أتمتة وضع قفل في اللاخطية الاستقطاب دوران الألياف الليزر من خلال قياسات الاستقطاب الناتج

يتمثل الهدف العام من هذا الإجراء في الكشف عن وضع قفل النمط الآلي في ليزر ألياف يعتمد على تدوير الاستقطاب غير الخطي المعد مسبقاً. ويوفر هذا الإجراء طريقة بديلة للإجراءات الآلية الحالية التي تعتمد على محلل طيف الترددات الراديوية RF، أو محلل الطيف الضوئي، أو مخطط كشف غير خطي، أو جهاز عد فترات التوقف. وتتمثل مزاياه الرئيسية في كونه منخفض التكلفة نسبياً، وسهل التنفيذ، ولا يتطلب سوى جزء صغير من مخرجات الليزر لسحبها لأغراض المراقبة.

يوضح هذا الرسوم المتحركة مفهوم قفل النمط القائم على تدوير الاستقطاب غير الخطي. يتم استقطاب الإشارة بواسطة المستقطب، ثم يتم تحويلها إلى حالة استقطاب إهليلجية بواسطة متحكم الاستقطاب. تؤدي اللاخطية الحالية في ألياف التجويف إلى إحداث تدوير لهذا الشكل الإهليلجي، وهو تدوير يتناسب طردياً مع القدرة اللحظية للإشارة.

وبذلك سيعزز النفاذ عند المستقطب النهائي نفاذ الأجزاء ذات القدرة العالية من الإشارة، مما يؤدي إلى تكوين نبضة. ومن خلال وضع محلل استقطاب قبل المستقطب النهائي مباشرةً، يمكن الكشف عن النبضة داخل التجويف عن طريق التمييز بين حالات الاستقطاب. ويتحقق ذلك لأن النبضة ستخضع لدوران استقطاب غير خطي أكبر مقارنة بإشارة الموجة المستمرة خلال دورة كاملة في التجويف.

تتمثل الخطوة الأولى في إعداد نظام ليزر ليفي على منصة مستقرة. للبدء، قم بتركيب تجويف الليزر الحلقي، الذي يشكل نواة هذه التجربة، على طاولة بصرية. يوفر هذا المخطط نظرة عامة للتوجيه.

ينتشر الضوء في اتجاه عقارب الساعة. لفهم هذا الإعداد، نبدأ بمستقطب، حيث يتم استخدام مستقطب متصل بليف بصري (fiber pigtailed polarizer).

يتم دمجها عن طريق وصل اللحام بالصهر مع جزء من ليف مغلف بالبولي إيميد، والذي يتم إدخاله في متحكم في حالة الاستقطاب من النوع (yow) الآلي المكون بالكامل من الألياف. إن وجود هذا المكون ضروري لإجراءات الأتمتة. وبعد متحكم الاستقطاب، يتم وضع مجمع تقسيم الطول الموجي 980/1550 nanometer يتم ضخه بواسطة صمام ثنائي ليزري بطول موجي 976 nanometer.

بعد ذلك، يتم تمرير الضوء عبر ليف بصري أحادي النمط مطعم بالإربيوم والذي يعمل كوسط ربح. يتوهج الليف المطعم بالإربيوم باللون الأخضر عند ضخه كما هو موضح هنا. يتم وصل الليف المطعم بالإربيوم بالصهر مع مدمج تقسيم طول موجي هجين 980/1550 nanometer وعازل 1550 nanometer.

يتم ضخّه بواسطة صمام ثنائي ليزري ثانٍ. والعنصر النهائي في حلقة التجويف هو قارن مخرجات بنسبة 50-50 يجب وضعه مباشرة قبل المستقطب. ويعد موضع قارن مخرجات التجويف مهمًا للغاية لأن محلل الاستقطاب سيتلقى مدخلاته من هذا القارن.

يجب أن يتم وضعه مباشرة قبل المستقطب لتعظيم تأثير دوران الاستقطاب غير الخطي. يمر المخرج من التجويف عبر مقسم أشعة بنسبة 99:1، حيث يذهب 99% إلى المخرج القابل للاستخدام، بينما يمر 1% عبر متحكم استقطاب يدوي لتوفير تغذية راجعة لعملية القفل النمطي الآلي.

