Automatisering af Mode Locking i en ikke-lineær polarisering Rotation Fiber Laser via Output polarisationsmålinger

Abstract

Når en laser er mode-locked, udsender et tog af ultrakorte impulser impulsfrekvens bestemt af laserkaviteten længde. Denne artikel beskriver en ny og billig procedure at tvinge tilstand låsning i en præ-justerede ikke-lineær polarisering rotation fiberlaser. Denne procedure er baseret på påvisning af en pludselig ændring i output polarisering tilstand, når tilstanden låsning sker. Denne ændring bliver brugt til at kommandere tilpasningen af ​​intra-hulrum polarisering controller for at finde tilstand-låsning betingelser. Mere specifikt værdien af ​​den første Stokes parameter varierer, når vinklen af ​​polariseringskontrolenhed bestryges, og desuden det undergår en brat variation, når laseren går til tilstanden-låste tilstand. Overvågning denne bratte variation tilvejebringer en praktisk nem at detektere signal, der kan bruges til at kommandere justeringen af ​​polariseringskontrolenhed og drive laseren hen imod tilstanden låsning. Denne overvågning er opnået ved at tilføre en lille delaf signalet til en polarisering analysator måle første Stokes parameter. En pludselig ændring i læse ud af denne parameter fra analysatoren vil forekomme, når laseren går til tilstanden-låste tilstand. På dette tidspunkt er den ønskede vinkel af polariseringskontrolenhed holdes fast. Tilpasningen er afsluttet. Denne procedure giver en alternativ måde til eksisterende Automatisering procedurer, der anvender udstyr såsom en optisk spektrumanalysator, en RF spektrum analysator, en fotodiode forbundet til en elektronisk impuls-tæller eller en ikke-lineær detektering, der er baseret på to-foton absorption eller anden harmoniske generation. Den er velegnet til lasere tilstand låst ved ikke-lineær polarisering rotation. Det er relativt let at gennemføre, kræver billige midler, især ved en bølgelængde på 1550 nm, og det sænker omkostningerne produktion og drift afholdt i sammenligning med de ovennævnte teknikker.

Introduction

Formålet med denne artikel er at præsentere en automatisering tilpasning procedure for at få tilstanden låsning (ML) i ikke-lineær polarisering rotation fiberlasere. Denne procedure er baseret på to væsentlige trin: Registrering af ML regime ved at måle polarisationen af ​​udgangssignalet fra laseren og derefter etablering en selvstændig starte styresystemet at komme til ML.

Fiber lasere er blevet et vigtigt redskab i optik dag. De er en effektiv kilde til sammenhængende nær-infrarødt lys, og de er nu strækker sig ind i midten af ​​infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Deres lave omkostninger og brugervenlighed har gjort dem til et attraktivt alternativ til andre kilder til kohærent lys, såsom solid-state lasere. Fiber lasere kan også give ultrakorte pulser (100 fsec eller mindre), når der indsættes en ML mekanisme i fiber hulrum. Der er mange måder at designe denne ML mekanisme såsom ikke-lineære loop spejle og mættes absorbere. En af disse, udbredt feller dets enkelhed, er baseret på ikke-lineær polarisering rotation (NPR) af signalet ^1,2. Den bruger, at polariseringen ellipse af signalet undergår en rotation proportional med dens intensitet, idet den udbreder i fibrene i laserkaviteten. Ved at indsætte en polarisator i hulrummet, dette NPR fører til intensitet-afhængige tab i en roundtrip af signalet.

Laseren kan derefter tvinges til ML ved at kontrollere polarisationstilstand. Effektivt, vil de high-power dele af signalet udsættes for mindre tab (figur 1), og dette vil i sidste ende føre til dannelsen af ultrakorte lysimpulser, når laseren tændes og starter fra en energibesparende støjende signal. Ulempen ved denne metode er imidlertid, at polarisationstilstanden controller (PSC) skal være korrekt justeret for at få ML. Normalt en operatør finder ML manuelt ved at variere positionen af ​​PSC og analysere udgangssignalet fra laseren med en hurtig photodiode, en optisk spektrum analysator eller en ikke-lineær optisk auto-korrelator. Så snart emission af pulser detekteres, stopper operatøren at variere positionen af ​​PSC da laseren er ML. Naturligvis få laseren til selv-start fører automatisk til en vigtig gevinst i effektivitet. Dette gælder især, når laseren er underlagt perturbationer skiftende opretningen eller hulrummet konfiguration eftersom operatøren skal igennem justeringsproceduren igen og igen. I det sidste årti er der blevet foreslået forskellige metoder til at opnå denne automatisering. Hellwig et al. ³ anvendes piezoelektriske knuserne at kontrollere polarisering i kombination med en fuldstændig analyse af polarisationstilstanden af signalet med en all-fiber division-of-amplitude polarimeter til påvisning ML. Radnarotov et al. ⁴ brugte væske-krystal plade kvikskranker med en analyse baseret på RF-spektret til at opdage ML. Shen et al. ⁵ anvendes piezoelektriske knuserneat styre polarisering og en fotodiode / høj hastighed counter system til at detektere ML. For nylig blev en strategi baseret på en evolutionær algoritme præsenteret ved hvilken påvisningen leveres af en høj båndbredde fotodiode i kombination med en intensimetric anden ordens autokorrelator og en optisk spektrumanalysator. Styringen udføres derefter med to elektronisk drevne PSC'er inde i hulrummet ^6.

