Name: 锁模自动化的非线性偏振旋转光纤激光器通过输出偏振测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 18 s
Description: 了解如何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。该方法利用腔内偏振控制器检测偏振态变化，实现实时调整，具有成本低、易于实施的优势，仅需监测少量激光输出即可完成自动化锁模检测。

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作者谨此感谢Christian Olivier和Philippe Chrétien在电子学方面提供的宝贵帮助，感谢GiGa Concept Inc.的Éric Girard对电动偏振控制器的支持，感谢Réal Vallée教授出借商用偏振仪，以及感谢Michel Piché教授参与的诸多富有成效的讨论。
本工作由魁北克自然科学与技术研究基金会（Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies，FRQNT）、加拿大自然科学与工程研究理事会（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada，NSERC）以及加拿大暑期就业项目资助。

1. 搭建包含电动PSC的光纤ML光纤激光器
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>使用熔接机将泵浦激光二极管连接到波分复用器（WDM）。每次熔接前，再次用异丙醇清洁光纤端面，并使用光纤切割器进行端面切割。</li>
	<li>将激光二极管连接至相应的温度控制器和电流驱动器。</li>
	<li>连接腔内电动姚型光纤挤压器PSC（图4将其连接至驱动模块，然后将驱动模块连接至计算机的USB端口。 
	注意：该端口通过编号识别 &#34;COM4&#34; 如图所示 &#34;设备管理器&#34; 计算机的</li>
	<li>在激光器输出端 即 尚未熔接的50/50耦合器端口，熔接一个99/1耦合器。 
	注意：99%端口为可用输出端。1%端口用于在自动化程序中监测偏振态。</li>
	<li>沿1%端口的光纤插入手动PSC。操作时，先卸下螺丝并打开PSC，将光纤插入相应的槽位，然后将螺丝重新放入孔中并拧紧。</li>
	<li>在1%端口光纤末端（手动PSC之后）熔接一个斜面抛光光纤连接器（APC）。熔接前，清洁并切割光纤端面。</li>
	<li>使用裸光纤适配器将99%输出端连接至光谱分析仪（OSA）。 
	注意：如后文所述，通过光谱分析仪（OSA）观察到的光谱可提供另一种判断激光器是否处于锁模状态的方法。</li>
	<li>使用聚酰亚胺薄膜胶带将腔体内的所有光纤和组件固定牢固。 
	注意：在任何情况下（例如桌子振动或风扇吹风时），必须防止纤维和组件发生移动。使用聚酰亚胺薄膜胶带以避免损伤纤维。</li>
	<li>拧紧腔内PSC的压力螺钉，直至光纤开始被轻微挤压。</li>
	<li>打开泵浦激光二极管，将其电流调节至激光二极管制造商规定的最大值。</li>
	<li>启动仪器通信界面。在 &#34;外设与接口&#34; 左侧列中，选择 &#34;COM4&#34;. 点击 &#34;打开 VISA 检测面板&#34;. 点击 &#34;输入/输出&#34;。然后，在 &#34;选择或输入命令&#34; 类型 &#34;SM，500，3000&#34; 并点击 &#34;查询&#34; 按钮。此操作命令PSC顺时针旋转3,000步，每步0.1125°。在此过程中，PSC将到达机械限位。</li>
	<li>在 &#34;选择或输入命令&#34; 的 &#34;COM4&#34; 测试面板，类型 &#34;SM,500,-10&#34; 并点击 &#34;查询&#34; 按钮。随后，PSC 逆时针旋转约 1°。通过光谱分析仪（OSA）观察光谱，检查是否达到锁模（ML）状态。当光谱的半高全宽（FWHM）达到数十纳米量级时，即表示已实现锁模图5）。如果已达到ML，则保持双折射和角度不变，进入步骤1.18。</li>