الخطوة التالية هي توصيل وحدة التحكم في الاستقطاب الآلية بجهاز التحكم الحاسوبي. أولاً، قم بتوصيل وحدة التحكم في الاستقطاب الخاصة بضاغط الألياف بين التجويفين بوحدة التشغيل الخاصة بها. بعد ذلك، قم بتوصيل وحدة التشغيل بمنفذ USB الخاص بالحاسوب.

عد إلى ألياف مخرج الليزر الموجودة على المنضدة واختر مخرج الـ 99%. قم بتوصيل مخرج الـ 99% بمحلل طيف بصري باستخدام محول barefit. قم بتشغيل ليزرات الضخ وانتقل إلى الكمبيوتر لبدء واجهة الجهاز.

استخدم واجهة التحكم لتوجيه متحكم الاستقطاب للدوران بمقدار 3000 خطوة في اتجاه عقارب الساعة. وأثناء الدوران، سيصل المتحكم إلى نقطة التوقف الميكانيكية. بعد ذلك، وجّه متحكم الاستقطاب للدوران عكس اتجاه عقارب الساعة بمقدار درجة واحدة تقريبًا.

راقب الطيف على محلل الطيف الضوئي لتحديد ما إذا كان قد تم الوصول إلى حالة قفل النمط. تمثل الأطياف أنظمة شبه المستمرة ونظم التبديل النوعي (Q-switched) المقفلة النمط. وبالمقارنة مع أنظمة شبه المستمرة ونظم التبديل النوعي، فإن طيف قفل النمط يكون عريضاً جداً.

قم بتدوير وحدة التحكم في الاستقطاب عكس اتجاه عقارب الساعة بخطوات مقدارها درجة واحدة. عند الوصول إلى حالة القفل النمطي (mode-lock)، قم بتثبيت الزاوية قبل المتابعة. في هذه المرحلة، استعد للبحث عن عتبات قدرة المضخة.

قم بخفض قدرة المضخة حتى يفقد القفل النمطي (mode locking). بعد ذلك، قم بزيادة قدرة المضخة لتصبح أعلى بقليل من عتبة القفل النمطي. لاحظ طيف القفل النمطي، ثم قم بإيقاف تشغيل قدرة الليزر وإعادة تشغيلها للتأكد من أن الليزر يحقق القفل النمطي تلقائياً.

لتأكيد حالة قفل النمط، افصل الليف البصري عن محلل الطيف. قم بتوصيل الليف البصري بنظام صمام ثنائي ضوئي سريع لعرض الإشارة على راسم الإشارة. تنتج حالة قفل النمط سلسلة من النبضات بمعدل تكرار يبلغ حوالي 82 megahertz.

تتمثل الخطوة التالية في التحضير لتحليل استقطاب مخرج الليزر. وللقيام بذلك، استخدم محللاً تجارياً للاستقطاب يُسمى أيضاً مقياس الاستقطاب (polarimeter)، وقم بإدخال الليف البصري القادم من نقطة التفريع بنسبة 1%tap. يوضح هذا المخطط الترتيب النهائي للمعدات المستخدمة في التجربة.

يمكن للحاسوب التحكم في محلل الاستقطاب. استخدم الحاسوب لضبط متحكم الاستقطاب عند نقطة التوقف الميكانيكي وإيقاف برنامج مقياس الاستقطاب. عند هذه النقطة، يعرض محلل الطيف البصري طيفاً غير مقفل النمط.

في برنامج مقياس الاستقطاب، ابدأ قياسات الاستقطاب بالنقر على زر البدء. حرك متحكم الاستقطاب عكس اتجاه عقارب الساعة بزيادات قدرها درجة واحدة. وأثناء استكشاف نطاق الزوايا المسموح بها بواسطة متحكم الاستقطاب البيني، راقب حالة الاستقطاب باستخدام برنامج مقياس الاستقطاب.

استمر في استكشاف الزوايا حتى تظهر أدلة على حدوث قفل النمط (mode-locking). لاحظ أن الاستقطاب يظل مستقراً وسلساً للغاية مع تغير الزاوية، باستثناء الحالة التي يتم فيها الوصول إلى قفل النمط. راقب الطيف على محلل الطيف للتحقق من ظهور البصمة المميزة لقفل النمط بشكل واضح.

