Position readout of an optically trapped nano sphere in a hollow core photonic crystal fiber as a step towards parametric feedback cooling
Parallel title (deu)
Positionsdetektion einer optisch gefangenen Nanokugel in einer Hohlkernfaser als Vorbereitung für parametrische Kühlung
Author
Julian Valentin Fesel
Advisor
Markus Aspelmeyer
Assessor
Markus Aspelmeyer
Abstract (deu)
Diese Arbeit baut auf den Ergebnissen der Masterarbeit von David Grass auf und beschäftigt sich mit der Detektion der Massenmittelpunktsbewegung von Silikat Nanoteilchen in der optischen Falle einer Hohlkernfaser und deren Kühlung durch einen parametrischen Regelkreis. Die erfolgreiche Detektion aller drei Translationsfreiheitsgrade, sowie vorläufige Ergebnisse der Kühlung in einer der radialen Dimensionen der Teilchenbewegung werden demonstriert. Das Ziel ist es, mit Hilfe der Kühlung kritische Druckbereiche beim abpumpen der Vakuumkammern zu überbrücken, damit das Teilchen in ein Druckregime im Bereich von 10^-3 mBar gebracht werden kann.
Der nötige theoretische Hintergrund der optischen Falle, sowie der speziellen Eigenschaften der Hohlkernfaser werden erläutert und schließlich der physikalische Mechanismus der Bewegungsdetektion in allen drei Raumrichtungen diskutiert. Im Anschluss wird die Brownsche Bewegung der Nanoteilchen und deren Charakteristik in der optischen Falle besprochen. Die im Experiment gemessenen Daten der Teilchenbewegung, werden mit den theoretischen Vorhersagen verglichen und es zeigt sich eine vernünftige Übereinstimmung. Schlussendlich werden der theoretische Hintergrund, die Implementierung und die erwarteten Effekte der parametrischen Kühlung erklärt und mit den experimentellen Resultaten verglichen.
Abstract (eng)
Optically levitated nano spheres show great prospects for the goal of preparing mesoscopic objects in their quantum mechanical ground state. This requires to trap the particles at pressures below 10^-7mBar, and hence sophisticated loading mechanisms that comply with an ultra high vacuum (UHV) environment. In (Grass, 2013) it is shown, that hollow core photonic crystal fibers (HCPCF) do not only support the trapping and transport of nano particles, but can also be used to bridge pressure differences of nine orders of magnitude, thereby making them a promising candidate for an UHV compatible loading mechanism.
The work in this thesis continues the efforts in that direction. So far the HCPCF loading scheme is limited by the fact, that due to up to now unknown reasons, the particles are lost during the evacuation at pressures around 1mBar. Active cooling of the particle motion based on parametric feedback, is known to be a working countermeasure and is what we set out to implement in our loading scheme. En route to this, we successfully demonstrate a three dimensional position readout of the particle motion inside the HCPCF, that is based on higher order guided modes. It turns out, that these modes can also have an interesting effect on the trapping potential, which is experimentally verified. In addition we discuss preliminary results on feedback cooling in one of the radial dimensions.
Keywords (eng)
optomechanicsnanoparticleparametric feedbackhollow core photonic crystal fiber
Keywords (deu)
OptomechanikNanoteilchenParametrische KühlungHohlkernfaser
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1312635
rdau:P60550 (deu)
67 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
85
Association (deu)
Title (eng)
Position readout of an optically trapped nano sphere in a hollow core photonic crystal fiber as a step towards parametric feedback cooling
Parallel title (deu)
Positionsdetektion einer optisch gefangenen Nanokugel in einer Hohlkernfaser als Vorbereitung für parametrische Kühlung
Author
Julian Valentin Fesel
Abstract (deu)
Diese Arbeit baut auf den Ergebnissen der Masterarbeit von David Grass auf und beschäftigt sich mit der Detektion der Massenmittelpunktsbewegung von Silikat Nanoteilchen in der optischen Falle einer Hohlkernfaser und deren Kühlung durch einen parametrischen Regelkreis. Die erfolgreiche Detektion aller drei Translationsfreiheitsgrade, sowie vorläufige Ergebnisse der Kühlung in einer der radialen Dimensionen der Teilchenbewegung werden demonstriert. Das Ziel ist es, mit Hilfe der Kühlung kritische Druckbereiche beim abpumpen der Vakuumkammern zu überbrücken, damit das Teilchen in ein Druckregime im Bereich von 10^-3 mBar gebracht werden kann.
Der nötige theoretische Hintergrund der optischen Falle, sowie der speziellen Eigenschaften der Hohlkernfaser werden erläutert und schließlich der physikalische Mechanismus der Bewegungsdetektion in allen drei Raumrichtungen diskutiert. Im Anschluss wird die Brownsche Bewegung der Nanoteilchen und deren Charakteristik in der optischen Falle besprochen. Die im Experiment gemessenen Daten der Teilchenbewegung, werden mit den theoretischen Vorhersagen verglichen und es zeigt sich eine vernünftige Übereinstimmung. Schlussendlich werden der theoretische Hintergrund, die Implementierung und die erwarteten Effekte der parametrischen Kühlung erklärt und mit den experimentellen Resultaten verglichen.
Abstract (eng)
Optically levitated nano spheres show great prospects for the goal of preparing mesoscopic objects in their quantum mechanical ground state. This requires to trap the particles at pressures below 10^-7mBar, and hence sophisticated loading mechanisms that comply with an ultra high vacuum (UHV) environment. In (Grass, 2013) it is shown, that hollow core photonic crystal fibers (HCPCF) do not only support the trapping and transport of nano particles, but can also be used to bridge pressure differences of nine orders of magnitude, thereby making them a promising candidate for an UHV compatible loading mechanism.
The work in this thesis continues the efforts in that direction. So far the HCPCF loading scheme is limited by the fact, that due to up to now unknown reasons, the particles are lost during the evacuation at pressures around 1mBar. Active cooling of the particle motion based on parametric feedback, is known to be a working countermeasure and is what we set out to implement in our loading scheme. En route to this, we successfully demonstrate a three dimensional position readout of the particle motion inside the HCPCF, that is based on higher order guided modes. It turns out, that these modes can also have an interesting effect on the trapping potential, which is experimentally verified. In addition we discuss preliminary results on feedback cooling in one of the radial dimensions.
Keywords (eng)
optomechanicsnanoparticleparametric feedbackhollow core photonic crystal fiber
Keywords (deu)
OptomechanikNanoteilchenParametrische KühlungHohlkernfaser
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1312636
Number of pages
85
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