	<li>如果未达到最大负荷（ML），则重复步骤1.15，直至达到ML或达到PSC可实现的最大角度。</li>
	<li>如果在出现ML之前已达到PSC的最大角度，则通过稍微拧紧压力螺丝来增加PSC的双折射率，并重复步骤1.14、1.15和1.16，直至出现ML为止。</li>
	<li>一旦达到锁模（ML），将泵浦功率降低至允许锁模自启动的最小值。为此，逐步降低泵浦功率直至锁模消失，然后缓慢调高功率，直至达到能使锁模重新出现的最小功率值。关闭泵浦源后重新开启，检查激光器是否能够自行进入锁模状态。再略微提高泵浦功率，以确保锁模状态稳定，并在每次启动激光器时均可实现自启动。</li>
</ol>
2. 分析输出信号的偏振
<ol>
	<li>将1%端口连接至商用偏振仪。</li>
	<li>使用USB端口将偏振仪连接至计算机。</li>
	<li>在&#34;COM4&#34;测试面板的&#34;选择或输入命令&#34;栏中，输入&#34;SM,500,3000\n&#34;，然后点击&#34;查询&#34;按钮。</li>
	<li>运行商用偏振仪控制软件，并点击&#34;开始&#34;按钮以启动偏振测量。</li>
	<li>在&#34;COM4&#34;测试面板的&#34;选择或输入命令&#34;栏中，输入&#34;SM,500,-10\n&#34;，然后点击&#34;查询&#34;按钮。观察偏振仪上的偏振态。</li>
	<li>根据腔内PSC允许的角度范围，重复步骤2.5若干次。观察到偏振态随角度变化非常平滑，仅在达到锁模（ML）的特定角度处出现明显变化，可通过同步观察光谱分析仪（OSA）上的光谱宽度来确认。</li>
	<li>重复步骤2.3至2.6，但此次不仅观察偏振态，还需记录斯托克斯参数S1、S2和S3随PSC角度变化的函数关系（图6）。为清晰查看这些数值，可在软件菜单中选择&#34;测量-→示波器&#34;，并读取S1、S2和S3的平均值。同时观察光谱，并记录激光处于锁模状态时对应的角度。</li>
</ol>
3. 利用商用偏振计测量值建立反馈回路以自动对准PSC
<ol>
	<li>关闭计算机。</li>
	<li>将商用旋光仪的串行端口连接到计算机的串行端口 &#34;COM1&#34;。重新启动计算机和旋光仪。</li>
	<li>启动图形化编程语言界面（GPLI），以便通过 &#34;COM1&#34; 读取旋光仪数据，并通过 &#34;COM4&#34; 控制电动PSC。</li>
	<li>在GPLI中，单击 &#34;Blank VI&#34;，然后选择 &#34;Window→Tile Left and Right&#34;。 
	注：屏幕将分为左右两部分。右侧显示的是程序框图，用于通过不同图标对应的不同功能创建脚本。左侧显示的是前面板，用于在脚本运行时显示命令和测量结果。</li>
	<li>在GPLI的程序框图窗口中，开发一个用于商用旋光仪的ML自动化脚本（见图7）。 
	注：该脚本从旋光仪读取 S1，并利用其数值进行反馈，以实现PSC角度的正确对准，从而达到ML。通过在改变角度时寻找 S1 变化中的不连续性，即可实现ML的检测。 
	注：通过 &#34;COM4&#34; 控制PSC所使用的命令与步骤2.3和2.5中所述相同。通过 &#34;COM1&#34; 从商用旋光仪读取 S1 的命令为 &#34;*SOP?\n&#34;。</li>
	<li>单击 &#34;File→Save&#34; 保存脚本，然后单击“→”按钮运行。PSC将首先回到其机械限位位置，随后以约1°的步进角度旋转，直至达到ML，并在过程中实时显示 S1 的变化值。</li>
</ol>
4. 构建一个简易的自制偏振分析仪
<ol>
	<li>使用 GPIB 接口将示波器连接到计算机。</li>
	<li>将偏振分束立方体（PBS）放置在光学平台上。</li>
	<li>将三个 FC/APC 光纤端口准直器与 PBS 连接（图8）。 
	注意：其中一个端口为输入端口，另外两个端口分别为信号的 x 和 y 偏振分量的输出端口。</li>
