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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykrywanie automatycznego blokowania częstotliwości mod (mode locking) w uprzednio dostrojonym światłowodowym laserze z nieliniowym obrotem polaryzacji. Procedura ta stanowi alternatywę dla istniejących metod automatyzacji opartych na analizatorze widma RF, analizatorze widma optycznego, nieliniowym schemacie detekcji lub urządzeniu do zliczania przerw. Jej głównymi zaletami są stosunkowo niskie koszty, łatwość wdrożenia oraz wymóg pobrania jedynie niewielkiej części mocy wyjściowej lasera do celów monitorowania.

Ta animacja przedstawia koncepcję blokowania modów opartą na nieliniowym obrocie polaryzacji. Sygnał jest polaryzowany przez polaryzator, a następnie przekształcany w stan polaryzacji eliptycznej za pomocą kontrolera polaryzacji. Obecna nieliniowość w światłowodach wnęki wymusza obrót tej elipsy, który jest proporcjonalny do chwilowej mocy sygnału.

Transmisja w końcowym polaryzatorze będzie zatem sprzyjać przechodzeniu części sygnału o wysokiej mocy, co doprowadzi do formowania się impulsu. Poprzez umieszczenie analizatora polaryzacji tuż przed końcowym polaryzatorem możliwe jest wykrycie impulsu wnęki poprzez rozróżnienie stanów polaryzacji. Jest to osiągalne, ponieważ impuls ulegnie większemu nieliniowemu obrotowi polaryzacji niż sygnał ciągły podczas jednego przejścia wewnątrz wnęki.

Pierwszym krokiem jest konfiguracja systemu laserowego światłowodowego na stabilnej platformie. Na początek należy ustawić pierścieniową wnękę laserową, stanowiącą rdzeń tego eksperymentu, na stole optycznym. Poniższy schemat przedstawia ogólny widok w celu orientacji.

Światło rozchodzi się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Aby zrozumieć schemat układu, należy zacząć od polaryzatora. Wykorzystany został polaryzator z dołączonym światłowodem.

Zostaje ono zespawane fuzyjnie z odcinkiem włókna w powłoce polimidowej, który jest wprowadzony do w pełni światłowodowego zmotoryzowanego kontrolera stanu polaryzacji typu yow. Obecność tego komponentu jest niezbędna dla procedury automatyzacji. Za kontrolerem polaryzacji należy umieścić multipleksor podziału długości fali 980/1550 nanometr, pompowany przez diodę laserową o długości fali 976 nanometr.

Następnie przeprowadź światło przez jednomodowy światłowód domieszkowany erbem, który stanowi ośrodek wzmacniający. Światłowód domieszkowany erbem świeci na zielono podczas pompowania, co pokazano tutaj. Światłowód domieszkowany erbem jest zespawany termicznie z hybrydowym multiplekserem długości fal 980/1550 nanometr oraz izolatorem 1550 nanometr.

Jest on pompowany przez drugą diodę laserową. Ostatnim elementem w pętli rezonatora jest dzielnik wyjściowy 50-50, który należy umieścić bezpośrednio przed polaryzatorem. Położenie dzielnika wyjściowego rezonatora jest bardzo istotne, ponieważ analizator polaryzacji będzie otrzymywał sygnał wejściowy właśnie z tego dzielnika.

Musi on znajdować się bezpośrednio przed polaryzatorem, aby zmaksymalizować efekt nieliniowego obrotu polaryzacji. Sygnał wyjściowy z wnęki trafia do dzielnika 99:1, z czego 99% stanowi wyjście użyteczne. Pozostały 1% przechodzi przez ręczny kontroler polaryzacji i zapewnia sprzężenie zwrotne dla automatycznego blokowania modów.

Kolejnym krokiem jest podłączenie zmotoryzowanego kontrolera polaryzacji do komputera sterującego. Najpierw należy podłączyć kontroler polaryzacji ścieślacza światła wewnątrzwnętrza (intercavity fiber squeezer) do modułu sterującego. Następnie należy podłączyć moduł sterujący do portu USB komputera.

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

Użyj interfejsu, aby wydać polecenie obrotu kontrolera polaryzacji o 3000 kroków zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Podczas obracania kontroler dotrze do stopera mechanicznego. Następnie wydaj polecenie obrotu kontrolera polaryzacji o około jeden stopień przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Obserwuj widmo na analizatorze widma optycznego, aby ustalić, czy osiągnięto blokadę modów. Przedstawione widma są reprezentatywne dla reżimów quasi-ciągłego oraz przełączanego Q oraz reżimu blokady modów. W porównaniu z reżimami quasi-ciągłym i przełączanym Q, widmo przy blokadzie modów jest bardzo szerokie.

