We characterize the mechanical quality factor of micro-oscillators covered by a highly reflective coating. We test an approach to the reduction of mechanical losses that consists in limiting the size of the coated area to reduce the strain and the consequent energy loss in this highly dissipative component. Moreover, a mechanical isolation stage is incorporated in the device. The results are discussed on the basis of an analysis of homogeneous and non-homogeneous losses in the device and validated by a set of finite-element models. The contributions of thermoelastic dissipation and coating losses are separated and the measured quality factors are found in agreement with the calculated values, while the absence of unmodeled losses confirms that the isolation element integrated in the device efficiently uncouples the dynamics of the mirror from the support system. Also the resonant frequencies evaluated by finite-element models are in good agreement with the experimental data, and allow the estimation of the Young modulus of the coating. The models that we have developed and validated are important for the design of oscillating micro-mirrors with high quality factor and, consequently, low thermal noise. Such devices are useful in general for high sensitivity sensors, and in particular for experiments of quantum opto-mechanics.

1.
P. F.
Cohadon
,
A.
Heidmann
, and
M.
Pinard
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
3174
(
1999
).
2.
D.
Kleckner
and
D.
Bouwmeester
,
Nature
444
,
75
(
2006
).
3.
S.
Gigan
,
H. R.
Böhm
,
M.
Paternostro
,
F.
Blaser
,
G.
Langer
,
J. B.
Hertzberg
,
K. C.
Schwab
,
D.
Bäuerle
,
M.
Aspelmeyer
, and
A.
Zeilinger
,
Nature
444
,
67
(
2006
).
4.
O.
Arcizet
,
P. F.
Cohadon
,
T.
Briant
,
M.
Pinard
, and
A.
Heidmann
,
Nature
444
,
71
(
2006
).
5.
A.
Schliesser
,
R.
Rivière
,
G.
Anetsberger
,
O.
Arcizet
, and
T. J.
Kippenberg
,
Nat. Phys.
4
,
415
(
2008
).
6.
S.
Gröblacher
,
J. B.
Hertzberg
,
M. R.
Vanner
,
G. D.
Cole
,
S.
Gigan
,
K. C.
Schwab
, and
M.
Aspelmeyer
,
Nat. Phys.
5
,
485
(
2009
).
7.
S.
Gröblacher
,
K.
Hammerer
,
M. R.
Vanner
, and
M.
Aspelmeyer
,
Nature
460
,
724
(
2009
).
8.
E.
Verhagen
,
S.
Deléglise
,
S.
Weis
,
A.
Schliesser
, and
T. J.
Kippenberg
,
Nature
482
,
63
(
2012
).
9.
S.
Weis
,
R.
Rivière
,
S.
Deléglise
,
E.
Gavartin
,
O.
Arcizet
,
A.
Schliesser
, and
T. J.
Kippenberg
,
Science
330
,
1520
(
2010
).
10.
A. H.
Safavi-Naeini
,
T. P.
Mayer Alegre
,
J.
Chan
,
M.
Eichenfield
,
M.
Winger
,
Q.
Lin
,
J. T.
Hill
,
D. E.
Chang
, and
O.
Painter
,
Nature
472
,
69
(
2011
).
11.
J.
Chan
,
T. P.
Mayer Alegre
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J. T.
Hill
,
A.
Krause
,
S.
Gröblacher
,
M.
Aspelmeyer
, and
O.
Painter
,
Nature
478
,
89
(
2012
).
12.
A. H.
Safavi-Naeini
,
J.
Chan
,
J. T.
Hill
,
T. P.
Mayer Alegre
,
A.
Krause
, and
O.
Painter
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
033602
(
2012
).
13.
A. D.
O’ Connell
,
M.
Hofheinz
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Lenander
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
D.
Sank
,
H.
Wang
,
M.
Weides
,
J.
Wenner
,
J. M.
Martinis
, and
A. N.
Cleland
,
Nature
464
,
697
(
2010
).
14.
J. D.
Teufel
,
T.
Donner
,
D.
Li
,
J. W.
Harlow
,
M. S.
Allman
,
K.
Cicak
,
A. J.
Sirois
,
J. D.
Whittaker
,
K. W.
Lehnert
, and
R. W.
Simmonds
,
Nature
475
,
359
(
2011
).
15.
T. J.
Kippenberg
and
K. J.
Vahala
,
Science
321
,
1172
(
2008
).