عد إلى جهاز الكمبيوتر للمتابعة. قم بتدوير وحدة التحكم في الاستقطاب مرة أخرى في اتجاه عقارب الساعة حتى تتوقف عن الدوران. في برنامج مقياس الاستقطاب، استعد لمراقبة معاملات Stokes كدالة في الزاوية.

وهنا تظهر مرتبة من S صفر إلى S ثلاثة من الأعلى إلى الأسفل. تدرج عبر زوايا متحكم الاستقطاب بزيادات قدرها درجة واحدة مع تسجيل وعرض قيم S واحد، وS اثنين، وS ثلاثة. ويمكن ملاحظة أن S واحد يخضع لتغير مفاجئ عند حدوث الانتقال إلى قفل النمط.

قم بكتابة نص برمجي باستخدام لغة برمجة رسومية للعثور على شرط قفل النمط (mode-locking) تلقائياً. يوضح المخطط الانسيابي التالي المنطق الذي يعمل به هذا النص البرمجي. وبشكل أساسي، سيبدأ النص البرمجي من نقطة التوقف الميكانيكية لوحدة التحكم في حالة الاستقطاب، ثم يقوم بزيادة زاويتها بمقدار درجة واحدة في كل خطوة، مع قراءة قيمة S₁ من مقياس الاستقطاب عند كل خطوة.

بمجرد أن تزداد قيمة S one بأكثر من قيمة عتبة محددة مسبقاً تبلغ 0.3 في خطوة واحدة، سيتوقف البرنامج النصي نظراً لافتراض تحقيق قفل النمط (mode-locking). بعد ذلك، قم بتشغيل البرنامج النصي. يعرض هذا الإصدار من البرنامج النصي تطور معامل ستوكس S one مع زيادة الزاوية.

عندما يبدأ المسح الزاوي، لا يكون الليزر في حالة قفل النمط (mode-locked). ومع دوران متحكم الاستقطاب، تتطور قيمة S1 والطيف البصري لليزر. وعندما ينتهي البرنامج النصي، يتم تحقيق قفل النمط كما يتضح من الطيف البصري العريض.

تتمثل الخطوة التالية في صنع بديل للمقطاب التجاري. استخدم راسم إشارات (oscilloscope) متصلاً بجهاز الكمبيوتر عبر واجهة GPIB. بعد ذلك، وجه الاهتمام إلى المكونات البصرية للمقطاب البديل.

يوجد مقسم شعاع مستقطب في المركز محاذٍ لثلاثة مجمعات أشعة لمنافذ الألياف الضوئية من نوع FC-APC. يتم إدخال الضوء إلى مقسم الشعاع من المنفذ العلوي. ويخرج الضوء المستقطب رأسيًا من النظام عبر المنفذ الأيمن.

يخرج الضوء المستقطب أفقيًا من المنفذ السفلي. يتطلب محلل الاستقطاب أيضًا تصنيع دائرتين إلكترونيتين متطابقتين. وهنا، توجد دائرتا مضخم المقاومة الانتقالية على نفس اللوحة المضيئة.

يظهر تخطيط الدارة الفردية في هذا الرسم التخطيطي. أولاً، يقوم صمام ثنائي ضوئي من زرنيخيد غاليوم الإنديوم بالكشف عن إشارة بطول موجي 1550 nanometer. ويتصل الصمام الثنائي الضوئي بمضخم عملياتي ومقاومة ومكثف.

يتم توصيل مخرج الدائرة بجهاز راسم الإشارة (oscilloscope)، وهو يوفر قياساً لمتوسط القدرة الضوئية. عند طاولة العمل، ابدأ بتوصيل مخرجات مقسم الشعاع بالدوائر. أولاً، قم بتوصيل أحد المخرجات بصمام ثنائي ضوئي من زرنيخيد الغاليوم والإنديوم.

بعد ذلك، قم بتوصيل مخرج دائرة مضخم الممانعة التحويلية بالقناة الأولى في راسم الإشارة. قم بتشغيل راسم الإشارة ودائرة مضخم الممانعة التحويلية. افصل مخرج الليزر بنسبة 1% عن مقياس الاستقطاب التجاري.