Obracaj kontroler polaryzacji przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w krokach o jeden stopień. Po osiągnięciu blokady modowej ustal kąt przed przejściem do następnego etapu. W tym momencie przygotuj się do wyznaczenia progów mocy pompy.

Zmniejsz moc pompowania, aż do momentu utraty blokady modów. Następnie zwiększ moc pompowania do poziomu tuż powyżej progu blokady modów. Zaobserwuj widmo blokady modów, a następnie wyłącz i ponownie włącz laser, aby upewnić się, że laser blokuje mody samoistnie.

Aby potwierdzić stan blokady modowej, odłącz światłowód od analizatora widma. Podłącz światłowód do układu z szybką fotodiodą, aby wyświetlić sygnał na oscyloskopie. Stan blokady modowej generuje ciąg impulsów o częstotliwości powtarzania około 82 MHz.

Kolejnym krokiem jest przygotowanie do analizy polaryzacji wiązki wyjściowej lasera. W tym celu należy użyć komercyjnego analizatora polaryzacji, zwanego również polarymetrem, i wprowadzić do niego światłowód z odsprzęgu 1%tap. Ostateczny układ aparatury dla tego eksperymentu przedstawiono na poniższym schemacie.

Komputer może sterować analizatorem polaryzacji. Użyj komputera, aby ustawić kontroler polaryzacji w jego mechanicznym punkcie stopu oraz aby zatrzymać oprogramowanie polarymetru. W tym momencie analizator widma optycznego wyświetla widmo bez blokady modów.

W oprogramowaniu polarymetru rozpocznij pomiary polaryzacji, klikając przycisk start. Przesuwaj kontroler polaryzacji przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w jednym stopniu. Podczas sprawdzania zakresu kątów dopuszczalnych przez międzycavity'owy kontroler polaryzacji, obserwuj stan polaryzacji za pomocą oprogramowania polarymetru.

Kontynuuj badanie kątów do momentu uzyskania dowodów na wystąpienie blokady modów. Zauważ, że polaryzacja zmienia się bardzo płynnie wraz z kątem, z wyjątkiem punktu osiągnięcia blokady modów. Obserwuj widmo na analizatorze widma, aby potwierdzić wyraźną sygnaturę blokady modów.

Powrót do komputera w celu kontynuacji. Ponownie obróć kontroler polaryzacji zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż do momentu, gdy nie będzie można go dalej obracać. W oprogramowaniu polarymetru przygotuj się do monitorowania parametrów Stokesa w funkcji kąta.

Są one uporządkowane od S zero do S trzy, od góry do dołu. Zmieniaj kąty kontrolera polaryzacji w przyrostach jednego stopnia, rejestrując i obserwując wartości S one, S two oraz S three. Można zauważyć, że S one ulega gwałtownej zmianie w momencie wystąpienia przejścia do blokady modowej.

W graficznym języku programowania należy napisać skrypt, który automatycznie znajdzie warunek blokady modowej. Logika tego skryptu została przedstawiona na poniższym schemacie blokowym. W praktyce skrypt rozpocznie pracę z kontrolerem stanu polaryzacji ustawionym na ograniczniku mechanicznym, a następnie będzie zwiększał jego kąt w krokach o jeden stopień, odczytując przy każdym kroku wartość S one z polarymetru.

Gdy tylko wartość S one wzrośnie o więcej niż wcześniej określony próg wynoszący zero przecinek trzy w jednym kroku, skrypt zostanie zatrzymany, ponieważ blokada modowa powinna zostać osiągnięta. Następnie uruchom skrypt. Ta wersja skryptu wyświetla ewolucję parametru Stokesa S one w miarę zwiększania kąta.

W momencie rozpoczęcia skanowania kątowego laser nie jest zablokowany modowo. Wraz z obrotem kontrolera polaryzacji zmieniają się wartość S1 oraz widmo optyczne lasera. Po zakończeniu działania skryptu uzyskano blokadę modową, co potwierdza szerokie widmo optyczne.

Kolejnym krokiem jest wykonanie zamiennika komercyjnego polarymetru. Należy użyć oscyloskopu podłączonego do komputera za pomocą interfejsu GPIB. Następnie należy skupić się na komponentach optycznych zamiennika polarymetru.

W centrum znajduje się polaryzacyjny dzielnik wiązki, wyrównany z trzema kolimatorami portów światłowodowych FC-APC. Światło jest wprowadzane do dzielnika wiązki przez port górny. Światło spolaryzowane pionowo opuszcza układ przez port prawy.

