Kerr-Enhanced Optical Spring
Abstract: We propose and experimentally demonstrate the generation of enhanced optical springs using the optical Kerr effect. A nonlinear optical crystal is inserted into a Fabry-Perot cavity with a movable mirror, and a chain of second-order nonlinear optical effects in the phase-mismatched condition induces the Kerr effect. The optical spring constant is enhanced by a factor of $1.6\pm0.1$ over linear theory. To our knowledge, this is the first realization of optomechanical coupling enhancement using a nonlinear optical effect, which has been theoretically investigated to overcome the performance limitations of linear optomechanical systems. The tunable nonlinearity of demonstrated system has a wide range of potential applications, from observing gravitational waves emitted by binary neutron star post-merger remnants to cooling macroscopic oscillators to their quantum ground state.
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific and Virgo Collaborations), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017a).
- B. P. Abbott et al., Astrophys. J. Lett. 848, L12 (2017b).
- E. Pian et al., Nature (London) 551, 67 (2017).
- B. P. Abbott et al., Nature (London) 551, 85 (2017d).
- L. Baiotti and L. Rezzolla, Rep. Prog. Phys. 80, 096901 (2017).
- N. Sarin and P. D. Lasky, Gen. Relativ. Gravit. 53, 59 (2021).
- M. Punturo et al., Classical Quantum Gravity 27, 194002 (2010).
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration), Classical Quantum Gravity 34, 044001 (2017e).
- G. M. Harry et al. (LIGO Scientific Collaboration), Classical Quantum Gravity 27, 084006 (2010).
- F. Acernese et al. (VIRGO Collaboration), Classical Quantum Gravity 32, 024001 (2014).
- K. Somiya (KAGRA Collaboration), Classical Quantum Gravity 29, 124007 (2012).
- K. Ackley et al., Pub. Astron. Soc. Aust. 37, e047 (2020).
- V. Braginsky and F. Khalili, Phys. Lett. A 257, 241 (1999).
- A. Buonanno and Y. Chen, Classical Quantum Gravity 18, L95 (2001a).
- A. Buonanno and Y. Chen, Phys. Rev. D 64, 042006 (2001b).
- A. Buonanno and Y. Chen, Phys. Rev. D 65, 042001 (2002).
- B. Willke et al., Classical Quantum Gravity 23, S207 (2006).
- H. Miao, N. D. Smith, and M. Evans, Phys. Rev. X 9, 011053 (2019).
- M. Korobko, F. Khalili, and R. Schnabel, Phys. Lett. A 382, 2238 (2018), special Issue in memory of Professor V.B. Braginsky.
- C. M. Caves, Phys. Rev. D 23, 1693 (1981).
- F. Acernese et al. (Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 131, 041403 (2023).
- F. Acernese et al. (Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 123, 231108 (2019).
- S. Huang and G. S. Agarwal, Phys. Rev. A 79, 013821 (2009a).
- G. S. Agarwal and S. Huang, Phys. Rev. A 93, 043844 (2016).
- J.-S. Zhang and A.-X. Chen, Opt. Express 28, 36620 (2020).
- S. Huang and G. S. Agarwal, Phys. Rev. A 80, 033807 (2009b).
- T. Kumar, A. B. Bhattacherjee, and ManMohan, Phys. Rev. A 81, 013835 (2010).
- R. Schnabel, Phys. Rep. 684, 1 (2017).
- C. K. Law, Phys. Rev. A 51, 2537 (1995).
- M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg, and F. Marquardt, Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014).
- P. D. Drummond and D. F. Walls, J. Phys. A 13, 725 (1980).
- A. G. White, J. Mlynek, and S. Schiller, Europhys. Lett. 35, 425 (1996).
- A. Thüring and R. Schnabel, Phys. Rev. A 84, 033839 (2011).
- C. M. Caves and B. L. Schumaker, Phys. Rev. A 31, 3068 (1985).
- G. I. Stegeman, Quantum Semiclassical Opt. 9, 139 (1997).
- I. Shoji, T. Kondo, and R. Ito, Opt. Quantum Electron. 34, 797 (2002).
- S. Otabe, Ph.D. thesis, Tokyo Institute of Technology (2023).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.