	<li>将一个带光纤尾纤的 InGaAs PIN 光电二极管连接到第一个输出端口。</li>
	<li>将光电二极管连接至跨阻放大电路（图9）。</li>
	<li>将电路的电信号输出端连接至示波器的通道1。</li>
	<li>打开跨阻放大电路的电源。</li>
	<li>在 GPLI 中，通过 GPIB 连接读取示波器通道1的电压平均值，使用命令 &#34;MEASU:IMM:SOU ch1;&#34; 选择示波器通道1，&#34;MEASU:IMM:TYPE mean;&#34; 定义测量类型为平均电压，&#34;MEASU:IMM:VAL?&#34; 获取测量值，最后使用 &#34;MEASU:IMM:UNI?&#34; 获取测量单位。点击 &#34;File→Save&#34; 保存脚本，然后点击“→”按钮运行脚本。</li>
	<li>将激光器的1%输出端连接至 PBS 的输入端口，并以任意泵浦功率开启激光器。这将向输入端发送一个波长为1550 nm的光信号。</li>
	<li>测量第一个输出端口的平均电压。然后断开带光纤尾纤的光电二极管，替换为商用光功率计，测量该输出端口的光功率。</li>
	<li>在改变输入光信号功率的情况下重复步骤4.10。电压应随光功率呈线性变化。确定该线性关系的系数。 
	注意：该关系将在步骤4.20中用于从测得的电压计算 Px。</li>
	<li>将第二个带光纤尾纤的 InGaAs PIN 光电二极管连接至 PBS 的第二个输出端口。</li>
	<li>将该光电二极管连接至第二个跨阻放大电路。</li>
	<li>将该电路的电信号输出端连接至示波器的通道2。</li>
	<li>打开第二个跨阻放大电路的电源。</li>
	<li>在 GPLI 中，通过 GPIB 连接读取示波器通道2的电压平均值，使用命令 &#34;MEASU:IMM:SOU ch2;&#34; 选择示波器通道2，&#34;MEASU:IMM:TYPE mean;&#34; 定义测量类型为平均电压，&#34;MEASU:IMM:VAL?&#34; 获取测量值，最后使用 &#34;MEASU:IMM:UNI?&#34; 获取测量单位。点击 &#34;File→Save&#34; 保存脚本，然后点击“→”按钮运行脚本。</li>
	<li>以任意泵浦功率开启激光器。</li>
	<li>测量第二个输出端口的平均电压。然后断开带光纤尾纤的光电二极管，替换为商用光功率计，测量该输出端口的光功率。</li>
	<li>在改变输入光信号功率的情况下重复步骤4.18。确保电压随光功率呈线性变化。 
	注意：确定该线性关系的系数。该关系将在步骤4.20中用于从测得的电压计算 Py。</li>
	<li>在设置好第二个探测器以测量 Py 后，使用 GPLI 计算第一个斯托克斯参数 S1，其定义为 S1 = (Px-Py)/(Px+Py)。该自制的简易偏振分析仪现已准备就绪，可供使用。</li>
</ol>
5. 在自动化过程中用自制偏振分析仪替代商用偏振仪
<ol>
	<li>将激光器的1%输出端连接到自制偏振分析仪的输入端（如步骤4.9中所述）。</li>
	<li>通过重复步骤2.7，使用自制偏振分析仪（替代商用偏振计）测量第一个斯托克斯参数 S1 随PSC角度的变化关系（参见图10）。观察每一步中 S1 图形的自动更新情况。当发生模式跳跃（ML）时，可观察到 S1 值出现不连续跳变（使用商用偏振计时同样会出现此现象）。 
	注意：使用GPLI脚本自动执行此任务。该脚本基于一个循环，以1°为步长改变PSC的角度（向&#34;COM4&#34;发送命令&#34;SM,500,-10\n&#34;），并在每一步从自制偏振分析仪读取 S1 的值。</li>
	<li>修改在3.5中开发的脚本，使其不再使用商用偏振计提供的数值，而是从自制偏振分析仪获取 Px 和 Py，然后计算 S1 = (Px-Py)/ (Px+Py) 。</li>
	<li>使用基于自制偏振分析仪的新脚本，以类似于步骤3.6的方式自动完成激光器的模式跳跃检测（ML）。</li>
</ol>