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

Układ pojedynczego obwodu przedstawiono na tym schemacie. Najpierw fotodioda z arsenku galu i indu wykrywa sygnał o długości fali 1550 nanometrów. Fotodioda jest połączona ze wzmacniaczem operacyjnym, rezystorem i kondensatorem.

Wyjście obwodu jest podłączone do oscyloskopu i służy do pomiaru średniej mocy optycznej. Na stanowisku badawczym należy rozpocząć od podłączenia wyjść dzielnika wiązki do obwodów. Najpierw podłącz jedno z wyjść do fotodiody z arsenku indu i galu.

Następnie podłącz wyjście układu wzmacniacza transimpedancyjnego do kanału pierwszego oscyloskopu. Włącz oscyloskop oraz układ wzmacniacza transimpedancyjnego. Odłącz wyjście 1% lasera od komercyjnego polarymetru.

Podłącz wyjście do portu wejściowego polaryzacyjnego dzielnika wiązki. Włącz laser przy dowolnej mocy pompowania, aby wysłać sygnał optyczny o długości fali 1550 nm. Na komputerze uruchom skrypt służący do odczytu średniego napięcia na kanale pierwszym oscyloskopu.

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

Odczytaj i zapisz moc optyczną dla tej mocy pompy. Następnie zmieniaj moc wejściowego sygnału optycznego, mierząc średnie napięcie oraz moc optyczną. Po wykonaniu kilku pomiarów wykres zależności napięcia od mocy powinien być liniowy.

Wyznacz współczynniki tej relacji liniowej. Postępuj w ten sam sposób z drugim wyjściem dzielnika wiązki, aby uzyskać końcową konfigurację analizatora polaryzacji. Zarówno wyjście polaryzacji pionowej, jak i poziomej są podłączone do układów wzmacniaczy.

Każdy obwód posiada dedykowany kanał oscyloskopu, który jest odczytywany przez komputer. Teraz należy włączyć nowy analizator polaryzacji do zautomatyzowanego procesu blokowania modów. Otwórz skrypty napisane w celu poszukiwania nieciągłości w zjawisku Stokesa S1 jako funkcji kąta kontrolera polaryzacji.

W celu modyfikacji wymagana jest jedynie zmiana sposobu wyznaczania S one z aparatury. Dla tego analizatora oblicz S one, korzystając z poniższego wzoru. Wartości mocy PX i PY uzyskuje się z pomiarowej relacji liniowej między napięciem a mocą dla każdej polaryzacji.

Po zakończeniu uruchom skrypt. Ta wersja skryptu wyświetla ewolucję pierwszego parametru Stokesa S one w miarę zwiększania kąta. W momencie rozpoczęcia skanowania kątowego laser nie jest w stanie blokady modowej.

Wraz z obrotem kontrolera polaryzacji zmieniają się wartość S one oraz widmo optyczne lasera. Po zakończeniu działania skryptu uzyskiwany jest blokad modułów, co potwierdza szerokie widmo optyczne. Jest to typowy wykres parametru Stokesa S one w funkcji kąta zmotoryzowanego kontrolera stanu polaryzacji.

Wartość S jest obliczana na podstawie wartości mocy zmierzonych za pomocą niekomercyjnego analizatora polaryzacji. Nagła zmiana następuje w momencie, gdy laser osiąga stan blokady modów. Zautomatyzowany skrypt napisany w celu zatrzymania zmiany kąta kontrolera polaryzacji w punkcie nieciągłości pozwala na znalezienie blokady modów w ciągu kilku minut.

Procedura ta pozwala na uzyskanie blokady mod w ciągu kilku minut. Jej wdrożenie nie wpływa na konstrukcję wnęki laserowej i wymaga monitorowania jedynie 1% sygnału wyjściowego, pozostawiając 99% do zamierzonych zastosowań. Aby procedura mogła zostać przeprowadzona, parametry lasera, takie jak moc pompowania oraz dwójłomność kontrolera polaryzacji, muszą zostać odpowiednio dostrojone, aby uniknąć niepożądanych reżimów pracy, takich jak wielopulsowość lub impulsy o charakterze szumowym.

Konieczne będą dalsze prace w celu zbadania możliwości zastosowania tej procedury w różnych konstrukcjach laserów i przy różnych długościach fal roboczych. Uważamy, że procedura ta mogłaby zostać wykorzystana w komercyjnych systemach laserów światłowodowych, w których oczekuje się, że blokada modowa wystąpi automatycznie podczas uruchamiania.