Automatyzacja blokowania trybów w laserze światłowodowym z rotacją polaryzacji nieliniowej poprzez pomiary polaryzacji wyjściowej

Ogólnym celem tej procedury jest wykrycie blokowania trybu automatycznego we wstępnie dostosowanym laserze światłowodowym o rotacji polaryzacji nieliniowej. Ta procedura zapewnia alternatywny sposób dla istniejącej procedury automatyzacji opartej na analizatorze widma RF, optycznym analizatorze widma, nieliniowym schemacie wykrywania lub urządzeniu do zliczania pauz. Jego główne zalety to to, że jest stosunkowo niedrogi, łatwy do wdrożenia i wymaga tylko niewielkiej części mocy lasera do wykorzystania do monitorowania.

Ta animacja przedstawia koncepcję blokowania trybów w oparciu o nieliniowy obrót polaryzacji. Sygnał jest polaryzowany przez polaryzator, a następnie przekształcany w stan polaryzacji eliptycznej przez kontroler polaryzacji. Nieliniowość prądu we włóknach wnęki wymusza obrót tej elipsy, który jest proporcjonalny do chwilowej mocy sygnału.

Transmisja na końcowym polaryzatorze będzie zatem sprzyjać transmisji części sygnału o dużej mocy, co doprowadzi do powstania impulsu. Dzięki umieszczeniu analizatora polaryzacji tuż przed końcowym polaryzatorem, możliwe jest wykrycie impulsu we wnęce poprzez rozróżnienie stanów polaryzacji. Jest to osiągalne, ponieważ impuls będzie podlegał większej rotacji polaryzacji nieliniowej niż ciągły sygnał falowy podczas podróży w obie strony we wnęce.

Pierwszym krokiem jest ustawienie systemu lasera światłowodowego na stabilnej platformie. Na początek ustaw wnękę pierścienia laserowego w centrum tego eksperymentu na stole optycznym. Ten schemat zawiera przegląd orientacji.

Światło rozchodzi się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Aby zrozumieć konfigurację, zacznij od polaryzatora. Stosowany jest polaryzator z warkoczem z włókna.

Jest on łączony z sekcją włókna pokrytego poliimidem, który jest umieszczony w całkowicie światłowodowym, zmotoryzowanym kontrolerze stanu polaryzacji typu yow. Obecność tego komponentu jest niezbędna dla procedury automatyzacji. Po kontrolerze polaryzacji umieść multiplekser z podziałem długości fali 980/1550 nanometra, który jest pompowany przez diodę laserową o długości fali 976 nanometrów.

Następnie przepuść światło przez jednomodowy światłowód domieszkowany erbem, który jest ośrodkiem wzmacniającym. Włókno domieszkowane erbem świeci na zielono, gdy jest pompowane, jak pokazano tutaj. Włókno domieszkowane erbem jest łączone w fuzję z hybrydowym multiplekserem podziału długości fali 980/1550 nanometrów i izolatorem 1550 nanometrów.

Jest pompowany przez drugą diodę laserową. Ostatnim elementem w pętli wnęki jest łącznik wyjściowy 50-50, który należy umieścić tuż przed polaryzatorem. Położenie łącznika wyjściowego wnęki jest bardzo ważne, ponieważ analizator polaryzacji będzie otrzymywał dane wejściowe z tego łącznika.

Musi być umieszczony tuż przed polaryzatorem, aby zmaksymalizować efekt nieliniowej rotacji polaryzacji. Wyjście z gniazda trafia do rozdzielacza 99:1, a 99% trafia do użytecznego wyjścia. 1% przechodzi przez ręczny kontroler polaryzacji i zapewnia informację zwrotną do automatycznego blokowania trybu.

Następnym krokiem jest podłączenie zmotoryzowanego sterownika polaryzacji do sterownika komputerowego. Najpierw podłącz regulator polaryzacji wyciskarki do włókien wnękowych do jej modułu sterującego. Następnie podłącz moduł sterujący do portu USB komputera.

Wróć do światłowodów wyjściowych lasera na stole i wybierz wyjście 99%. Podłącz wyjście 99% do optycznego analizatora widma za pomocą adaptera barefit. Włącz lasery pompy i przejdź do komputera, aby uruchomić interfejs urządzenia.

Użyj interfejsu, aby nakazać kontrolerowi polaryzacji obrócenie się o 3000 kroków zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Podczas obracania sterownik zatrzyma się mechanicznie. Następnie wydaj kontrolerowi polaryzacji polecenie obrócenia o około jeden stopień w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Obserwuj widmo na optycznym analizatorze widma, aby określić, czy osiągnięto blokadę trybu. Widma są reprezentatywne dla reżimów quasi-ciągłych z blokadą modów i Q-switched. W porównaniu z reżimami quasi-ciągłym i Q-switched spektrum modów jest bardzo szerokie.

