Automatisierung der Modenkopplung in einem nicht-linearen Polarisationsdrehung Faserlaser durch Ausgabe Polarisationsmessungen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine automatische Modenkopplung in einem voreingestellten nichtlinearen Polarisationsrotationsfaserlaser zu detektieren. Dieses Verfahren bietet einen alternativen Weg zu bestehenden Automatisierungsverfahren, das auf einem HF-Spektrumanalysator, einem optischen Spektrumanalysator, einem nichtlinearen Erfassungsschema oder einer Pausenzählvorrichtung basiert. Seine Hauptvorteile bestehen darin, dass es relativ kostengünstig ist, einfach zu implementieren ist und nur ein kleiner Bruchteil der Laserleistung für die Überwachung abgegriffen werden muss.

Diese Animation zeigt das Konzept der Modenkopplung basierend auf nichtlinearer Polarisationsrotation. Das Signal wird durch den Polarisator polarisiert und dann durch den Polarisationsregler in einen elliptischen Polarisationszustand umgewandelt. Die derzeitige Nichtlinearität in den Fasern des Hohlraums erzwingt eine Drehung dieser Ellipse, die proportional zur momentanen Leistung des Signals ist.

Die Übertragung am letzten Polarisator begünstigt somit die Übertragung von Teilen des Signals mit hoher Leistung, was zur Bildung eines Impulses führt. Durch die Positionierung eines Polarisationsanalysators direkt vor dem endgültigen Polarisator ist die Detektion eines Impulses im Resonator möglich, indem zwischen Polarisationszuständen unterschieden wird. Dies ist möglich, weil ein Impuls während einer Rundfahrt im Resonator eine größere nichtlineare Polarisationsdrehung erfährt als ein Dauerstrichsignal.

Der erste Schritt besteht darin, ein Faserlasersystem auf einer stabilen Plattform aufzubauen. Richten Sie zunächst den Laserring-Resonator im Zentrum dieses Experiments auf einer optischen Bank ein. Dieser Schaltplan bietet einen Überblick zur Orientierung.

Licht breitet sich im Uhrzeigersinn aus. Um den Aufbau zu verstehen, beginnen Sie mit einem Polarisator. Zum Einsatz kommt ein Faser-Pigtail-Polarisator.

Es ist mit einem Abschnitt aus Polyimid-beschichteter Faser fusionsgespleißt, der in einen vollfasermotorisierten Yow-Polarisationszustandsregler eingesetzt wird. Das Vorhandensein dieser Komponente ist für den Automatisierungsprozess unerlässlich. Platzieren Sie nach dem Polarisationsregler einen 980/1550-Nanometer-Wellenlängenmultiplexer, der von einer 976-Nanometer-Laserdiode gepumpt wird.

Lassen Sie dann das Licht durch eine Singlemode-Erbium-dotierte optische Faser leiten, die das Verstärkungsmedium ist. Die Erbium-dotierte Faser leuchtet grün, wenn sie wie hier gezeigt gepumpt wird. Die Erbium-dotierte Faser wird mit einem hybriden 980/1550-Nanometer-Wellenlängenmultiplexer und einem 1550-Nanometer-Isolator fusionsgespleißt.

Er wird von einer zweiten Laserdiode gepumpt. Das letzte Element in der Resonatorschleife ist ein 50-50-Ausgangskoppler, der direkt vor dem Polarisator platziert werden sollte. Die Position des Kavitätenausgangskopplers ist sehr wichtig, da der Polarisationsanalysator seinen Input von diesem Koppler erhält.

Er muss sich direkt vor dem Polarisator befinden, um den Effekt der nichtlinearen Polarisationsdrehung zu maximieren. Der Ausgang eines Hohlraums geht an einen 99:1-Splitter, wobei 99 % an den nutzbaren Ausgang gehen. Der 1%-Regler durchläuft einen manuellen Polarisationsregler und gibt eine Rückmeldung für die automatische Modussperre.

