Towards the fabrication of fiber-based Fabry Perot cavities

Abstract

Um unser Wissen zu vertiefen und zusätzliche Bereiche der Physik experimentell zu erschließen, scheint eine weitere Miniaturisierung der Technologien unumgänglich. Fabry-Perot-Interferometer FPIs, welche in der Regel aus zwei planparallelen Spiegeln bestehen und als Spektralfilter fungieren, stellen jene klassischen optischen Instrumente dar, welche die höchste spektrale Auflösung vor der Erfindung der Laserspektroskopie boten, und haben viele Experimente angeregt. Die Fortschritte bei der Bearbeitung der Endflächen von Glasfasern erlauben die Herstellung von faserbasierten Fabry-Perot-Resonatoren (FFPCs), kompakten Bauelementen mit kleinem Modenvolumen sowie einer offenen Geometrie und hoher Finesse. Sie können in vielen Bereichen eingesetzt werden, beispielweise in der Sensorik, der nichtlinearen Optik und der Resonator-Quantenelektrodynamik CQED. In dieser Arbeit stellen wir einen hochautomatisierten Herstellungsprozess zur Fabrikation von FFPCs mit hoher Finesse vor. Während die Form der Spiegel mit einem CO2-Laser erzeugt wird, trägt ein externes Unternehmen die Beschichtung auf. Die Oberfläche des Spiegels kann mittels Weißlichtinterferometrie unter Verwendung eines Mirau-Objektivs vermessen werden, wodurch eine iterative Optimierung der Geometrie ermöglicht wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Steuerungssoftware für die Fertigungsanlage, die Methode zur Rekonstruktion der Spiegelform und das Herstellungprozedere entwickelt. Darüber hinaus wurden alle notwendigen Teile beschafft und größtenteils montiert, sodass bald mit der Prototypenproduktion begonnen werden kann. Aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften für den Bau kompakter und robuster Quanten-basierter Geräte wird die erste Verwendung in jenem Quantensimulator stattfinden, welcher derzeit von unserer Gruppe aufgebaut wird und mithilfe von Tweezern neutrale Atome in einem FFPC anordnen wird.

To enhance our knowledge and to experimentally access broader realms of physics, further miniaturization of devices seems inevitably. Fabry-Perot interferometers (FPIs), which typically consist of two parallel mirrors that act as a spectral filter, represent the classical optical instruments with the highest spectral resolution before the invention of laser spectroscopy and have stimulated many experiments. The recent progress in the treatment of end-facets of optical fibers has enabled the fabrication of Fiber Fabry Perot cavities (FFPCs), compact devices with small mode volumes, open geometries and high finesses. They can be used in many fields including sensing, nonlinear optics and cavity quantum electrodynamics (CQED). In this thesis, we present a highly automated manufacturing process to fabricate FFPCs with high finesses and customizable geometry. While the shapes of the mirrors are machined with a CO2 laser, the coatings are applied externally. The surfaces of the mirrors can be measured in situ using white light interferometry with a Mirau objective, enabling iterative optimization of the geometry. In the course of this work, the control software for the fabrication facility, the method to reconstruct the mirror shape and the manufacturing procedure were developed. Furthermore, all necessary parts were produced and mostly set into place, enabling to start the prototype production soon. Due to their advantageous features for the construction of compact and robust quantum-enabled devices, their first application will be in the setup we are currently building in our group, which uses a tweezer array of neutral atoms inside a FFPC.