Obracaj kontroler polaryzacji w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w krokach co jeden stopień. Po osiągnięciu blokady trybu ustal kąt, zanim przejdziesz dalej. W tym momencie przygotuj się do wyszukania progów mocy pompy.

Zmniejsz moc pompy, aż do utraty blokady trybu. Następnie zwiększ moc pompy do poziomu nieco powyżej progu blokowania trybu. Obserwuj widmo blokowania trybu, a następnie wyłącz i ponownie włącz zasilanie lasera, aby upewnić się, że tryb lasera sam się zablokuje.

Aby potwierdzić stan blokady trybu, odłącz światłowód od analizatora widma. Podłącz światłowód do szybkiej konfiguracji fotodiody, aby wyświetlić sygnał na oscyloskopie. Stan blokady trybu wytwarza odkształcenie impulsowe o częstotliwości powtarzania około 82 megaherców.

Kolejnym krokiem jest przygotowanie się do analizy polaryzacji wyjścia lasera. Aby to zrobić, użyj komercyjnego analizatora polaryzacji, zwanego również polarymetrem i wprowadź włókno z 1% kranu. Ostateczny układ sprzętu do eksperymentu jest przedstawiony na tym schemacie.

Komputer może sterować analizatorem polaryzacji. Użyj komputera, aby ustawić kontroler polaryzacji w miejscu, w którym jest mechaniczny ogranicznik i zatrzymać oprogramowanie polarymetru. W tym momencie optyczny analizator widma wyświetla widmo niezablokowane w trybie.

W oprogramowaniu polarymetru rozpocznij pomiary polaryzacji, klikając przycisk Start. Przesuwaj regulator polaryzacji w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w krokach co jeden stopień. Podczas badania zakresu kątów dozwolonych przez kontroler polaryzacji między wnękami, obserwuj stan polaryzacji za pomocą oprogramowania polarymetru.

Kontynuuj badanie kątów, aż pojawią się dowody na zablokowanie trybu. Zwróć uwagę, że polaryzacja pozostaje bardzo płynna wraz z kątem, z wyjątkiem sytuacji, w której osiągnięto blokadę trybu. Obserwuj widmo na analizatorze widma, aby sprawdzić, czy sygnatura blokowania modów jest oczywista.

Wróć do komputera, aby kontynuować. Ponownie obróć kontroler polaryzacji zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż nie będzie mógł się już obracać. W oprogramowaniu polarymetru przygotuj się do monitorowania parametrów Stokesa w funkcji kąta.

Tutaj są one uporządkowane od S zero do S trzy od góry do dołu. Przechodź przez kąty regulatora polaryzacji w krokach co jeden stopień, rejestrując i wyświetlając wartości S jeden, S dwa i S trzy. Można zauważyć, że S one ulega nagłej zmianie, gdy następuje przejście do blokowania trybów.

W graficznym języku programowania napisz skrypt, który automatycznie znajdzie warunek blokady trybu. Logika tego skryptu jest podana na tym schemacie blokowym. Zasadniczo skrypt rozpocznie się od kontrolera stanu polaryzacji na ograniczniku mechanicznym i zwiększy jego kąt o krok o jeden stopień, odczytując wartość S jeden z polarymetru na każdym kroku.

Gdy tylko wartość S one wzrośnie o więcej niż wcześniej określona wartość progowa punktu zerowego trzy w jednym kroku, skrypt zostanie zatrzymany, ponieważ powinno zostać osiągnięte blokowanie trybu. Następnie uruchom skrypt. Ta wersja skryptu wyświetla ewolucję parametru Stokesa S jeden wraz ze wzrostem kąta.

Gdy rozpoczyna się przemiatanie kątowe, laser nie jest zablokowany w trybie. Gdy regulator polaryzacji się obraca, wartość S one i widmo optyczne lasera ewoluują. Po zakończeniu skryptu uzyskuje się blokadę trybu, co widać po szerokim spektrum optycznym.

Następnym krokiem jest wymiana komercyjnego polarymetru. Użyj oscyloskopu podłączonego do komputera z interfejsem GPIB. Następnie zwróć uwagę na elementy optyczne zamiennego polarymetru.

W środku znajduje się rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej ustawiony w jednej linii z trzema kolimatorami portów światłowodowych FC-APC. Światło jest wprowadzane do rozdzielacza wiązki z portu na górze. Światło spolaryzowane pionowo wychodzi z systemu z prawego portu.