قم بتوصيل المخرج بمنفذ الإدخال لمجزئ الشعاع المستقطب. قم بتشغيل الليزر عند قدرة ضخ عشوائية لإرسال إشارة ضوئية بطول موجي 1550 nanometer. قم بتشغيل نص برمجى على الكمبيوتر لقراءة متوسط الجهد في القناة الأولى لراسم الإشارة.

عد إلى العناصر البصرية لمحلل الاستقطاب. افصل مخرج مقسم الحزمة المستقطب عن الثنائي الضوئي. وبدلاً من ذلك، قم بتوصيل مخرج مقسم الحزمة بمقياس طاقة تجاري.

اقرأ وسجل القدرة الضوئية لقدرة المضخة هذه. استمر في تغيير قدرة الإشارة الضوئية الداخلة ثم قياس متوسط الجهد والقدرة الضوئية. بعد إجراء عدة قياسات، يجب أن يكون المخطط البياني للجهد مقابل القدرة خطياً.

قم بتحديد معاملات هذه العلاقة الخطية. اتبع الإجراء ذاته مع المخرج الثاني لمقسم الحزمة للوصول إلى الإعداد النهائي لمحلل الاستقطاب. يتم توصيل مخرجات الاستقطاب الرأسية والأفقية بدوائر تضخيم.

تخصص لكل دائرة قناة راسم تذبذب خاصة بها، يقرأها الكمبيوتر. والآن، قم بدمج محلل الاستقطاب الجديد في عملية القفل النمطي المؤتمتة. افتح النصوص البرمجية المكتوبة للبحث عن عدم الاستمرارية في ظاهرة ستوكس S1 كدالة لزاوية متحكم الاستقطاب.

لا يتطلب تعديله سوى تغيير في طريقة تحديد S one من الجهاز. بالنسبة لهذا المحلل، يتم حساب S one باستخدام هذه الصيغة. يتم الحصول على قيم القدرة PX وPY من العلاقة الخطية المقاسة بين الجهد والقدرة لكل استقطاب.

عند الانتهاء، قم بتشغيل البرنامج النصي. يعرض هذا الإصدار من البرنامج تطور معامل ستوكس S1 مع زيادة الزاوية. عند بدء المسح الزاوي، لا يكون الليزر مقفل الوضع.

مع دوران متحكم الاستقطاب، تتطور قيمة S one والطيف البصري لليزر. عند انتهاء البرنامج النصي، يتم تحقيق قفل النمط (mode-locking) كما يتضح من الطيف البصري العريض. يمثل هذا الرسم البياني النموذجي لمعامل ستوكس S one مقابل زاوية متحكم حالة الاستقطاب الآلي.

يتم حساب S1 باستخدام قيم القدرة المقاسة من محلل استقطاب غير تجاري. ويحدث تغير مفاجئ عندما يصل الليزر إلى حالة قفل النمط. ويمكن لبرمجية تلقائية مُعدة لإيقاف تغيير زاوية متحكم الاستقطاب عند حدوث انقطاع أن تجد قفل النمط في غضون دقائق قليلة.

يمكن لهذه العملية إيجاد القفل النمطي في غضون بضع دقائق. ولا يؤثر تنفيذها على تصميم تجويف الليزر، كما أنها تتطلب مراقبة 1% فقط من الإشارة الخارجة، مما يترك 99% للتطبيقات المقصودة. ولكي تنجح العملية، يجب ضبط معاملات الليزر مسبقاً وبشكل صحيح، مثل قدرة الضخ وانكسار الضوء المزدوج في متحكم الاستقطاب، وذلك لتجنب أنظمة التشغيل غير المرغوب فيها مثل النبضات المتعددة أو النبضات الشبيهة بالضوضاء.

سيتطلب الأمر إجراء المزيد من العمل لدراسة مدى قابلية تطبيق هذا الإجراء على تصميمات الليزر المختلفة وأطوال موجات التشغيل المتنوعة. ونعتقد أن هذا الإجراء يمكن استخدامه في أنظمة ليزر الألياف التجارية التي يُتوقع فيها حدوث القفل النمطي تلقائيًا عند بدء التشغيل.