Fabrication of high finesse fiber Fabry-Perot cavities

Abstract

Faser Fabry-Pérot Resonatoren (FFPCs) sind in den vergangenen Jahren zu einem zentralen Bauelement zahlreicher Anwendungen geworden. Sie vereinen das kleine Modenvolumen mikroskopischer Resonatoren mit der intrinsischen Faserkopplung geführter Optiken und bilden damit eine Schlüsselkomponente für Anwendungen in der Quanteninformation und der Cavity-Quantenelektrodynamik. Diese Arbeit widmet sich der Herstellung von FFPCs mit hoher Finesse sowie einem quantitativen Verständnis der wesentlichen Mechanismen, die ihre Leistungsfähigkeit bestimmen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Strukturierung konkaver Spiegel direkt auf den Faserendflächen mittels CO2-Laserablation. Es werden praktische Prozeduren zur Faserpräparation, zur Laserbearbeitung und zur anschließenden Oberflächencharakterisierung vorgestellt. Interferometrische Messungen und numerische Oberflächenrekonstruktion dienen dazu, die Krümmungsradien, Exzentrizitäten und die Oberflächenqualität der her-gestellten Profile zu bestimmen. Das rekonstruierte Profil wird anschließend als Eingabe für numerische Cavity-Simulationen verwendet, die eine Abschätzung von Clipping- und weiteren Verlustkanälen sowie eine Vorhersage der erzielbaren Finesse ermöglichen. Die Kombination aus Fertigung, Charakterisierung und Simulation liefert konkrete Leitfäden für die Herstellung von FFPCs mit Spiegel Geometrien und Verlustbudgets, die mit den Finesse-Anforderungen fortgeschrittener Quantenoptikexperimenten vereinbar sind.

Fiber Fabry-Pérot cavities (FFPCs) have become essential in many optical applications over the last years. FFPCs combine the tight spatial confinement of light of microscopic resonators with the intrinsic fiber coupling of guided optics, which makes them a key component for applications in quantum information and cavity quantum electrodynamics. This thesis is devoted to the fabrication of high-finesse FFPCs and to a quantitative understanding of the main mechanisms that determine their performance. The main part of the work focuses on shaping concave mirrors directly on fiber-end-facets using CO2-laser ablation. Practical procedures for fiber preparation, laser machining and subsequent surface characterization are presented. Interferometric measurements and numerical surface reconstruction are employed to determine the radii of curvature, eccentricities and surface quality of the ablated profiles. The reconstructed profile is then used as input for numerical cavity simulations, which allow estimation of clipping and other loss channels and prediction of the achievable finesse. The combination of fabrication, characterization and simulation yields concrete guidelines for designing and producing FFPCs with mirror geometries and loss budgets compatible with the finesse requirements of advanced quantum optics experiments.