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<li>Kobtsev, S., Smirnov, S., Kukarin, S., Turitsyn, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mode-locked+fiber+lasers+with+significant+variability+of+generation+regimes%5BTitle%5D)+AND+%22Optical+Fiber+Technology%22%5BJournal%5D)">Mode-locked fiber lasers with significant variability of generation regimes.</a> Optical Fiber Technology. 20 (6), 615-620 (2014).</li>
<li>Kobtsev, S., Kukarin, S., Smirnov, S., Turitsyn, S., Latkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+double-scale+femto%2Fpico-second+optical+lumps+in+mode-locked+fiber+lasers%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Generation of double-scale femto/pico-second optical lumps in mode-locked fiber lasers.</a> Opt. Express. 17 (23), 20707-20713 (2009).</li>
<li>Churkin, D. V., Sugavanam, S., Tarasov, N., Khorev, S., Smirnov, S. V., Kobtsev, S. M., Turitsyn, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stochasticity+periodicity+and+localized+light+structures+in+partially+mode-locked+fibre+lasers%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Stochasticity periodicity and localized light structures in partially mode-locked fibre lasers.</a> Nat. Commun. 6, 7004(2015).</li>
<li>Duling, I. N. III, Chen, C. J., Wai, P. K. A., Menyuk, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Operation+of+a+nonlinear+loop+mirror+in+a+laser+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+J.+Quantum+Electron%22%5BJournal%5D)">Operation of a nonlinear loop mirror in a laser cavity.</a> IEEE J. Quantum Electron. 30 (1), 194-199 (1994).</li>
<li>Krempzek, K., Grzegorz, S., Kaczmarek, P., Abramski, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+sub-100+fs+stretched-pulse+205+MHz+repetition+rate+passively+mode-locked+Er+doped+all-fiber+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">A sub-100 fs stretched-pulse 205 MHz repetition rate passively mode-locked Er doped all-fiber laser.</a> Laser Phys. Lett. 10, 105103(2013).</li>
<li>Shtyrina, O., Fedoruk, M., Turitsyn, S., Herda, R., Okhotnikov, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evolution+and+stability+of+pulse+regimes+in+SESAM-mode-locked+femtosecond+fiber+lasers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am.+B%22%5BJournal%5D)">Evolution and stability of pulse regimes in SESAM-mode-locked femtosecond fiber lasers.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 26 (2), 346-352 (2009).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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&#34;正常&#34;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...

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，操作者即停止调节PSC位置，因为此时激光器已处于锁模状态。显然，实现激光器自动自启动将显著提高效率。当激光器受到外界扰动导致对准状态或谐振腔构型发生变化时，这一点尤其重要，因为操作者不得不反复进行对准操作。在过去十年中，已有多种方法被提出以实现这一自动化过程。Hellwig 等3采用压电挤压器控制偏振态，并结合全光纤振幅分割式偏振计对信号的偏振态进行全面分析，以检测锁模状态。Radnarotov 等4使用液晶片型PSC，并基于射频（RF）光谱分析来检测锁模。Shen 等5采用压电挤压器控制偏振态，并利用光电二极管与高速计数器系统检测锁模。最近，有研究提出一种基于进化算法的策略，通过高带宽光电探测器、强度式二阶自相关仪和光谱分析仪联合实现锁模检测，控制则由谐振腔内两个电子驱动的PSC完成6。
本文介绍了一种检测锁模（ML）的创新方法，并将其应用于一种迫使光纤激光器实现锁模的自动化技术。通过分析信号输出偏振态随偏振敏感控制器（PSC）角度扫描的变化情况，可实现对激光器锁模状态的检测。如后文所示，激光器进入锁模状态时，其偏振态会发生突变，该变化可通过测量输出信号的某一斯托克斯（Stokes）参数而被探测到。这种偏振态变化的原因在于，脉冲信号比连续波（CW）信号更强，因而会经历更显著的非线性偏振旋转（NPR）。由于激光器的输出端位于腔内偏振片之前，此处脉冲的偏振态与连续波信号的偏振态不同（图2），这一差异可用于区分锁模状态。该方法的理论基础及其首次实验实现已在Olivier et al.7中报道。本文则重点讨论该方法的技术细节、局限性及其优势。
该技术实现起来相对简单，无需使用复杂的测量仪器即可检测锁模（ML）状态，并自动对准激光器以实现锁模。需要一个可通过可编程接口 externally 调节的偏振态控制器（PSC）。原则上可以采用不同类型的 PSC：压电挤压器、液晶器件、由电机驱动旋转的波片、磁光晶体，或基于挤压和扭转光纤的电机驱动全光纤 PSC8。本文采用的是后者，即一种电机驱动的全光纤 Yao 型 PSC。为检测偏振态，可使用昂贵的商用偏振仪。然而，由于仅需获取第一斯托克斯（Stokes）参数的数值，因此如本文所示，使用一个偏振分束器结合两个光电二极管即可满足要求。
对于广泛使用的掺铒光纤激光器而言，所有这些组件的成本都很低。基于该方法的反馈回路可在几分钟内实现锁模。这一响应时间适用于大多数光纤激光器的应用，并且与其他现有技术相当。实际上，响应时间受限于用于分析信号偏振态的电子器件。最后，尽管本方法在此应用于一种类孤子掺铒光纤激光器9，但只要上述设备或其等效装置在目标波长可用，该方法即可推广至任何基于非线性偏振旋转（NPR）的光纤激光器。

