Автореферат (Анализ тепловых шумов в многослойных диэлектрических зеркалах интерферометров и оптических микрорезонаторах)

Íà ïðàâàõ ðóêîïèñèÊîíäðàòüåâ Íèêèòà Ìèõàéëîâè÷Àíàëèç òåïëîâûõ øóìîâ â ìíîãîñëîéíûõäèýëåêòðè÷åñêèõ çåðêàëàõ èíòåðôåðîìåòðîâ èîïòè÷åñêèõ ìèêðîðåçîíàòîðàõ01.04.01 Ïðèáîðû è ìåòîäû ýêñïåðèìåíòàëüíîé ôèçèêèÀâòîðåôåðàò äèññåðòàöèè íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíèêàíäèäàòà ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóêÌîñêâà 2015Ðàáîòà âûïîëíåíà íà êàôåäðå ôèçèêè êîëåáàíèé ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌîñêîâñêîãîÃîñóäàðñòâåííîãî Óíèâåðñèòåòà èì. Ì.Â. ËîìîíîñîâàÍàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü:Ãîðîäåöêèé Ìèõàèë Ëåîíèäîâè÷ä.ô-ì.í., ïðîô.

êàôåäðû êîëåáàíèé ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ èì. Ì.Â. ËîìîíîñîâàÎôèöèàëüíûå îïïîíåíòû:Ìàíóêèí Àíàòîëèé Áîðèñîâè÷ä.ô.-ì.í., Ãë.í.ñ., Èíñòèòóò ôèçèêè Çåìëè èì. Î.Þ.Øìèäòà ÐÀÍÑàìîéëåíêî Àëåêñåé Àíäðååâè÷ê.ô.-ì.í., í.ñ., Âñåðîññèéñêèé íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò îïòèêî-ôèçè÷åñêèõ èçìåðåíèé (ÔÃÓÏ ÂÍÈÈÎÔÈ)Âåäóùàÿ îðãàíèçàöèÿ:Èíñòèòóò ñïåêòðîñêîïèè ÐÀÍ (ÈÑÀÍ)Çàùèòà ñîñòîèòñÿ3“ ìàðòà 2016 ãîäà â 15-30 íà çàñåäàíèè äèññåðòàöèîííîãî ñîâåòà”Ä 501.001.66 íà áàçå Ìîñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà èìåíè Ì.Â. Ëîìîíîñîâàïî àäðåñó: 119991, Ìîñêâà, Ëåíèíñêèå ãîðû, ä.

1, ñòð. 2, Ôèçè÷åñêèé ôàêóëüòåò ÌÃÓ, àóä.____.Ñ äèññåðòàöèåé ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â Íàó÷íîé áèáëèîòåêå ÌÃÓ èìåíè Ì.Â. Ëîìîíîñîâà è íà ñàéòå phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Àâòîðåôåðàò ðàçîñëàí__“ _________ 2015 ãîäà”Ó÷¼íûé ñåêðåòàðü äèññåðòàöèîííîãî ñîâåòà Ä 501.001.66ê.ô.-ì.í.È.Í. Êàðòàøîâ1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðàáîòû1.1.Àêòóàëüíîñòü òåìûÑîâðåìåííàÿ íàóêà è òåõíèêà äâèæóòñÿ ïî ïóòè âñåîáùåé ìèíèàòþðèçàöèè è ïîâûøå-íèÿ òî÷íîñòè èçìåðåíèé. Ìåíüøèå ðàçìåðû èçó÷àåìûõ îáúåêòîâ, ïðèáîðîâ, ìåíüøèå äëèíûâîëí, ìåíüøèå âåëè÷èíû ñèãíàëîâ. Áîëüøîé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò èçìåðåíèÿ íà êâàíòîâîìóðîâíå.