Der nächste Schritt besteht darin, den motorisierten Polarisationsregler mit einer Computersteuerung zu verbinden. Verbinden Sie zunächst den Polarisationsregler des Intercavity Fiber Squeezers mit seinem Treibermodul. Verbinden Sie dann das Treibermodul mit dem USB-Anschluss des Computers.

Kehren Sie zu den Laserausgangsfasern auf der Bank zurück und wählen Sie die 99%-Ausgabe. Verbinden Sie den 99%-Ausgang mit einem Barefit-Adapter mit einem optischen Spektrumanalysator. Schalten Sie die Pumplaser ein und gehen Sie zum Computer, um die Geräteschnittstelle zu starten.

Verwenden Sie die Schnittstelle, um dem Polarisationsregler zu befehlen, sich um 3000 Schritte im Uhrzeigersinn zu drehen. Während der Drehung erreicht der Controller einen mechanischen Stopp. Befehlen Sie als Nächstes dem Polarisationsregler, sich um etwa ein Grad gegen den Uhrzeigersinn zu drehen.

Beobachten Sie das Spektrum auf dem optischen Spektrumanalysator, um festzustellen, ob die Modussperre erreicht ist. Die Spektren sind repräsentativ für modengekoppelte, quasi-kontinuierliche und gütegeschaltete Bereiche. Verglichen mit dem quasi-kontinuierlichen und gütegeschalteten Regime ist das modengekoppelte Spektrum sehr breit.

Drehen Sie den Polarisationsregler gegen den Uhrzeigersinn in Schritten von einem Grad. Wenn die Modussperre erreicht ist, fixieren Sie den Winkel, bevor Sie fortfahren. Bereiten Sie sich an dieser Stelle auf die Suche nach den Schwellenwerten für die Pumpenleistung vor.

Reduzieren Sie die Pumpenleistung, bis die Modussperre verloren geht. Erhöhen Sie dann die Pumpenleistung bis knapp über den Schwellenwert für die Modussperre. Beobachten Sie das Modussperrspektrum, schalten Sie dann die Laserleistung aus und wieder ein, um sicherzustellen, dass der Lasermodus von selbst einrastet.

Um den Modensperrzustand zu bestätigen, trennen Sie die Faser vom Spektrumanalysator. Schließen Sie die Faser an eine schnelle Fotodiode an, um ein Signal auf einem Oszilloskop anzuzeigen. Der Modensperrzustand erzeugt eine Pulsdehnung mit einer Wiederholrate von etwa 82 Megahertz.

Der nächste Schritt besteht darin, die Analyse der Polarisation der Laserleistung vorzubereiten. Verwenden Sie dazu einen handelsüblichen Polarisationsanalysator, der auch Polarimeter genannt wird, und geben Sie die Faser aus dem 1%-Abzweig ein. Die endgültige Anordnung der Ausrüstung für das Experiment ist in diesem Schema dargestellt.

Der Computer kann den Polarisationsanalysator steuern. Verwenden Sie den Computer, um den Polarisationsregler auf den mechanischen Stopp zu stellen und die Polarimeter-Software zu stoppen. Zu diesem Zeitpunkt zeigt der optische Spektrumanalysator ein nicht modengesperrtes Spektrum an.

Starten Sie in der Polarimeter-Software die Polarisationsmessungen, indem Sie auf die Schaltfläche Start klicken. Bewegen Sie den Polarisationsregler in Schritten von einem Grad gegen den Uhrzeigersinn. Während der vom Polarisationsregler zwischen den Resonatoren zugelassene Winkelbereich untersucht wird, beobachten Sie den Polarisationszustand mit der Polarimeter-Software.

Erkunden Sie die Winkel weiter, bis es Anzeichen für eine Modussperre gibt. Beachten Sie, dass die Polarisation sehr gleichmäßig mit dem Winkel bleibt, außer dort, wo die Moduskopplung erreicht ist. Beobachten Sie das Spektrum auf dem Spektrumanalysator, um sicherzustellen, dass die Signatur der Modenkopplung offensichtlich ist.

