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

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。