Öåëüþ ìíîãèõ èññëåäîâàòåëåé ÿâëÿåòñÿ ïðèãîòîâëåíèå è íàáëþäåíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë â êâàíòîâûõ ñîñòîÿíèÿõ. Âñ¼ ýòî ïðèâîäèò ê âîçðàñòàíèþ ðîëè ðàçëè÷íûõ øóìîâ,è òðåáóåò òùàòåëüíîé ðàçðàáîòêè ïðèáîðîâ è ïîäãîòîâêè ýêñïåðèìåíòîâ.Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü îäíèì èç ñàìûõ òî÷íûõ ôèçè÷åñêèõ ïðèáîðîâ ÿâëÿåòñÿ ëàçåðíàÿ ãðàâèòàöèîííàÿ îáñåðâàòîðèÿ (LIGO) [1]. Ãðàâèòàöèîííûå âîëíû íàñòîëüêî ñëàáû, ÷òîíåñìîòðÿ íà èõ êîñâåííîå îáíàðóæåíèå â 1974, èõ ïðÿìîå äåòåêòèðîâàíèå íå ìîãëî ïðîèçîéòèäî íàñòîÿùåãî âðåìåíè òîëüêî â òå÷åíèå ýòîãî ãîäà Advanced LIGO âûøåë íà ïðîåêòíóþ÷óâñòâèòåëüíîñòü, êîòîðîé äîëæíî áûòü, íàêîíåö, äîñòàòî÷íî [2, 3].

Äðóãèìè ñëîâàìè, äëÿóñïåøíîãî ïðè¼ìà íåîáõîäèìî èçìåðÿòü îòíîñèòåëüíûå ñìåùåíèÿ ïðîáíûõ ìàññ íà óðîâíå10−20ìåòðà. Íàñòîëüêî âûñîêèå òðåáîâàíèÿ ê òî÷íîñòè ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî äàæå áðî-óíîâñêîå äâèæåíèå ÷àñòèö ïîâåðõíîñòè çåðêàëà ìåøàåò ýôôåêòèâíîé ðàáîòå ïðèáîðà. Ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî èñòî÷íèêîâ äîïîëíèòåëüíûõ ïîìåõ [4], íî íà íàñòîÿùåå âðåìÿ îñíîâíûìôàêòîðîì ñíèæàþùèì ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÿâëÿþòñÿ òåïëîâûå ôëóêòóàöèè ïîêðûòèÿ è ïîäëîæêè çåðêàë. Òàêèì îáðàçîì, òî÷íûé ðàñ÷¼ò è ïîèñê ïóòåé èõ ñíèæåíèÿ î÷åíü âàæíàÿçàäà÷à.Èñòî÷íèêè øóìîâ è ìåòîäû èõ ðàñ÷¼òîâ ìîãóò áûòü îäèíàêîâûìè äëÿ ðàçëè÷íûõ îïòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ.

Ôëóêòóàöèè â ñîðîêàêèëîãðàììîâûõ çåðêàëàõ LIGO è â ìèêðîñêîïè÷åñêèõ äèýëåêòðè÷åñêèõ ðåçîíàòîðàõ ìîãóò èìåòü îáùèå ïðè÷èíû. Ñåé÷àñ ïîÿâëÿåòñÿ ìíîæåñòâî íîâûõ îïòè÷åñêèõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì. Ìíîãèå ñïåöèàëèñòû ïðåäñêàçûâàþò â ñêîðîìâðåìåíè ïåðåõîä îò êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîíèêè ê ôîòîíèêå êîãäà îñíîâíûì íîñèòåëåì ýíåðãèè è èíôîðìàöèè áóäåò ñâåòîâîå èçëó÷åíèå. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèå ëèíèè ïåðåäà÷è äàííûõóæå àêòèâíî èñïîëüçóþòñÿ â ñèñòåìàõ ñâÿçè, òàê êàê ñïîñîáíû ïåðåäàâàòü áîëüøèå ìàññèâû äàííûõ ñ ìåíüøèìè ïîòåðÿìè è ïðàêòè÷åñêè íåâîñïðèèì÷èâû ê ýëåêòðîìàãíèòíûì ïîëÿì.

Ðàçâèòèå äàííîé îáëàñòè òðåáóåò ñîçäàíèÿ ýôôåêòèâíûõ óñòðîéñòâ ñîïðÿæåíèÿ ðàäèîñèãíàëîâ ñ îïòè÷åñêèìè ýëåêòðîîïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ è îïòîýëåêòðîííûõ ãåíåðàòîðîâ.Ïåðñïåêòèâíûì áàçèñíûì ýëåìåíòîì äëÿ ýòèõ óñòðîéñòâ ÿâëÿþòñÿ íåëèíåéíûå ìèêðîðåçîíàòîðû ñ ìîäàìè òèïà øåï÷óùåé ãàëåðåè (ÌÌØÃ) [5, 6, 7].  ÷àñòíîñòè, èõ èñïîëüçîâàíèå3ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü îïòè÷åñêèå ãðåá¼íêè èçëó÷åíèå, ñîñòîÿùåå èç î÷åíü áîëüøîãî ÷èñëàîòäåëüíûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, ðàâíîîòñòîÿùèõ äðóã îò äðóãà íà ôèêñèðîâàííóþ ÑÂ× èëèðàäèî÷àñòîòó.