16.
F.
Marquardt
and
S. M.
Girvin
,
Physics
2
,
40
(
2009
).
17.
I.
Favero
and
K.
Karrai
,
Nat. Photonics
3
,
201
(
2009
).
18.
M.
Aspelmeyer
,
S.
Gröblacher
,
K.
Hammerer
, and
N.
Kiesel
,
J. Opt. Soc. Am. B
27
,
A189
(
2010
).
19.
C.
Fabre
,
M.
Pinard
,
S.
Bourzeix
,
A.
Heidmann
,
E.
Giacobino
, and
S.
Reynaud
,
Phys. Rev. A
49
,
1337
(
1994
).
20.
S.
Mancini
and
P.
Tombesi
,
Phys. Rev. A
49
,
4055
(
1994
).
21.
T.
Corbitt
,
Y.
Chen
,
F.
Khalili
,
D.
Ottaway
,
S.
Vyatchanin
,
S.
Whitcomb
, and
N.
Mavalvala
,
Phys. Rev. A
73
,
023801
(
2006
).
22.
A. A.
Clerk
,
F.
Marquardt
, and
K.
Jacobs
,
New J. Phys.
10
,
095010
(
2008
).
23.
K.
Jacobs
,
P.
Tombesi
,
M. J.
Collet
, and
D. F.
Walls
,
Phys. Rev. A
49
,
1961
(
1994
).
24.
A.
Heidmann
,
Y.
Hadjar
, and
M.
Pinard
,
Appl. Phys. B
64
,
173
(
1997
).
25.
S.
Mancini
,
V.
Giovannetti
,
D.
Vitali
, and
P.
Tombesi
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
120401
(
2002
).
26.
D.
Vitali
,
S.
Gigan
,
A.
Ferreira
,
H. R.
Böhm
,
P.
Tombesi
,
A.
Guerreiro
,
V.
Vedral
,
A.
Zeilinger
, and
M.
Aspelmeyer
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
030405
(
2007
).
27.
C. M.
Caves
,
Phys. Rev. D
23
,
1963
(
1981
).
28.
M. T.
Jaekel
and
S.
Reynaud
,
Europhys. Lett.
13
,
301
(
1990
).
29.
O.
Arcizet
,
T.
Briant
,
A.
Heidmann
, and
M.
Pinard
,
Phys. Rev. A
73
,
033819
(
2006
).
30.
F.
Marino
,
F. S.
Cataliotti
,
A.
Farsi
,
M.
Siciliani de Cumis
, and
F.
Marin
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
073601
(
2010
).
31.
P.
Verlot
,
A.
Tavernarakis
,
T.
Briant
,
P.-F.
Cohadon
, and
A.
Heidmann
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
133602
(
2010
).
32.
D. W. C.
Brooks
,
T.
Botter
,
N.
Brahms
,
T. P.
Purdy
,
S.
Schreppler
, and
D. M.
Stamper-Kurn
, e-print arXiv 1107.5609.
33.
J. D.
Thompson
,
B. M.
Zwickl
,
A. M.
Jayich
,
F.
Marquardt
,
S. M.
Girvin
, and
J. G. E.
Harris
,
Nature
452
,
72
(
2008
).
34.
D. J.
Wilson
,
C. A.
Regal
,
S. B.
Papp
, and
H. J.
Kimble
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
207204
(
2009
).
35.
G. D.
Cole
,
S.
Gröblacher
,
K.
Gugler
,
S.
Gigan
, and
M.
Aspelmeyer
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
261108
(
2008
).
36.
G. D.
Cole
,
I.
Wilson-Rae
,
K.
Werbach
,
M. R.
Vanner
, and
M.
Aspelmeyer
,
Nat. Commun.
2
,
231
(
2011
).
37.
A. G.
Kuhn
,
M.
Bahriz
,
O.
Ducloux
,
C.
Chartier
,
O.
Le Traon
,
T.
Briant
,
P.-F.
Cohadon
,
A.
Heidmann
,
C.
Michel
,
L.
Pinard
, and
R.
Flaminio
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
121103
(
2011
).
38.
D.
Kleckner
,
B.
Pepper
,
E.
Jeffrey
,
P.
Sonin
,
S. M.
Thon
, and
D.
Bouwmeester
,
Opt. Express
19
,
19708
(
2011
).
39.
O.
Arcizet
,
C.
Molinelli
,
T.
