Observation of generalized optomechanical coupling and cooling on cavity resonance

Optomechanical coupling between a light field and the motion of a cavity mirror via radiation pressure plays an important role for the exploration of macroscopic quantum physics and for the detection of gravitational waves (GWs). It has been used to cool mechanical oscillators into their quantum ground states and has been considered to boost the sensitivity of GW detectors, e.g. via the optical spring effect. Here, we present the experimental characterization of generalized, that is, dispersive and dissipative optomechanical coupling, with a macroscopic (1.5mm)^2-sized silicon nitride (SiN) membrane in a cavity-enhanced Michelson-type interferometer. We report for the first time strong optomechanical cooling based on dissipative coupling, even on cavity resonance, in excellent agreement with theory. Our result will allow for new experimental regimes in macroscopic quantum physics and GW detection

High-efficiency frequency doubling of continuous-wave laser light

We report on the observation of high efficiency frequency doubling of 1550 nm continuous-wave laser light in a nonlinear cavity containing a periodically poled potassium titanyl phosphate crystal (PPKTP). The fundamental field had a power of 1.10 W and was converted into 1.05 W at 775 nm, yielding a total external conversion efficiency of (95 \pm 1)%. The latter value is based on the measured depletion of the fundamental field being consistent with the absolute values derived from numerical simulations. According to our model, the conversion efficiency achieved was limited by the non-perfect mode-matching into the nonlinear cavity and the pump power available. Our result shows that cavity-assisted frequency conversion based on PPKTP is well suited for low-decoherence frequency conversion of quantum states of light.Comment: 3 pages, 3 figure

Multimode optomechanics in the strong cooperativity regime

Quantenverschränkung ist ein wesentliches Merkmal der Quantenphysik und sie findet Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Prominente Beispiele hierfür sind Quantenteleportation, Quantenkryptographie sowie fundamentale Tests der Quantentheorie. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und dem Nachweis von optomechanischer Verschränkung kontinuierlicher Variablen zwischen einer Licht-Mode und einem mechanischen Multimoden-Oszillator. Das optomechanische System besteht aus einer Siliziumnitrid- Membran, die sich in einem Fabry-Pérot Resonator mit einer hohen Finesse befindet. Das System wurde optimiert und operiert nachweislich im Bereich starker Kooperativität, einer notwendigen Bedingung für die Erzeugung von Verschränkung. Ein gepulst-kontinuierliches Protokoll zum Nachweis von Verschränkung ist auf Korrelationsmessungen im Bereich starker Kooperativität angewendet worden. Die Ergebnisse demonstrieren, dass der übliche Ansatz, bei dem eine mechanische Mode hoher Güte isoliert wird um Verschränkung nachzuweisen, nicht anwendbar ist. Der Multimodenaspekt der Membran muss und wird in der Auswertung explizit berücksichtigt, genauso wie spektrale Eigenschaften der Detektion, wodurch der Weg zu optomechanischer Multimodenverschränkung geebnet wird.Quantum entanglement is an essential feature of quantum physics and an important resource for applications in quantum information processing and quantum communication, including prominent examples such as quantum teleportation and quantum cryptography, as well as for fundamental tests of quantum theory. This thesis explores the generation and verification of continuous wave optomechanical entanglement between a light mode and a multimode mechanical oscillator. The optomechanical system consists of a thin silicon nitride membrane placed within a high finesse Fabry-Pérot cavity. It is successively improved and verified to operate in the strong cooperativity regime, a necessary condition for the generation of entanglement. A pulsed-continuous verification protocol is applied to correlation measurements with strong cooperativity. The results demonstrate that the naive approach of filtering a single high-Q mode to obtain a witness for entanglement is not viable. The multimode nature of the mechanics has to be, and is, explicitly considered in the evaluations as well as spectral features of the detection scheme, thereby paving the way towards multimode optomechanical entanglement

Multimode optomechanics in the strong cooperativity regime : towards optomechanical entanglement with micromechanical membranes

Quantum entanglement is an essential feature of quantum physics and an important resource for applications in quantum information processing and quantum communication, including prominent examples such as quantum teleportation and quantum cryptography, as well as for fundamental tests of quantum theory. This thesis explores the generation and verification of continuous wave optomechanical entanglement between a light mode and a multimode mechanical oscillator. The optomechanical system consists of a thin silicon nitride membrane placed within a high finesse Fabry-Pérot cavity. It is successively improved and verified to operate in the strong cooperativity regime, a necessary condition for the generation of entanglement. A pulsed-continuous verification protocol is applied to correlation measurements with strong cooperativity. The results demonstrate that the naive approach of filtering a single high-Q mode to obtain a witness for entanglement is not viable. The multimode nature of the mechanics has to be, and is, explicitly considered in the evaluations as well as spectral features of the detection scheme, thereby paving the way towards multimode optomechanical entanglement.Quantenverschränkung ist ein wesentliches Merkmal der Quantenphysik und sie findet Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Prominente Beispiele hierfür sind Quantenteleportation, Quantenkryptographie sowie fundamentale Tests der Quantentheorie. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und dem Nachweis von optomechanischer Verschränkung kontinuierlicher Variablen zwischen einer Licht-Mode und einem mechanischen Multimoden-Oszillator. Das optomechanische System besteht aus einer Siliziumnitrid-Membran, die sich in einem Fabry-Pérot Resonator mit einer hohen Finesse befindet. Das System wurde optimiert und operiert nachweislich im Bereich starker Kooperativität, einer notwendigen Bedingung für die Erzeugung von Verschränkung. Ein gepulst-kontinuierliches Protokoll zum Nachweis von Verschränkung ist auf Korrelationsmessungen im Bereich starker Kooperativität angewendet worden. Die Ergebnisse demonstrieren, dass der übliche Ansatz, bei dem eine mechanische Mode hoher Güte isoliert wird um Verschränkung nachzuweisen, nicht anwendbar ist. Der Multimodenaspekt der Membran muss und wird in der Auswertung explizit berücksichtigt, genauso wie spektrale Eigenschaften der Detektion, wodurch der Weg zu optomechanischer Multimodenverschränkung geebnet wird