Íåäàâíî áûëî ïîêàçàíî [8], ÷òî íåñòàáèëüíîñòü â òàêèõ ãðåá¼íêàõ âîçíèêàåò íåâñëåäñòâèå êàêèõ-ëèáî ôóíäàìåíòàëüíûõ îãðàíè÷åíèé è ñ íåé ìîæíî áîðîòüñÿ. Áîëåå òîãî,ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë îò ïðÿìîãî äåòåêòèðîâàíèÿ òàêîé ãðåáåíêè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé î÷åíü÷èñòûé ÑÂ×-ñèãíàë, íåîáõîäèìûé âî ìíîãèõ ïðèëîæåíèÿõ.1.2.•Öåëè ðàáîòûÏîñòðîåíèå ìåòîäà òî÷íîãî ðàñ÷¼òà ôàçîâîãî øóìà ìíîãîñëîéíûõ çåðêàë è ïîèñê ïóòèåãî ïîäàâëåíèÿ•Ïîèñê èñòî÷íèêîâ äîïîëíèòåëüíûõ øóìîâ â ìíîãîñëîéíûõ çåðêàëàõ•Ðàçðàáîòêà è îïòèìèçàöèÿ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåêòðîîïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà ÌÌØÕÐàñ÷¼ò øóìîâ â îïòè÷åñêèõ ìèêðîðåçîíàòîðàõ ñ ÌØÃ1.3.Íàó÷íàÿ íîâèçíàÐàññìîòðåíû êëàññè÷åñêèå èñòî÷íèêè øóìîâ â ìíîãîñëîéíûõ çåðêàëàõ è âûÿâëåí ôî-òîóïðóãèé øóì, íå ó÷èòûâàâøèéñÿ ðàíåå.

Ðàçðàáîòàíû ìåòîäû ðàñ÷¼òà øóìîâ ñ ó÷¼òîìïðîíèêíîâåíèÿ ñâåòà â ãëóáü çåðêàëà è ïîêàçàíî, ÷òî ïîïðàâêà çà ñ÷¼ò èíòåðôåðåíöèè ââåðõíèõ ñëîÿõ çåðêàëà íå äîñòèãàåò 10%. Íåîáû÷íûì îêàçàëîñü òî, ÷òî ýòà ïîïðàâêà èìååòîáðàòíûé çíàê (ò.å. ïðîèñõîäèò íåáîëüøîå ñàìîïîäàâëåíèå øóìà).Ïðîàíàëèçèðîâàíû ðàçëè÷íûå ìåòîäû ïîäàâëåíèÿ ôàçîâîãî øóìà â ìíîãîñëîéíûõ çåðêàëàõ. Ïîêàçàíî, ÷òî îáùåïðèíÿòîå óòâåðæäåíèå îá îïòèìàëüíîñòè ïîëóâîëíîâîé ñóììàðíîéòîëùèíû ïàð ñëî¼â â îáùåì ñëó÷àå íåâåðíî.Ïðåäëîæåíû è èññëåäîâàíû íîâûå âèäû øóìîâ êðèñòàëëèçàöèè (ðàññòåêëîâàíèÿ) èâÿçêîãî òðåíèÿ. Âïåðâûå ïðîèçâåäåíà îöåíêà ïëîòíîñòè ÷àñòîòû ñîáûòèé êðèñòàëëèçàöèè íàîñíîâå ëèòåðàòóðíûõ äàííûõ îá óêîðà÷èâàíèè ñòåðæíåé, ÷òî ïîçâîëèëî äàòü êîëè÷åñòâåííóþ îöåíêó øóìà ðàññòåêëîâàíèÿ â çåðêàëå è åãî ïîäâåñàõ.Èññëåäîâàíà âîçìîæíîñòü ïîñòðîåíèÿ ýëåêòðîîïòè÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ íà îñíîâå ÌÌØà è ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü îïòèìèçàöèè ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïóò¼ì âûáîðàôîðìû ðàäèî÷àñòîòíîãî ðåçîíàòîðà.

Ïîñòðîåíà òåîðèÿ ìîäóëÿöèè â ìíîãîìîäîâîé ñèñòåìå4ÌØà è ïîëó÷åíû ôîðìóëû äëÿ àìïëèòóäû ìîäóëÿöèè. Ïðîèçâåäåíû îöåíêè øóìîâ ÷àñòîòûâ ÌÌØà è ïðîèçâåäåíà îöåíêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìîäóëÿòîðà.1.4.Ïðàêòè÷åñêàÿ öåííîñòüÏîëó÷åíû ôîðìóëû äëÿ ôàçîâîãî øóìà çåðêàë ñ ó÷¼òîì ïðîíèêíîâåíèÿ èçëó÷åíèÿâíóòðü çåðêàëà. Âûðàáîòàí ìåòîä àíàëèòè÷åñêîãî ðàñ÷¼òà øóìîâ ïîêðûòèÿ ñ ïëàâíî ìåíÿþùèìñÿ ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ (ïðîèçâîëüíîãî ïðîôèëÿ). Ïðåäëîæåíà òåîðèÿ îáîáùåííîãî ìíîãîñëîéíîãî ïîêðûòèÿ, ìèíèìèçèðóþùåãî øóìû ïðè çàäàííîì êîýôôèöèåíòåîòðàæåíèÿ.

Ýòè ðåçóëüòàòû áóäóò èñïîëüçîâàíû ïðè ïðîåêòèðîâàíèè äåòåêòîðîâ ãðàâèòàöèîííûõ âîëí íîâîãî ïîêîëåíèÿ. Ðàçðàáîòàíà ñèñòåìà ïðîãðàìì äëÿ ðàñ÷¼òà ýëåêòðîîïòè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ â ÌÌØà è ìåòîä ðàñ÷¼òà òåïëîâûõ øóìîâ â ÌØà ìåòîäîì êîíå÷íûõýëåìåíòîâ. ýòè ðàçðàáîòêè áóäóò èñïîëüçîâàíû ïðè ñîçäàíèè óñòðîéñòâ ôîòîíèêè íà îñíîâåÌÌØÃ.1.5.Àïðîáàöèÿ ðàáîòûÐåçóëüòàòû ðàáîòû äîêëàäûâàëèñü íà ìåæäóíàðîäíûõ êîíôåðåíöèÿõ êîëëàáîðàöèèLIGO â 2010, 2013, 2015 ãîäàõ, Ëîìîíîñîâ 2010 è Ëîìîíîñîâ 2015, International Conferenceon Theoretical Physics in Moscow,Solid State Lasers 2013,492.

WE-Heraeus-Seminar“ ,”CLEO“ Europe 2013,”ICONO/LAT 2013“ , Advanced”IFCS & EFTF“ 2013, Nonlinear Optics Conference”(NLO 2013), Frontiers in Optics 2013, PIERS 2015, ICGAC-12 (2015), ICQT 2015, âñåðîññèéñêèõ êîíôåðåíöèÿõVI Ðàäèîëîêàöèÿ è ñâÿçü“ ,”ìèêðîâîëí ( Âîëíû-2013“ è”Ðàäèîëîêàöèÿ 2030“ , Ôèçèêà è ïðèìåíåíèå”Âîëíû-2015“ ), III íàó÷íî-òåõíè÷åñêàÿ êîíôåðåíöèÿ”Ýëåêòðî-”íèêà è ìèêðîýëåêòðîíèêà ÑÂד , Âîëíîâûå ÿâëåíèÿ â íåîäíîðîäíûõ ñðåäàõ ( Âîëíû-2014“ ),”íàó÷íûõ ñåìèíàðàõ êàôåäðû ôèçèêè êîëåáàíèé ÌÃÓ.1.6.ÏóáëèêàöèèÐåçóëüòàòû ðàáîòû îïóáëèêîâàíû â 4 ñòàòüÿõ â çàðóáåæíûõ [A1, A2, A3, A4] è 3 ñòàòüÿõâ Ðîññèéñêèõ [A5, A6, A7] æóðíàëàõ, äîëîæåíû íà 5 âñåðîññèéñêèõ è 13 ìåæäóíàðîäíûõêîíôåðåíöèÿõ.

