Городецкий Михаил Леонидович

ВЫСОКОДОБРОТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И СВЧ РЕЗОНАТОРЫ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ И КВАНТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

(работа отмечена первой премией на конкурсе молодых ученых МГУ 1998 года)

Первая научная работа была завершена во время обучения на 4 курсе. С помощью диэлектрических СВЧ резонаторов с модами шепчущей галереи, обладающими высокой добротностью, измерена низкотемпературная прыжковая проводимость в малопримесных полупроводниках в диапазоне миллиметровых волн 36-72Ггц [1].

В дальнейшем основной темой теоретических и экспериментальных исследований в рамках дипломной, аспирантской и последующей работы в качестве научного сотрудника стали оптические сферические микрорезонаторы из плавленого кварца с модами типа шепчущей галереи. Большая часть исследований сделана в сотрудничестве с В.С.Ильченко. Такие резонаторы, впервые предложенные проф. В.Б.Брагинским, сочетают в себе высокую добротность > 108 и малый размер, ~ 100 мкм, что обеспечивает низкий порог проявления нелинейных эффектов и перспективность их применения в различных областях физики [2,3].

Приложения включают использование микрорезонаторов для  квантово-невозмущающих измерений (Калифорнийский Технологический Институт,  Пасадена, США; Высшая Нормальная Школа, Париж, Франция), стабилизация полупроводниковых лазеров (Нац. Институт Стандартов, Болдер, США; ФИАН), создание стабильных СВЧ генераторов на разности оптических частот (Лаборатория Реактивного Движения, США). Перечислены лишь организации и направления по которыми наша кафедра поддерживает сотрудничество.

Была развита теория мод оптических резонаторов и разработаны и экспериментально подтверждены способы оптимальной связи с ними  [4,9,10,19]. Разработан принципиально новый подход к описанию мод шепчущей галереи в неидеальных сфероидах, основанный на идее квазипрецессии фундаментальных мод, обеспечивающий возможность идентификации невырожденных мод по характеристикам излучения [10].

Обоснована схема квантово-неразрущающего измерения числа фотонов в оптическом диапазоне по кросс-модуляции мод в нелинейном оптическом микрорезонаторе [2,5,7,8]. В рамках предложенной схемы исследованы диссипативные механизмы нелинейности; измерена временная дисперсия эквивалентной кубической нелинейной восприимчивости и определены условия реализации КНИ энергии. Расчитаны пороги и проанализированы возможные нелинейные эффекты в микрорезонаторах из плавленого кварца и стекла связанные с тепловой нелинейностью двух типов и керровской нелинейностью [5].

Были проанализированы механизмы ограничивающие добротность микрорезонаторов и сформулированы рекомендации по ее повышению. Показано что основным фактором препятствующим получению и сохранению высокой добротности является поверхностная адсорбция воды. Получено абсолютно рекордное значение добротности (Q~ 1010) ограниченное лишь собственными потерями в материале резонатора [12,13].

На основе сферических микрорезонаторов оптического диапазона предложены, рассчитаны и экспериментально реализованы:
- Миниатюрные перестраиваемые узкополосные фильтры оптического диапазона с призменным элементом ввода с тепловой перестройкой ~ 0.1% [4]  и с механической перестройкой на основе расщепления нормальных мод в связанных парных микрорезонаторах ~0.01% [6,9];
- Высокочувствительный оптический датчик малых смещений нового типа на основе связанных парных оптических микрорезонаторов [6,9];
- Бистабильный оптический элемент с рекордно малой мощностью управления (10мкВт) на основе керровской нелинейности высокодобротных кварцевых микрорезонаторов [5];
- Простая схема стабилизации частоты и сужения линии генерации диодных лазеров оптической обратной связью от внутрирезонаторного обратного рассеяния [11].

Предложена теория полностью описывающая взаимодействие микрорезонаторов с различными типами элементов связи (волоконными, призменными и планарными), полностью согласующаяся с имеющимися экспериментальными данными и позволяющая проектировать и предсказывать свойства разрабатываемых новых эффективных элементов связи [19].

С 1995 года я также занимался разработкой и планированием экспериментов по квантово-невозмущающим измерениям в СВЧ диапазоне c использованием высокодобротных СВЧ резонаторов. Совместно с В.Б.Брагинским и Ф.Я.Халили  были предложены две схемы измерений, с использованием молекулярных  [14] и электронных пучков [15]. Последняя схема была взята за основу готовящегося эксперимента. Этот проект в 1995 году был поддержан  грантом Лос-Аламосской национальной лаборатории, а в 1998 грантом РФФИ.

Группа В.Б.Брагинского имеет тесные связи с национальным проектом США - LIGO, (лазерная интерференционная гравитационная обсерватория) и  грант NSF по этому проекту. Одной из проблем лазерной гравитационной антены, вступающей в действие в 2000 году, является ограничение чувствительности, налагаемое квантовой теорией, и соответствующие высокие требования к входной мощности. Чтобы обойти эту проблему на следующих стадиях проекта LIGO планируется использование процедур квантово-невозмущающих измерений. Рассмотрению возможных путей посвящен цикл совместных работ с В.Б.Брагинским и Ф.Я.Халили [16,17]. В работе [17] также рассмотрен новый класс связанных квантовых состояний для двух объектов  симфотонные состояния, и  соответствующих наблюдаемых, которые близки к разности фаз, и   исследованы свойства этих состояний.

В 1997 году участвовал в создании установки для исследования  высокодобротных механических маятников. Был найден способ аккуратного измерения их добротности [18]. Эта работа проводилась также в рамках сотрудничества с проектом LIGO.