Kehren Sie zum Computer zurück, um fortzufahren. Drehen Sie den Polarisationsregler erneut im Uhrzeigersinn, bis er sich nicht mehr drehen lässt. Bereiten Sie in der Polarimeter-Software die Überwachung der Stokes-Parameter als Funktion des Winkels vor.

Hier sind sie von oben nach unten von S null bis S drei geordnet. Durchlaufen Sie die Winkel des Polarisationsreglers in Schritten von einem Grad, während Sie die Werte von S eins, S zwei und S drei aufzeichnen und anzeigen. Es ist zu erkennen, dass S one eine abrupte Variation erfährt, wenn der Übergang zur Modenkopplung erfolgt.

Schreiben Sie in einer grafischen Programmiersprache ein Skript, das die Bedingung für die Modussperre automatisch findet. Die Logik dieses Skripts ist in diesem Flussdiagramm angegeben. Grundsätzlich beginnt das Skript mit dem Polarisationszustandsregler am mechanischen Anschlag und erhöht seinen Winkel in Schritten von einem Grad, während der Wert von S eins bei jedem Schritt vom Polarimeter abgelesen wird.

Sobald der Wert von S eins in einem einzigen Schritt um mehr als einen vorher festgelegten Schwellenwert von null Komma drei ansteigt, stoppt das Skript, da die Modussperre erreicht sein sollte. Führen Sie als Nächstes das Skript aus. Diese Version des Skripts zeigt die Entwicklung des Stokes-Parameters S eins an, wenn der Winkel inkrementiert wird.

Wenn der Winkelsweep beginnt, ist der Laser nicht modengekoppelt. Wenn sich der Polarisationsregler dreht, entwickeln sich der Wert von S eins und das optische Spektrum des Lasers. Wenn das Skript beendet ist, wird die Moduskopplung erreicht, wie man am breiten optischen Spektrum erkennen kann.

Der nächste Schritt besteht darin, einen Ersatz für das kommerzielle Polarimeter herzustellen. Verwenden Sie ein Oszilloskop, das über eine GPIB-Schnittstelle an den Computer angeschlossen ist. Wenden Sie sich als Nächstes den optischen Komponenten des Ersatzpolarimeters zu.

In der Mitte befindet sich ein polarisierender Strahlteiler, der mit drei FC-APC-Kollimatoren für faseroptische Ports ausgerichtet ist. Das Licht wird über den Anschluss an der Oberseite in den Strahlteiler eingespeist. Vertikal polarisiertes Licht verlässt das System über den rechten Anschluss.

Horizontal polarisiertes Licht wird über den unteren Anschluss ausgegeben. Der Polarisationsanalysator erfordert auch die Herstellung von zwei identischen elektronischen Schaltkreisen. Hier befinden sich die beiden Transimpedanz-Verstärkerschaltungen auf der gleichen Glanzplatine.

In diesem Diagramm ist der Aufbau einer einzelnen Schaltung dargestellt. Zunächst detektiert eine Indium-Gallium-Arsenid-Photodiode ein 1550-Nanometer-Signal. Die Fotodiode ist mit einem Operationsverstärker, einem Widerstand und einem Kondensator verbunden.

Der Ausgang der Schaltung ist mit einem Oszilloskop verbunden und liefert ein Maß für die durchschnittliche optische Leistung. Beginnen Sie an der Werkbank mit dem Anschluss der Strahlteilerausgänge an die Stromkreise. Verbinden Sie zunächst einen Ausgang mit einer Indium-Galliumarsenid-Fotodiode.

Verbinden Sie als Nächstes den Ausgang der Transimpedanzverstärkerschaltung mit dem Kanal eines der Oszilloskope. Schalten Sie das Oszilloskop und die Transimpedanzverstärkerschaltung ein. Trennen Sie den 1%-Ausgang des Lasers vom kommerziellen Polarimiter.

Verbinden Sie den Ausgang mit dem Eingangsanschluss des Polarisationsstrahlteilers. Schalten Sie den Laser mit einer beliebigen Pumpleistung ein, um ein optisches Signal von 1550 Nanometern zu senden. Führen Sie auf dem Computer ein Skript aus, um die durchschnittliche Spannung auf Kanal eins des Oszilloskops auszulesen.