Ñïèñîê ïå÷àòíûõ ñòàòåé ïðèâåä¼í â êîíöå íàñòîÿùåãî àâòîðåôåðàòà.51.7.Îáú¼ì è ñòðóêòóðà ðàáîòûÐàáîòà ñîñòîèò èç òð¼õ ãëàâ, ââåäåíèÿ, çàêëþ÷åíèÿ, ïðèëîæåíèÿ è ñïèñêà ëèòåðàòó-ðû.  ðàáîòå 159 ñòðàíèö (âêëþ÷àÿ îãëàâëåíèå, ñïèñîê îáîçíà÷åíèé, ñïèñîê ëèòåðàòóðû èïðèëîæåíèÿ), 48 ðèñóíêîâ è 10 òàáëèö. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû ñîäåðæèò 117 íàèìåíîâàíèé.2. Êðàòêîå ñîäåðæàíèå äèññåðòàöèè2.1.Ãëàâà 1 Òåïëîâûå øóìû â ìíîãîñëîéíûõ çåðêàëàõÂî ââåäåíèè ê Ãëàâå 1 îïèñûâàþòñÿ îñíîâíûå ïðèíöèïû äåéñòâèÿ ëàçåðíûõ èíòåðôå-ðîìåòðè÷åñêèõ àíòåíí äëÿ ðåãèñòðàöèè ãðàâèòàöèîííûõ âîëí.

Ðàññêàçûâàåòñÿ î ïðîèñõîæäåíèè òåïëîâûõ øóìîâ â çåðêàëàõ, ïðèâåäåíû ôîðìóëû äëÿ èçâåñòíûõ øóìîâ. Ââîäèòñÿñëåäóþùàÿ îáùàÿ êëàññèôèêàöèÿ òåïëîâûõ øóìîâ â îïòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ1. Áðîóíîâñêèé øóì: ñìåùåíèå ïîâåðõíîñòè (äåôîðìàöèè), ïðèâîäÿùåå ê ñäâèãó ôàçûδφBr = −2k0 n0 uz |z=0 = −2k0 n0∂uz|z=0 ∆σik∂σik(2.1.1)2. Ôîòîóïðóãèé (àêóñòîîïòè÷åñêèé) øóì: äåôîðìàöèè, ïðèâîäÿùèå ê èçìåíåíèþ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿZ∞δφa = −k0∆n(z)e− dzZ∞dz = −k000z∂n ∂ui∆σik e− d dz∂ui ∂σik(2.1.2)3.

Òåðìîóïðóãèé øóì: ôëóêòóàöèè òåìïåðàòóðû, ïåðåñ÷èòàííûå â ñìåùåíèå ïîâåðõíîñòè÷åðåç òåïëîâîå ðàñøèðåíèå ([9, 10])δφt.e. = −2k0 n0 uz |z=0 = −2k0 n0∂uz|z=0 ∆T∂T(2.1.3)4. Òåðìîðåôðàêòèâíûé øóì: ôëóêòóàöèè òåìïåðàòóðû, ïåðåñ÷èòàííûå â èçìåíåíèå ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ([11])Z∞δφt.r. = −k0∆n(z)e− dzZ0Çäåñüδφ èçìåíåíèå ôàçû ñèãíàëà,ïîëå ñìåùåíèé ïðè äåôîðìàöèÿõ,∆Tè∆σikd∞dz = −k00k0 âîëíîâîå ÷èñëî,n0z∂n∆T e− d dz∂T(2.1.4) ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ,uj ãëóáèíà ïðîíèêíîâåíèÿ îïòè÷åñêîãî ïîëÿ â çåðêàëî, ôëóêòóàöèÿ òåìïåðàòóðû è ìåõàíè÷åñêîãî íàïðÿæåíèÿ. Îáùåå âîçìóùåíèå6ôàçû ñêëàäûâàåòñÿ èç îòäåëüíûõ âîçìóùåíèé.

Äàííûé íàáîð øóìîâ ïîëîí ïðè óñëîâèè,÷òî ìû èñêëþ÷àåì èç ðàññìîòðåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûå è õèìè÷åñêèå ýôôåêòû. ïåðâîì ðàçäåëå ïðîèçâîäèòñÿ ðàññìîòðåíèå õàðàêòåðèñòèê îòðàæåíèÿ îò ìíîãî-ñëîéíîãî ïîêðûòèÿ è ïîëó÷åíû ôîðìóëû äëÿ êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ. Ó÷èòûâàÿ ìàëîñòüñìåùåíèé, ìîæíî ïîëó÷èòü ôàçîâûé ñäâèã ñáîÿ èíòåðôåðåíöèèãî êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿδΓδϕè äåôåêò àìïëèòóäíî-(ïðèâîäÿùèé ê àìïëèòóäíîìó øóìó, è íå ðàññ÷èòûâàåìûéòðàäèöèîííûì ïîäõîäîì).