Light can be used for high-precision control and measurement of the properties of physical systems through light-matter interactions, as its intensity, polarization, frequency, and phase can be adjusted and detected with high accuracy. In this dissertation, I present two experimental studies in the context of optical control and sensing. First, I investigate the nonlinear coupling of mechanical modes of a high-quality micromechanical resonator by using optical means. A mechanical mode of a 30-nm-thick 250×250-$\mu$ $m^2$-wide silicon nitride clamped square membrane is excited by intensity-modulated laser light via radiation pressure. Energy transfer from the optically driven mode to others is then observed by spatially-resolved interferometric measurements of the vibration profiles. In sharp contrast to the one-dimensional resonators such as nanobeams and microcantilevers exclusively used in many previous works, the clamped square membrane features almost frequency-commensurate relations among many mechanical modes. This unique frequency relation allows for the high-efficiency nonlinear coupling of multiple mechanical modes – 3 modes with pN-scale optical forces and 5 modes with piezoelectric ones in my case – via mechanical third-harmonic generation and cascaded four-wave mixing arising from third-order mechanical nonlinearity. These results pave a way towards the implementation of a small-footprint massive optomechanical array that may yield enhanced optomechanical coupling. Second, I demonstrate the optical detection of macroscopic displacements much larger than the optical wavelength by employing a combination of a free-space Fabry-Pérot optical cavity and a wedge prism pair. This scheme permits high-sensitivity measurement of large displacements up to 7 mm without $2\pi$ ambiguity, which surpasses the measurable range of conventional interferometers by a factor of 9,000. Moreover, a large-capacity high-resolution optomechanical mass sensor is developed by combining the cavity-based displacement detector and a load cell. By incorporating the null-method-based scheme of mass measurement, I achieve a resolution higher than 5000:1, a capacity beyond 1 kg, and excellent linearity.
빛은 다른 물리 시스템을 정밀하게 제어하고 그 특성을 측정하는 도구로서 이용되어왔다. 특히 역학 시스템의 진동 및 특성을 광학적으로 제어함으로써 단일 광자/포논 수준의 상호작용을 다루는 양자 광역학 및 중력파 검출 등의 기초 연구부터 매크로 스케일의 변위의 광학적 제어를 통한 질량 센서 구현 등의 응용 연구까지 광범위한 기술 발전이 진행되었다. 본 연구에서는 수십 나노 두께의 정사각형 마이크로 박막을 역학 진동자로 사용하여 큰 역학 비선형성과 정수배의 공명진동수 관계를 갖는 고품질 역학 공진 모드들을 구현하였으며 이를 광학적으로 발진시켜 역학적 삼차 비선형성으로부터 형성되는 계단식 4파 혼합에 의한 역학 모드 결합에 성공하였다. 또한 이를 고품질 자유 공간 파브리-페롯 광공진기와 합친 광역학 시스템을 구현하여 역학적 특성을 빛으로 제어하였고 이를 통해 비선형 광역학 연구를 위한 플랫폼을 개발하였다. 본 연구의 비선형 역학 진동자 기반의 광역학 시스템에서는 선형 역학 진동자를 사용하는 기존의 광역학 연구들에서는 구현할 수 없는 새로운 물리 현상에 관한 탐구가 가능할 것으로 기대된다. 마지막으로 빛의 파장 이하의 변위 측정한계를 극복하면서 동시에 매크로 스케일의 변위를 높은 분해능으로 측정할 수 있는 광 공진기 기반의 변위 센서를 활용한 질량 저울 개발에 성공하였다.