До защиты диссертации в июне 1993 года работа велась под руководством с.н.с. В. С. Ильченко и член-корр. РАН, проф., В.Б.Брагинского. В настоящее время работаю старшим научным сотрудником в группе прецизионных и квантовых измерений проф. В.Б.Брагинского. Часть теоретических результатов получена в сотрудничестве с С.П.Вятчаниным и Ф.Я.Халили, некоторые результаты получены при участии студентов и аспирантов.

Список основных публикаций

  1.Слабое поглощение миллиметровых волн и прыжковая проводимость в нелегированном кремнии (в соавторстве с В.C.Ильченко и C.Е.Саава),   Физика и техника полупроводников, 1988,
v.22, p.2080-2083
  2.Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes (co-authored by V.B.Braginsky and V.S.Ilchenko), Phys.Lett.A, 1989, v.137, p.393-397
  3.Optical microresonators with whispering-gallery modes (co-authored by V.B.Braginsky and   V.S.Ilchenko), Uspekhi Fizicheskikh Nauk (Sov.Phys.Uspekhi),  1990, v.160, p.157-159
  4.Перестраиваемые узкополосные оптические фильтры с модами типа  шепчущей галереи (в  соавторстве с В.С.Ильченко и С.П.Вятчаниным), Журнал Прикладной Спектроскопии, 1992, т.56, с.274-280
  5.Thermal nonlinear effects in optical whispering-gallery microresonators  (co-auth. V.S.Ilchenko),
Laser Physics, 1992, v.2, p.1004-1009
  6.On the ultimate sensitivity in coordinate measurements (co-authored by V.B.Braginsky, \\ V.S.Ilchenko, and S.P.Vyatchanin), Phys.Lett.A, 1993, v.179, p.244-248
  7.Optical microresonators of whispering gallery modes for quantum nondemolition measurements. (co-authored by V.B.Braginsky and V.S.Ilchenko) Laser Optics'93, (June 21-25, 1993), St.Petersburg,
  Summaries of papers, p.577.
  8.Optical whispering-gallery microresonators (co-authored by V.B.Braginsky and V.S.Ilchenko), Proc.SPIE,1993,v.2097,p.283
  9.Coupling and tunability of optical whispering-gallery modes:  A basis for coordinate meter (co-authored by V.S.Ilchenko  and S.P.Vyatchanin), Opt.Commun., 1994, v.107, p.41
  10.High-Q optical whispering-gallery microresonators: precession approach for spherical mode analysis and emission patterns with prism couplers (co-authored by V.S.Ilchenko), Opt.Commun., 1994, v.113,
p.133-143
  11.Высококогерентный инжекционный лазер с оптической обратной связью через
микрорезонатор с модами типа "шепчущей галереи" (в соавторстве с  В.В.Васильевым, \\ В.Л.Величанским, В.С.Ильченко, Л.Хольбергом, А.В.Яровицким)
Квантовая электроника т.23, N8, c.675 (1996)
  12. On the ultimate Q of optical microsphere resonators (co-authored by V.S.Ilchenko and A.A.Savchenkov), ICONO'95, St.Petersburg, 1995,  Proc. of SPIE vol. 2799, ICONO'95, p.389-391.
  13. Ultimate Q of optical microsphere resonators (co-authored   by V.S.Ilchenko and \\ A.A.Savchenkov), Optics Letters, 1996, v.21,N o.7,  p.453
  14. Nondemolition intracavity photon number measurements by deflecion  of  molecules in an external inhomogeneous field (co-authored by V.B.Braginsky and F.Ya.Khalili). Phys.Lett.A, 1994, v.191, p.208.
  15. The scheme of QND meter  of microwave quadrature amplitude (co-authored by V.B.Braginsky and F.Ya.Khalili). to be  published in  Applied Physics.
  16. Optical bars in gravitational wave antennas Braginsky, V.B., M.L. Gorodetsky and F.Ya. Khalili
 Phys.Lets., A232, N5, 340(1997)
  17. Quantum limits and symphotonic states in free-mass gravitational-wave   antennae (co-auth Braginsky, V.B. and F.Ya. Khalili) Phys.Lett.A, v.246, No 6, 485 (1998)
 18. Диссипация энергии механических осцилляторов, вызванная электрическим полем, приложенным к поверхности колеблющегося тела (в соавторстве с Н.А.Вишняковой, \\ В.П.Митрофановым и К.В.Токмаковым). Письма в ЖТФ, 1998, т.24, N13, с.27.
 19. M.L.Gorodetsky, A.A.Savchenkov, V.S.Ilchenko, "Optical microsphere resonators: optimal couping and the ultimate Q", Photonics West'98 San-Jose CA, Proc. SPIE v.3267, p.251-262 (1998).
 20. Optical microsphere resonators: optimal couping to high-Q whispering-gallery modes. J.Opt.Soc.Am.B v.16, 147 (1999)
 21. Narrow-Line-width diode laser with a high-Q microsphere resonator  (co-auth V.V.Vasiliev, V.L.Velichansky, V.S.Ilchenko, M.L.Gorodetsky,  L.Hollberg, A.V.Yarovitsky), Opt.Commun,v.158, p.305-312, 1998.
  22. Gorodetsky M.L., Ilchenko V.S., Pryamikov A.D. "Intracavity Rayleigh scattering in microspheres: limits imposed on quality-factor and mode coupling"
 PROC SPIE 3611: 206-217 JAN 1999
  23.  Ilchenko V.S., Starodubov D.S., Gorodetsky M.L., Maleki L., Feinberg J,
Coupling light from a high-Q microsphere resonator using a UV-induced surface grating,
Presented at Conference on Lasers and ElectroOptics, Baltimore, May 23-28, 1999,
Tehnical Digest , p.67