Światło spolaryzowane poziomo jest wyprowadzane z dolnego portu. Analizator polaryzacji wymaga również wytworzenia dwóch identycznych obwodów elektronicznych. W tym przypadku dwa obwody wzmacniacza transimpedancji znajdują się na tej samej jasnej płycie.

Układ pojedynczego obwodu znajduje się na tym schemacie. Po pierwsze, fotodioda z arsenku indu i galu wykrywa sygnał o długości 1550 nanometrów. Fotodioda jest podłączona do wzmacniacza operacyjnego, rezystora i kondensatora.

Wyjście obwodu jest podłączone do oscyloskopu i zapewnia miarę średniej mocy optycznej. Na stole zacznij podłączać wyjścia rozdzielacza wiązki do obwodów. Najpierw podłącz jedno wyjście do fotodiody z arsenku indu i galu.

Następnie podłącz wyjście obwodu wzmacniacza transimpedancji do pierwszego kanału oscyloskopu. Włącz oscyloskop i transimpedancję amplifier obwód. Odłącz 1% wyjście lasera od komercyjnego polarymitera.

Podłącz wyjście do portu wejściowego rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej. Włącz laser z dowolną mocą pompy, aby wysłać sygnał optyczny o długości fali 1550 nanometrów. Na komputerze uruchom skrypt, aby odczytać średnie napięcie na pierwszym kanale oscyloskopu.

Wróć do elementów optycznych analizatora polaryzacji. Odłącz wyjście rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej od fotodiody. Zamiast tego podłącz wyjście rozdzielacza wiązki do komercyjnego miernika mocy.

Odczytaj i zapisz moc optyczną dla tej mocy pompy. Kontynuuj, zmieniając moc wejściowego sygnału optycznego, a następnie mierząc średnie napięcie i moc optyczną. Po kilku pomiarach wykres napięcia w funkcji mocy powinien być liniowy.

Określ współczynniki tej zależności liniowej. Postępuj zgodnie z tą samą procedurą z drugim wyjściem rozdzielacza wiązki, aby uzyskać ostateczną konfigurację analizatora polaryzacji. Zarówno wyjścia polaryzacji pionowej, jak i poziomej są podłączone do obwodów wzmacniacza.

Każdy obwód posiada dedykowany kanał oscyloskopu, który jest odczytywany przez komputer. Teraz włącz nowy analizator polaryzacji do zautomatyzowanego procesu blokowania trybów. Otwórz skrypty napisane w celu wyszukania nieciągłości w zjawisku Stokesa S jeden w funkcji kąta regulatora polaryzacji.

Modyfikacja wymaga jedynie zmiany w określaniu S one z aparatu. W przypadku tego analizatora oblicz S one przy użyciu tej formuły. Wartości mocy PX i PY są znajdowane na podstawie zmierzonej zależności liniowej między napięciem a mocą dla każdej polaryzacji.

Po zakończeniu uruchom skrypt. Ta wersja skryptu wyświetla ewolucję parametru Stokesa S jeden wraz ze wzrostem kąta. Gdy rozpoczyna się przemiatanie kątowe, laser nie jest zablokowany w trybie.

Gdy regulator polaryzacji się obraca, wartość S one i widmo optyczne lasera ewoluują. Po zakończeniu skryptu uzyskuje się blokadę trybu, co widać po szerokim spektrum optycznym. Jest to typowy wykres parametru Stokesa S jeden w funkcji kąta zmotoryzowanego regulatora stanu polaryzacji.

S jeden jest obliczany przy użyciu wartości mocy mierzonych z niekomercyjnego analizatora polaryzacji. Nagła zmiana następuje, gdy laser osiąga stan blokady modu. Zautomatyzowany skrypt napisany w celu zatrzymania zmiany kąta regulatora polaryzacji przy nieciągłości może znaleźć blokadę trybu w ciągu kilku minut.

Procedura może znaleźć zablokowanie trybu w ciągu kilku minut. Jego implementacja nie wpływa na konstrukcję wnęki laserowej i wymaga monitorowania tylko 1% sygnału wyjściowego, pozostawiając 99% dla zamierzonych zastosowań. Aby procedura mogła działać, parametry lasera, takie jak jego siła uderzenia i dwójłomność kontrolera polaryzacji, muszą być odpowiednio wyregulowane, aby uniknąć niepożądanych reżimów pracy, takich jak wielokrotne impulsy pulsacyjne lub impulsy przypominające szum.

Konieczne będą dodatkowe prace w celu zbadania możliwości zastosowania tej procedury do różnych konstrukcji laserów i długości fal roboczych. Uważamy, że ta procedura może być stosowana w komercyjnych systemach laserów światłowodowych, w których oczekuje się, że modelocking nastąpi automatycznie podczas uruchamiania.