Zurück zu den optischen Elementen des Polarisationsanalysators. Trennen Sie den Ausgang des polarisierenden Strahlteilers von der Fotodiode. Schließen Sie stattdessen den Strahlteilerausgang an einen handelsüblichen Leistungsmesser an.

Lesen und notieren Sie die optische Leistung für diese Pumpleistung. Fahren Sie fort, indem Sie die Leistung des optischen Eingangssignals variieren und dann die durchschnittliche Spannung und die optische Leistung messen. Nach mehreren Messungen sollte ein Diagramm der Spannung über die Leistung linear sein.

Bestimmen Sie die Koeffizienten dieser linearen Beziehung. Befolgen Sie das gleiche Verfahren mit dem zweiten Ausgang des Strahlteilers, um zum endgültigen Aufbau des Polarisationsanalysators zu gelangen. Sowohl der vertikale als auch der horizontale Polarisationsausgang sind mit Verstärkerschaltungen verbunden.

Jede Schaltung verfügt über einen dedizierten Oszilloskopkanal, der vom Computer gelesen wird. Integrieren Sie nun den neuen Polarisationsanalysator in den automatisierten Modensperrprozess. Öffnen Sie die Skripte, die geschrieben wurden, um nach Diskontinuität im Stokes-Phänomen S eins in Abhängigkeit vom Winkel des Polarisationsreglers zu suchen.

Um sie zu modifizieren, bedarf es nur einer Änderung der Bestimmung von S eins aus der Apparatur. Berechnen Sie für dieses Analysetool S eins mit dieser Formel. Die Leistungswerte PX und PY ergeben sich aus dem gemessenen linearen Verhältnis zwischen Spannung und Leistung für jede Polarisation.

Wenn Sie fertig sind, starten Sie das Skript. Diese Version des Skripts zeigt die Entwicklung des Stokes-Parameters S eins an, wenn der Winkel inkrementiert wird. Wenn der Winkelsweep beginnt, ist der Laser nicht modengekoppelt.

Wenn sich der Polarisationsregler dreht, entwickeln sich der Wert von S eins und das optische Spektrum des Lasers. Wenn das Skript beendet ist, wird die Moduskopplung erreicht, wie man am breiten optischen Spektrum erkennen kann. Dies ist ein typisches Diagramm des Stokes-Parameters S eins im Vergleich zum Winkel des motorisierten Polarisationszustandsreglers.

S one wird anhand von Leistungswerten berechnet, die von einem nicht-kommerziellen Polarisationsanalysator gemessen werden. Eine abrupte Änderung tritt auf, wenn der Laser den Modenkopplungszustand erreicht. Ein automatisiertes Skript, das so geschrieben wurde, dass es die Variation des Polarisationsreglerwinkels bei einer Diskontinuität stoppt, kann innerhalb weniger Minuten eine Modussperre finden.

Das Verfahren kann innerhalb weniger Minuten eine Modussperre finden. Seine Implementierung hat keinen Einfluss auf das Design des Laserresonators und erfordert nur die Überwachung von 1 % des Ausgangssignals, sodass 99 % für die beabsichtigten Anwendungen übrig bleiben. Für das Verfahren zur Durchführung des Lasers müssen Parameter, wie seine Stoßleistung und die Doppelbrechung des Polarisationsreglers, ordnungsgemäß voreingestellt werden, um unerwünschte Betriebszustände wie mehrfaches Pulsieren oder rauschähnliche Impulse zu vermeiden.

Zusätzliche Arbeiten sind erforderlich, um die Anwendbarkeit dieses Verfahrens auf verschiedene Laserdesigns und Betriebswellenlängen zu untersuchen. Wir glauben, dass dieses Verfahren in kommerziellen Faserlasersystemen eingesetzt werden könnte, bei denen man erwartet, dass die Modenkopplung beim Start automatisch erfolgt.