Fabrication of High Finesse Mirrors for a Fiber Fabry-Pérot Cavity Experiment

Abstract

Fabry-Pérot resonators are vital tools for high-precision measurements due to their high spectral resolution and low loss rates. Recently, they have gained popularity in cavity quantum electrodynamics experiments. The high finesse and small mode volumes of fiber cavities provide strong coupling between cavity fields and atoms, enabling the study of atom-light entanglement and cavity-mediated interactions. In fiber-based cavities the mirrors are directly fabricated on the end faces of optical fibers. Fiber cavities offer multiple advantages like smaller mode volumes and easier integration with fiber-based control and readout systems. This work explores the most commonly used method for fabricating fiber mirrors using a C02-laser. The high-power laser ablatively removes material from the fiber end face creating high quality mirror surfaces with a customizable geometry. A white light interferometer is used for in-situ profilometry and characterization of the produced structures. This work gives a detailed description of the production process and studies the effects of various production parameters on the geometry and quality of the final mirror surfaces. Our results set the stage for achieving high-quality fiber mirror machining surpassing the current state of the art.

Fabry-Pérot-Resonatoren sind auf Grund ihrer hohen spektrale Auflösung und geringer optischer Verluste essenzielle Bausteine in einer Vielzahl von hochpräzisen optischen Instrumenten. In den letzten Jahren werden sie vermehrt in Experimenten der Resonator-Quantenelektrodynamik eingesetzt. Die hohe Finesse und kleinen Modenvolumen von Fabry-Pérot-Resonatoren ermöglichen starke Kopplungen zwischen dem Resonatorfeld und Atomen. So können Atom-Licht-Verschränkung und resonatorvermittelten Wechselwirkungen im Rahmen der Resonator-Quantenelektrodynamik experimentell untersucht werden. Bei faserbasierten Resonatoren werden die Resonatorspiegel direkt auf den Endflächen optischer Fasern gefertigt. Dies bietet mehrere Vorteile, wie kleine Modenvolumen und eine einfachere Integration mit faserbasierten Steuerungs- und Auslesesystemen. Diese Arbeit untersucht die gängigste Methode zur Herstellung von Faserspiegeln für optische Resonatoren. Dabei wird ein Hochleistungs-CO2-Laser eingesetzt, um durch thermischen Materialabtrag hochwertige Spiegeloberflächen mit anpassbarer Geometrie auf der Faseroberfläche zu erzeugen. Ein Weißlichtinterferometer wird dann zur In-situ-Charakterisierung der hergestellten Strukturen verwendet. Diese Arbeit gibt eine detaillierte Beschreibung des Herstellungsprozesses und untersucht die Auswirkungen verschiedener Produktionsparameter auf Form und Qualität der gefertigten Spiegeloberflächen. Unsere Ergebnisse schaffen die Grundlage für die Fertigung hochwertiger Faserspiegel, die den aktuellen Stand der Technik übertreffen.