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Stabilization of a high-finesse, space-proof optical cavity
Mariana Schmid
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Rainer Kaltenbaek
DOI
10.25365/thesis.74351
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16144.89821.597250-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Hauptziel des Missionsproposals MAQRO (Macroscopic Quantum Resonators) besteht darin, die Quantenphysik auf makroskopischer Ebene zu testen. Um genau zu sein, soll untersucht werden, ob es fundamentale Grenzen von Superpositionen massiver Teilchen hinsichtlich Größe, Komplexität und Masse gibt. Um Dekohärenz zu vermeiden, müssen die Teilchen nahezu perfekt von der Umwelt abgeschirmt werden, andernfalls würden die bekannten Dekohärenzeffekte das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) bei den durchzuführenden Messungen begrenzen. Dies erfordert lange Zeiten im freien Fall, extremes Vakuum, Nanogravitation und kryogene Temperaturen. Eine Kombination dieser vier Voraussetzungen kann nur im Weltraum erfüllt werden. Die von MAQRO durchgeführten Experimente basieren auf Materiewelleninterferometrie und Optomechanik mit optisch gefangenen dielektrischen Teilchen. Zu diesem Zweck wird eine stabil geklebte Cavity (optischer Resonator) mit hoher Finesse benötigt, welche sowohl bei Raumtemperatur, als auch bei kryogenen Temperaturen stabil bleiben muss. Innerhalb dieser Arbeit werden wir den Prototypen der Cavity für MAQRO charakterisieren und versuchen diesen zu stabilisieren. Für die Stabilisierung der Cavity wird das sogenannte Pound-Drever-Hall (PDH) Verfahren angewandt. Das PDH Verfahren beinhaltet die Stabilisierung einer Laserfrequenz mit Hilfe einer Referenzfrequenz, welche die Resonanzfrequenz der Cavity darstellt. Hierbei ist die größte Herausforderung die notwendigen Bedingungen herauszufinden, um das PDH Verfahren für unseren speziellen Fall durchführen zu können. Dazu wird unter anderem ein höherer Interferenzkontrast und ein höheres SRV des Signals, das durch Detektieren des von der Cavity reflektieren Lichtstrahls entsteht, benötigt. Wir werden zeigen, wie wir dieser Herausforderung des Optimierens entgegentreten und dass wir tatsächlich in der Lage sind sowohl Interferenzkontrast als auch SRV zu verbessern. Abschließend geben wir einen Ausblick auf mögliche Zukunfsentwicklungen des Projekts.
Abstract
(Englisch)
The primary goal of the MAQRO (Macroscopic Quantum Resonators) mission proposal is to test quantum physics at a macroscopic scale. To be precise, it aims to examine whether there are fundamental limits of quantum superpositions of massive objects in terms of size, complexity, and mass. To this end, the massive test particles have to be isolated almost perfectly from their environment. Otherwise, the known decoherence effects would limit the achievable signal-to-noise-ratio (SNR) in the measurements to be performed. This requires long free-fall times, extreme vacuum, nano-gravity, and cryogenic temperatures. These conditions can be achieved by making use of a deep space environment. The experiments conducted by MAQRO will be based on matter-wave interferometry and optomechanics with optically trapped dielectric particles. For this purpose, a stably bonded high-finesse optical cavity that can be aligned at room temperature and operated at cryogenic temperatures is needed. In this thesis, we characterize the prototype high-finesse cavity for the MAQRO mission and try to stabilize it by locking the frequency of the driving laser mode to the cavity resonance. We aim to implement this stabilization by using the Pound-Drever-Hall (PDH) locking technique. The main challenge is to find out how to satisfy the conditions and prerequisites for getting a PDH lock to work in our particular setup, by optimizing the visibility and the SNR of the signal resulting from the light detected after being reflected at the cavity input mirror. We will present how to face the challenge of optimizing and show that we are able to improve both visibility and SNR. Finally, we will give an outlook on the possible future directions of the project.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Optische Cavity mit hoher Finesse Materiewelleninterferometrie Pound-Drever-Hall Verfahren
Schlagwörter
(Englisch)
high-finesse cavity matter-wave interferometry Pound-Drever-Hall locking
Autor*innen
Mariana Schmid
Haupttitel (Englisch)
Stabilization of a high-finesse, space-proof optical cavity
Paralleltitel (Deutsch)
Stabilisierung einer weltraumsicheren optischen Cavity mit hoher Finesse
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
viii, 66 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Rainer Kaltenbaek
AC Nummer
AC16950642
Utheses ID
68285
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |