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

该程序的总体目标是检测预先调整的非线性偏振旋转光纤激光器中的自动锁模。该程序为基于射频频谱分析仪、光谱分析仪、非线性检测方案或暂停计数设备的现有自动化程序提供了一种替代方法。它的主要优点是相对便宜，易于实施，并且只需要利用激光输出的一小部分进行监控。

该动画展示了基于非线性偏振旋转的锁模概念。信号由偏振器极化，然后由极化控制器转换为椭圆极化状态。腔体纤维中的电流非线性迫使该椭圆旋转，这与信号的瞬时功率成正比。

因此，最终偏振器的传输将有利于信号的高功率部分的传输，从而导致脉冲的形成。通过将偏振分析仪放置在最终偏振器之前，可以通过区分偏振状态来检测腔中的脉冲。这是可以实现的，因为在腔内往返期间，脉冲将经历比连续波信号更大的非线性极化旋转。

第一步是在稳定的平台上设置光纤激光系统。首先，在光学工作台上设置本实验核心的激光环腔。此原理图提供了方向概述。

光按顺时针方向传播。要了解设置，请从偏振器开始。使用光纤尾纤偏振器。

它与一段聚酰亚胺涂层光纤熔接，该光纤插入全光纤电动 yow 型极化状态控制器中。该组件的存在对于自动化程序至关重要。在偏振控制器之后，放置一个由 976 纳米半导体激光管泵浦的 980/1550 纳米波分多路复用器。

然后让光穿过单模掺铒光纤，该光纤是增益介质。掺铒光纤在泵浦时发出绿色光，如图所示。掺铒光纤采用混合 980/1550 纳米波分复用器和 1550 纳米隔离器熔接而成。

它由第二个半导体激光管泵浦。腔体回路中的最后一个元件是一个 50-50 输出耦合器，应放在偏振器之前。腔体输出耦合器的位置非常重要，因为极化分析仪将接收来自该耦合器的输入。

它必须位于偏振器之前，以便最大限度地发挥非线性偏振旋转的效果。腔体的输出进入 99：1 的分流器，其中 99% 进入可用输出。1% 通过手动极化控制器并为自动模式锁定提供反馈。

下一步是将电动极化控制器连接到计算机控制器。首先将腔间光纤挤压极化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。

返回工作台上的激光输出光纤，选择 99% 输出。使用准适配器将 99% 输出连接到光谱分析仪。打开泵浦激光器并移至计算机以启动仪器界面。

使用界面命令偏振控制器顺时针旋转 3000 步。旋转时，控制器将达到机械停止。接下来，命令偏振控制器逆时针旋转大约一度。

观察光谱分析仪上的光谱，以确定是否已达到锁模状态。谱图代表了锁模、准连续和 Q 开关状态。与准连续和 Q 开关模式相比，锁模频谱非常宽。

以 1 度的步长逆时针旋转偏振控制器。达到模式锁定时，请固定角度后再继续作。此时，准备搜索泵功率阈值。

降低泵功率，直到失去模式锁定。然后将泵功率增加到略高于锁模阈值。观察锁模光谱，然后关闭并重新打开激光电源，以确保激光模式自行锁定。

要确认锁模状态，请断开光纤与频谱分析仪的连接。将光纤连接到快速光电二极管设置，以在示波器上显示信号。锁模状态产生重复频率约为 82 兆赫兹的脉冲应变。

下一步是准备分析激光输出的偏振。为此，请使用也称为旋光仪的商用极化分析仪，并从 1% 抽头输入光纤。该示意图描述了实验设备的最终布置。

计算机可以控制偏振分析仪。使用计算机将偏振控制器置于机械停止处并停止旋光仪软件。此时，光谱分析仪显示非锁模光谱。

在旋光仪软件中，单击开始按钮开始极化测量。以 1 度的增量逆时针移动偏振控制器。在探索腔间偏振控制器允许的角度范围时，使用旋光仪软件观察偏振状态。

继续探索角度，直到有锁模的证据。请注意，极化与角度保持非常平滑，除非达到锁模。观察频谱分析仪上的频谱，以验证锁模的特征是否明显。

返回计算机继续。再次顺时针旋转偏振控制器，直到它不能再旋转。在旋光仪软件中，准备监测作为角度函数的斯托克斯参数。

在这里，它们从上到下按 S 0 到 S 3 的顺序排列。以 1 度的增量逐步浏览偏振控制器的角度，同时记录和查看 S 1、S 2 和 S 3 的值。可以看出，当过渡到锁模时， S 1 会发生突然的变化。

在图形编程语言中，编写一个将自动查找锁模条件的脚本。此流程图中给出了此脚本的逻辑。基本上，该脚本将从机械停止处的偏振状态控制器开始，并在每一步从偏振仪读取 S 1 的值时将其角度增加 1 度。

一旦 S 1 的值在一步中增加超过预定的阈值 0 点 3，脚本就会停止，因为应该实现锁模。接下来，运行脚本。此版本的脚本显示 Stokes 参数 S 1 随着角度的增加而变化。

当角度扫描开始时，激光器不会被锁模。随着偏振控制器的旋转，S 1 的值和激光器的光谱也在变化。当脚本结束时，实现了锁模，如宽光谱所示。

下一步是替代商用旋光仪。使用连接到具有 GPIB 接口的计算机的示波器。接下来，将注意力转向替换旋光仪的光学组件。

中心有一个偏振分束器，与三个 FC-APC 光纤端口准直器对齐。光线从顶部的端口输入到分束器中。垂直偏振光从右侧端口流出系统。

水平偏振光从底部端口输出。极化分析仪还需要制造两个相同的电子电路。这里，两个跨阻放大器电路位于同一个明亮的板上。

单个电路的布局在此图中。首先，砷化铟镓光电二极管检测到 1550 纳米信号。光电二极管连接到运算放大器、电阻器和电容器。

电路的输出连接到示波器，并提供平均光功率的测量值。在工作台上，开始将分束器输出连接到电路。首先，将一个输出连接到砷化铟镓光电二极管。

接下来，将跨阻放大器电路的输出连接到示波器的通道 1。打开示波器和跨阻放大器电路。断开激光器的 1% 输出与商用偏振仪的连接。

将输出连接到偏振分束器的输入端口。以任意泵浦功率打开激光器，以发送 1550 纳米的光信号。在计算机上运行脚本以读取示波器通道 1 上的平均电压。

返回偏振分析仪的光学元件。断开偏振分束器与光电二极管的输出。相反，将分束器输出连接到商用功率计。

读取并记录此泵浦功率的光功率。继续改变输入光信号的功率，然后测量平均电压和光功率。经过多次测量后，电压与功率的关系图应该是线性的。

确定此线性关系的系数。对分束器的第二个输出执行相同的步骤，以达到最终的偏振分析仪设置。垂直和水平极化输出都连接到放大器电路。

每个电路都有一个专用的示波器通道，由计算机读取。现在，将新的偏振分析仪集成到自动锁模过程中。打开编写的脚本，以搜索斯托克斯现象 S 1 中的不连续性作为偏振控制器角度的函数。

要修改它，只需要更改从设备确定 S 1 的情况。对于此分析器，使用此公式计算 S 1。功率值 PX 和 PY 是从每个极化的电压和功率之间的测量线性关系中找到的。

完成后，启动脚本。此版本的脚本显示 Stokes 参数 S 1 随着角度的增加而变化。当角度扫描开始时，激光器不会被锁模。

随着偏振控制器的旋转，S 1 的值和激光器的光谱也在变化。当脚本结束时，实现了锁模，如宽光谱所示。这是斯托克斯参数 S 1 与电动极化状态控制器角度的典型曲线。

S one 是使用从非商用偏振分析仪测得的功率值计算的。当激光器达到锁模状态时，会发生突然变化。为停止在不连续性处改变偏振控制器角度而编写的自动脚本可以在几分钟内找到锁模。

该过程可以在几分钟内找到模式锁定。它的实现不会影响激光腔设计，只需要监控 1% 的输出信号，剩下 99% 用于预期应用。为了使程序执行激光参数，例如其凸块功率和偏振控制器的双折射，必须适当地预先调整，以避免不希望的作状态，例如多个脉冲或类似噪声的脉冲。

需要额外的工作来研究该程序对不同激光器设计和工作波长的适用性。我们相信该程序可用于商用光纤激光系统，人们希望在启动时自动进行锁模。