通过输出偏振测量实现非线性偏振旋转光纤激光器的锁模自动化

摘要

本文介绍了一种用于检测并自动实现预调节非线性偏振旋转光纤激光器锁模的方案。该方法利用锁模发生时输出偏振态的突变进行检测，并据此控制腔内偏振控制器的调节，以寻找锁模条件。

摘要

当激光器实现锁模时，会以由激光谐振腔长度决定的重复频率发射一串超短脉冲。本文介绍了一种新颖且低成本的方法，用于在已预调好的非线性偏振旋转光纤激光器中强制实现锁模。该方法基于在锁模发生时检测输出偏振态的突然变化，并利用这一变化来控制腔内偏振控制器的调节，以找到锁模条件。具体而言，当扫描偏振控制器角度时，第一斯托克斯参数的数值会发生变化，且当激光器进入锁模状态时，该参数会出现突变。监测这一突变可提供一个易于检测的实用信号，可用于指导偏振控制器的调节，推动激光器进入锁模状态。该监测通过将一小部分输出光信号送入偏振分析仪以测量第一斯托克斯参数来实现。当激光器进入锁模状态时，分析仪读取的该参数值将出现突然变化。此时，将偏振控制器的角度固定，即完成调节。该方法为现有自动化技术提供了一种替代方案，后者通常依赖光学光谱分析仪、射频光谱分析仪、连接电子脉冲计数器的光电二极管，或基于双光子吸收或二次谐波产生的非线性检测方案。本方法适用于通过非线性偏振旋转实现锁模的激光器，实施相对简便，所需设备成本低廉，尤其在1550 nm波长下更具优势，相比上述技术可显著降低制造与运行成本。

引言

本文的目的是介绍一种用于实现非线性偏振旋转光纤激光器中锁模（ML）的自动化对准程序。该程序基于两个关键步骤：首先通过测量激光器输出信号的偏振状态来检测锁模状态，然后建立自启动控制系统以实现锁模。

光纤激光器如今已成为光学领域的重要工具。它是一种高效的相干近红外光源，并且目前正逐步拓展到电磁波谱的中红外区域。由于其成本低廉且使用方便，光纤激光器已成为其他相干光源（如固体激光器）的有吸引力的替代方案。当在光纤谐振腔中引入锁模（ML）机制时，光纤激光器还能产生超短脉冲（100飞秒或更短）。实现该锁模机制的方法多种多样，例如非线性环形镜和可饱和吸收体等。其中一种因结构简单而被广泛应用的方法，是基于信号的非线性偏振旋转（NPR）^1,2。该方法利用了信号在激光谐振腔光纤中传播时，其偏振椭圆的取向会随光强发生相应旋转的特性。通过在谐振腔中插入偏振器，这种非线性偏振旋转会导致信号在往返传播过程中产生与强度相关的损耗。

通过控制偏振态，可使激光器进入锁模（ML）状态。实际上，信号的高功率部分将经历较低的损耗（图1），当激光器开启并从低功率噪声信号起振时，最终会形成超短光脉冲。然而，该方法的缺点是必须正确调节偏振态控制器（PSC）才能实现锁模。通常，操作者通过手动调节PSC的位置，并利用快速光电探测器、光谱分析仪或非线性光学自相关仪分析激光输出信号，以找到锁模状态。一旦检测到脉冲输出，....

方案

1. 搭建包含电动PSC的光纤ML光纤激光器

1. 收集以下组件：单模掺铒光纤、980/1,550 nm 波分复用器（WDM）、980/1,550 nm WDM-1,550 nm 隔离器混合组件、50/50 光纤耦合器、光纤偏振器、电动PSC、两个980 nm激光泵浦二极管、99/1 光纤耦合器和手动 inline PSC。
2. 根据所需的谐振腔设计，裁剪掺铒光纤及所有其他带尾纤的组件。
   注意：本文介绍的自动化程序适用于基于非线性偏振旋转的光纤激光器。该方法可用于不同的工作模式，例如孤子激光器、展宽脉冲激光器、耗散孤子激光器以及相似子激光器。本实验采用的是最后一种工作模式。
3. 为了构建激光腔，使用光纤熔接机按照示意图所示顺序连接腔体组件（图3在每次进行熔接之前，使用异丙醇清洁光纤端面，并用光纤切割器将其切割。
   注意：激光器内部组件在环形腔内按顺时针顺序依次为电动PSC、980/1,550 nm波分复用器（WDM）、掺铒光纤、980/1,550 nm波分复用器-隔离器混合器件、50/50输出耦合器和光纤偏振控制器。外部组件为99/1光纤耦合器和手动在线PSC（如步骤1.7和1.8所述）。
   注意：在将腔体的其他组件进行熔接前，必须先将一段长约30 cm的光纤插入电动PSC中。尽管标准单模光纤也可使用，但建议此段使用聚酰亚胺涂层光纤，因其更能耐受控制器螺丝施加的压力，使用寿命更长。
4. 使用熔接....