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

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

Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements

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。

NPR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，竞争性工作模式的数量被降至最低。在此泵浦功率下，根据PSC的角度不同，激光器呈现出不同的工作状态（图5），但未出现多脉冲模式。由于腔内光纤在找到标准单锁模脉冲后即被预先固定，因此避免了类噪声脉冲的出现12,13。事实上，腔体设计在此方面可能也具有重要作用，但本文未对此进行深入研究。因此，仅存的几种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工作模式下，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30 nm甚至更宽。在快速光电探测器上，连续波输出几乎无波动，调Q模式表现为重复频率为数...

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。

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连串超短脉冲。本文概述了一种……

本实验的总体目标是检测预调谐非线性偏振旋转光纤激光器中的自动锁模现象。该方法为现有的自动化检测手段（如基于射频光谱分析仪、光谱分析仪、非线性检测方案或脉冲计数装置的方法）提供了一种替代方案。其主要优势在于成本相对较低、易于实现，且仅需分出激光输出的一小部分用于监测即可。该动画展示了基于非线性偏振旋转的锁模原理。信号首先由偏振器进行偏振，随后通过偏振控制器转化为椭圆偏振态。谐振腔内光纤中的非线性效应会迫使该椭圆发生旋转，其旋转程度与信号的瞬时功率成正比。因此，最终偏振片的透射将优先通过信号中高功率部分，从而形成脉冲。通过在最终偏振片前放置一个偏振分析器，可通过区分偏振态来检测腔内脉冲的存在。这一方法可行的原因在于，脉冲在腔内往返一次过程中所经历的非线性偏振旋转大于连续波信号的偏振旋转。第一步是在一个稳定的平台上搭建光纤激光系统。首先，在光学平台上搭建本实验核心的激光环形腔。此示意图可帮助理解整体布局。光沿顺时针方向传播。为了理解该装置，从一个偏振器开始。使用的是带有光纤尾纤的偏振器。它与一段涂有聚酰亚胺的光纤进行熔接，该光纤插入全光纤电动YOW型偏振态控制器中。该组件的存在对于自动化过程至关重要。在偏振控制器之后，放置一个由976纳米激光二极管泵浦的980/1550纳米波分复用器。然后将光通过作为增益介质的单模掺铒光纤。当泵浦时，掺铒光纤会发出绿光，如图所示。该掺铒光纤通过熔接与一个980/1550纳米波长的混合波分复用器以及一个1550纳米隔离器相连。它由第二个激光二极管泵浦。腔体环路中的最后一个元件是一个50-50输出耦合器，应放置在偏振器之前。腔体输出耦合器的位置非常重要，因为偏振分析仪将从此耦合器接收输入信号。它必须位于起偏器之前，以最大化非线性偏振旋转的效果。腔体输出进入一个99:1的分束器，其中99%作为可用输出。1%则通过一个手动偏振控制器，并为自动锁模提供反馈信号。下一步是将电动偏振控制器连接到计算机控制器。首先，将腔内光纤挤压器偏振控制器连接到其驱动模块，然后将驱动模块连接到计算机的USB端口。返回到工作台上的激光输出光纤，选择99%输出端口。使用裸纤适配器将99%输出端口连接至光谱分析仪。开启泵浦激光器，然后前往计算机启动仪器操作界面。使用界面命令偏振控制器顺时针旋转 3000 步。旋转过程中，控制器将到达机械限位。随后，命令偏振控制器逆时针旋转约一度。在光谱分析仪上观察光谱，以确定是否已实现锁模。这些光谱分别代表了锁模状态下的准连续和调Q工作模式。与准连续和调Q模式相比，锁模光谱非常宽广。以逆时针方向逐次旋转偏振控制器，每次旋转一度。当实现锁模时，固定该角度后再进行下一步操作。此时，准备开始寻找泵浦功率阈值。降低泵浦功率，直至锁模状态消失。然后将泵浦功率调至略高于锁模阈值。观察锁模光谱，随后关闭激光器电源并重新开启，以确保激光器能够自行实现锁模。为了确认锁模状态，将光纤从光谱分析仪上断开，连接至快速光电二极管装置，并在示波器上显示信号。锁模状态会产生脉冲序列，重复频率约为 82 兆赫兹。下一步是准备分析激光输出的偏振特性。为此，使用商用偏振分析仪（也称为偏振计），并将来自1%分光端口的光纤接入其中。本实验设备的最终布置方式如本示意图所示。计算机可控制偏振分析仪。使用计算机将偏振控制器调至其机械限位位置，并停止偏振计软件。此时，光谱分析仪显示的是非锁模光谱。在偏振仪软件中，通过点击开始按钮来启动偏振测量。