Briant
,
P. F.
Cohadon
,
A.
Heidmann
,
J. M.
Mackowski
,
C.
Michel
,
L.
Pinard
,
O.
Français
, and
L.
Lionel Rousseau
,
New J. Phys.
10
,
125021
(
2008
).
40.
C. J.
Glassbrenner
and
G. A.
Slack
,
Phys. Rev.
134
,
A1058
(
1964
).
41.
D. F.
McGuigan
,
C. C.
Lam
,
R. Q.
Gram
,
A. W.
Hoffman
,
W. H.
Douglas
, and
H. W.
Gutche
,
J. Low Temp. Phys.
30
,
621
(
1978
).
42.
L.
Khine
and
M.
Palaniapan
,
J. Micromech. Microeng.
19
,
015017
(
2009
).
43.
G.
Sosale
,
K.
Das
,
L.
Fréchette
, and
S.
Vengallatore
,
J. Micromech. Microeng.
21
,
105010
(
2011
).
44.
45.
K.
Yamamoto
,
M.
Ando
,
K.
Kawabe
, and
K.
Tsubono
,
Phys. Rev. D
75
,
082002
(
2007
).
46.
E.
Serra
and
M.
Bonaldi
,
Int. J. Numer. Methods Eng.
78
,
671
(
2009
).
47.
M.
Siciliani de Cumis
,
A.
Farsi
,
F.
Marino
,
G.
D’Arrigo
,
F.
Marin
,
F. S.
Cataliotti
, and
E.
Rimini
,
J. Appl. Phys.
106
,
013108
(
2009
).
49.
A.
Grib
,
D.
Heinert
,
R.
Nawrodt
,
C.
Schwarz
,
V.
Groβe
,
P.
Seidel
,
I.
Martin
,
S.
Rowan
, and
J.
Hough
,
J. Appl. Phys.
107
,
013504
(
2010
).
50.
A.
Borrielli
,
M.
Bonaldi
,
E.
Serra
,
A.
Bagolini
, and
L.
Conti
,
J. Micromech. Microeng.
21
,
065019
(
2011
).
51.
S. A.
Chandorkar
,
R. N.
Candler
,
A.
Duwel
,
R.
Melamud
,
M.
Agarwal
,
K. E.
Goodson
, and
T. W.
Kenny
,
J. Appl. Phys.
105
,
043505
(
2009
).
52.
J. P.
Zendri
,
M.
Bignotto
,
M.
Bonaldi
,
M.
Cerdonio
,
L.
Conti
,
L.
Ferrario
,
N.
Liguori
,
A.
Maraner
,
E.
Serra
, and
L.
Taffarello
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
033901
(
2008
).
53.
M. M.
Fejer
,
S.
Rowan
,
G.
Cagnoli
,
D. R. M.
Crooks
,
A.
Gretarsson
,
G. M.
Harry
,
J.
Hough
,
S. D.
Penn
,
P. H.
Sneddon
, and
S. P.
Vyatchanin
,
Phys. Rev. D
70
,
082003
(
2004
).
54.
K.
Yamamoto
 et al,
Phys. Rev. D
74
,
022002
(
2006
).
55.
D. R. M.
Crooks
,
G.
Cagnoli
,
M. M.
Fejer
,
A.
Gretarsson
,
G.
Harry
,
J.
Hough
,
N.
Nakagawa
,
S.
Penn
,
R.
Route
,
S.
Rowan
, and
P. H.
Sneddon
,
Class. Quantum Grav.
21
,
S1059
(
2004
).
56.
A.
Duwel
,
J.
Gorman
,
M.
Weinstein
,
J.
Borenstein
, and
P.
Ward
,
Sens. Actuators, A
103
,
70
(
2003
).
57.
R.
Flaminio
,
J.
Franc
,
C.
Michel
,
N.
Morgado
,
L.
Pinard
, and
B.
Sassolas
,
Class. Quantum. Grav.
27
,
084030
(
2010
).
58.
P. J.
Martin
,
A.
Bendavid
,
M. V.
Swain
,
R. P.
Netterfield
,
T. J.
Kinder
,
W. G.
Sainty
, and
D.
Drage
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
308
,
583
(
1993
).
59.
L.
Conti
,
M.
Bonaldi
, and
L.
Rondoni
,
Class. Quantum Grav.
27
,
084032
(
2010
).
You do not currently have access to this content.