结果

基于 NPR 的锁模光纤激光器已知可提供多种脉冲工作模式，例如调 Q 脉冲¹⁰、相干锁模脉冲、类噪声脉冲、锁模脉冲束缚态、谐波锁模以及相互作用锁模脉冲的复杂结构¹¹。在本文所描述的激光器中，首先将 PSC 的双折射固定，以实现锁模；随后将泵浦功率调节至接近单脉冲锁模阈值附近。通过这种方式，竞争模式的数量被降至最低。在此泵浦功率下，根据 PSC 角度的不同，激光器呈现出不同的工作状态（图5），但未出现多脉冲模式。由于腔内光纤已预先调整并保持固定（一旦找到标准的单锁模脉冲即固定），因此避免了类噪声脉冲的出现^12,13。实际上，腔体设计在这一方面可能也起到重要作用，但本文未对此进行深入研究。因此，仅存的剩余工作模式为连续波输出（CW）、调 Q 输出以及具有单个相干脉冲的稳定锁模状态。在连续波（CW）和调 Q 模式下，光谱表现为窄线宽（约 1 nm，有时受限于光谱分析仪的分辨率）。这些光谱应与锁模模式下的宽带光谱进行对比，后者半高全宽可达约 30 nm 甚至更宽。在快光电探测器上，.......

讨论

研究表明，通过采用基于输出偏振测量的反馈回路，可以实现对 NPR 光纤环形激光器的被动锁模（ML）自动化。为实现这一目标，关键在于在激光腔内插入一个可调节的偏振敏感控制器（PSC）。输出耦合器必须位于偏振片之前，以便能够区分连续波（CW）信号与脉冲信号的偏振状态（图 2）。PSC 的双折射必须预先调节，以确保能够找到锁模状态，同时泵浦功率应设定在接近单脉冲锁模阈值的位置，从而在腔内获得单个脉冲，并最小化可能出现的竞争模式数量。这解释了在实验中，为何通过沿特定方向连续扫描角度自动找到的锁模状态始终相同。用于在输出端检测锁模状态的参数是 S₁。该参数随着腔内 PSC 角度的扫描而连续变化，唯一的例外是当达到锁模状态时，S₁ 的值会出现不连续的跃变。因此，实现微小角度增量的调节至关重要。若采用较大的角度步长，可能难以区分突变与"正常"变化，还可能跳过通向锁模状态的小角度范围而无法察觉。微小的调节步长还可确保锁模状态始终一致，因为系统不会随机落入锁模区域内的任意位置，而是总能检测到.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
裸光纤适配器	Bullet	NGB-14
插入式偏振控制器	General Photonics Corp.	Polarite PLC-006	手动偏振控制器。
DSP在线偏振分析仪	General Photonics Corp.	POD-101D PolaDetect	具备USB/串口计算机连接功能的偏振分析仪。
光纤切割刀	Fitel	S323
光纤端口	Thorlabs Inc.	PAF-X-2-C
固定式光纤对光纤耦合平台	Thorlabs Inc.	FBC-1550-APC	可使用任意光学平台。三向平台甚至更优。
熔接机	Fujikura	FSM-40PM
高分辨率全光纤偏振控制器	Giga Concept Inc.	GIG-2201-1300	具备USB计算机连接功能的全光纤电动偏振控制器。
InGaAs PIN光电探测模块	Optoway	PD-1310	带尾纤的光电二极管。
仪器通信接口	National Instruments	NI MAX	随National Instruments驱动程序（NI-VISA、NI-DAQmx、等）一并提供
运算放大器	Texas Instruments	TLO81ACP
光功率计	Newport	818-IS-1 with 1835-C
光谱分析仪	Anritsu	MS9710C
示波器	Tektronix	TDS2022	具备GPIB计算机连接功能的示波器。
偏振分束器模块	Thorlabs Inc.	PSCLB-VL-1550
聚酰亚胺薄膜胶带	3M	5413	用于将组件固定在桌面上而不损伤光纤的胶带。
图形化编程语言接口（GPLI）	National Instruments	LabVIEW	用于G编程语言编程及与实验室仪器通信的接口。
偏振分析仪控制软件	General Photonics Corp.	PolaView	随General Photonics POD-101D偏振分析仪配套提供。