将偏振控制器以逆时针方向每次旋转1度进行步进。在探索腔内偏振控制器允许的角度范围时，使用偏振仪软件观察偏振态。继续调整角度，直至观察到锁模现象的证据。注意，除了在达到锁模状态时，偏振态随角度的变化始终保持非常平滑。通过光谱分析仪观察光谱，以确认锁模特征已明显出现。返回计算机继续操作。再次顺时针旋转偏振控制器，直至无法继续旋转。在偏振仪软件中，准备监测斯托克斯参数随角度的变化。此处从上到下依次为 S 零到 S 三。在记录和观察 S 一、S 二和 S 三数值的同时，以一角度为增量逐步调节偏振控制器的角度。可以看出，当进入锁模状态时，S 一发生突变。在图形化编程语言中，编写一个脚本以自动寻找锁模条件。该脚本的逻辑由以下流程图给出。基本原理是，脚本将从偏振态控制器处于机械限位的位置开始，每次将角度增加一度，同时在每一步读取偏振仪测得的斯托克斯参数 S1 的值。当 S1 的值在单步内增加超过预设的 0.3 阈值时，脚本将停止运行，因为此时应已实现锁模。接下来，运行该脚本。此版本的脚本将显示随着角度递增，斯托克斯参数 S1 的演化过程。当开始角度扫描时，激光器尚未实现锁模。随着偏振控制器的旋转，斯托克斯参数S1和激光器的光谱不断变化。当脚本执行结束后，通过观察宽光谱可发现已实现锁模。下一步是制作商用旋光仪的替代装置。使用通过GPIB接口连接到计算机的示波器。然后，将注意力转向该替代旋光仪的光学组件。在中心位置有一个偏振分光棱镜，与三个FC-APC光纤端口准直器对齐。光从上方端口输入至分光棱镜。垂直偏振光从右侧端口出射。从底部端口输出水平偏振光。偏振分析仪还需要制备两个相同的电子电路。此处，两个跨阻放大电路位于同一块亮板上。单个电路的布局如本图所示。首先，一个铟镓砷化物光电二极管检测1550纳米的信号。该光电二极管连接至一个运算放大器、一个电阻器和一个电容器。将电路的输出端连接至示波器，以测量平均光功率。在实验台上，开始将分束器的输出端连接至电路。首先，将其中一个输出端连接至铟镓砷光电二极管。接下来，将跨阻放大器电路的输出端连接到示波器的第一通道。打开示波器和跨阻放大器电路。将激光器的1%输出端从商用旋光仪上断开。将输出端连接到偏振分束器的输入端口。以任意泵浦功率开启激光器，发送1550纳米光信号。在计算机上运行脚本，读取示波器第一通道的平均电压。返回到偏振分析仪的光学元件。断开偏振分束器输出端与光电二极管的连接，将分束器输出端连接至商用功率计。读取并记录此泵浦功率下的光功率。随后改变输入光信号的功率，测量平均电压和光功率。经过多次测量后，电压与功率的关系曲线应呈线性。确定该线性关系的系数。对分束器的第二个输出端采用相同的步骤，以完成最终的偏振分析仪设置。垂直和水平偏振输出端均连接至放大电路。每个电路都有一个专用的示波器通道，由计算机读取。现在将新的偏振分析仪整合到自动锁模过程中。打开编写的脚本，以搜索斯托克斯参量 S1 随偏振控制器角度变化时的不连续性。只需更改从设备确定 S one 的方式即可对其进行修改。对于此分析仪，使用以下公式计算 S one。功率值 PX 和 PY 是通过每种偏振的电压与功率之间的测量线性关系得出的。完成后，启动脚本。此版本的脚本将显示斯托克斯参数 S1 随角度增加而变化的过程。当开始角度扫描时，激光器尚未实现锁模。随着偏振控制器的旋转，斯托克斯参数S1的数值和激光器的光谱均发生变化。当脚本运行结束后，通过宽广的光谱可观察到已实现锁模。这是斯托克斯参数S1随电动偏振态控制器角度变化的典型图谱。S1 使用非商用偏振分析仪测得的功率值进行计算。当激光器达到锁模状态时，会出现明显的突变。通过编写自动化脚本，在出现不连续性时停止调整偏振控制器的角度，可在几分钟内实现锁模。该过程可在数分钟内实现锁模。其实施不影响激光谐振腔的设计，仅需监测1%的输出信号，剩余99%可用于预期应用。为确保该过程正常执行，需预先适当调节激光器参数，例如泵浦功率以及偏振控制器的双折射，以避免出现多重脉冲或类噪声脉冲等非期望工作状态。未来还需开展进一步研究，以探索该方法在不同激光器设计和工作波长下的适用性。我们认为，该方法可应用于商业光纤激光系统，在此类系统中，人们期望在启动时即可自动实现锁模。

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锁模自动化的非线性偏振旋转光纤激光器通过输出偏振测量

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使用25Mg+荧光原位测量真空窗口双折射

了解如何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。该方法利用腔内偏振控制器检测偏振态变化，实现实时调整，具有成本低、易于实施的优势，仅需监测少量激光输出即可完成自动化锁模检测。

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

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