Denne artikel beskriver en innovativ måde at detektere ML og dens anvendelse på en automatisering teknik tvinger fiberlaser til ML. Påvisningen af ​​ML af laseren opnås ved at analysere, hvordan output polarisationstilstand af signalet varierer som vinklen af ​​PSC fejes. Som det vil fremgå, er overgangen til ML forbundet med en pludselig ændring i polariseringstilstanden detekterbare ved måling af en af ​​Stokes parametre for udgangssignalet. Det faktum, at en puls er mere intens end en CW signal og vil undergå en vigtigere NPR explains denne ændring. Da udgangssignalet fra laseren er umiddelbart placeret før polarisatoren i hulrummet, polarisationstilstanden af en impuls på denne placering er forskellig fra den polarisering tilstand af et CW-signal (figur 2) og vil blive anvendt til at skelne ML tilstand. Teoretiske aspekter af denne procedure, og dens første eksperimentelle implementering blev præsenteret i Olivier et al. ^7. I denne artikel, vil blive lagt vægt på de tekniske aspekter af proceduren, sine begrænsninger og sine fordele.

Denne teknik er relativt simpelt at implementere og kræver ikke avancerede måleinstrumenter til at detektere ML tilstand og automatisere opretningen af ​​laseren for at få ML. En PSC justerbar eksternt via en programmerbar interface skal. Forskellige PSC kan anvendes principielt: piezoelektriske-presser, flydende krystal, bølge-plader roteres af en motor, magnetisk-optiske krystaller eller et motoriseret all-fiber PSC baseret on klemme og vride fiberen ^8. I denne artikel, er det sidstnævnte bruges, en all-fiber motoriseret Yao-typen PSC. For at detektere polarisationstilstanden et dyrt kommerciel polarimeter kan anvendes. Men da det kun er værdien af ​​den første Stokes parameter er påkrævet, vil en polariserende stråledeler i kombination med to fotodioder være tilstrækkeligt som vist i denne artikel.

Alle disse komponenter er billigt for de udbredte erbiumdoteret fiberlasere. En feedback-sløjfe baseret på denne fremgangsmåde kan finde ML i et par minutter. Denne svartid er egnet til de fleste anvendelser af fiberlasere og kan sammenlignes med de øvrige eksisterende teknikker. Faktisk er svartiden begrænset af elektronikken anvendt til at analysere polarisering af signalet. Endelig, selv om proceduren anvendes her til en similariton ⁹ erbiumdoterede fiberlaser, det kunne anvendes til enhver NPR baseret fiberlaser, så snart den ovennævnte udstyr eller dets equivalent bliver tilgængelig ved bølgelængden af ​​interesse.

Protocol

1. Opsætning af en Fiber ML Fiber Laser Herunder en motoriseret PSC

1. Saml følgende komponenter: en single-mode erbium-doteret fiber, en 980/1550 nm bølgelængde division multiplexer (WDM), en 980/1550 nm WDM-1550 nm isolator hybrid komponent, en 50/50 fiber kobling, en fiber polarisator, en motoriseret PSC, to 980 nm laser pumpe dioder, en 99/1 fiberkobler og en manuel inline PSC.
2. Skær erbiumdoterede fiber og alle de andre fiber-pigtailed komponenter til at passe med den ønskede hulrum design.
   BEMÆRK: præsenterede automatisering procedure er egnet til fiberlasere baseret på ikke-lineær polarisering rotation. Det bør arbejde for forskellige operativsystemer regimer såsom soliton laser, den strakte-puls laser, den dissipative soliton laser og similariton laser. Sidstnævnte regime anvendt i dette eksperiment.
3. At opbygge laserkaviteten, bruge en fiber fusion splicer at slutte sig til hulrum komponenter i vist i diagrammet (Figur 3 ordre </ Strong>). Før du udfører hver fusion splejsning, ren fibrene ender med isopropylalkohol og kløve dem med en fiber spaltekniven.
   BEMÆRK: De interne komponenter i laseren er, i urets rækkefølge i ringen hulrum, en motoriseret PSC, en 980/1550 nm WDM, en erbiumdoteret fiber, en 980/1550 nm WDM isolator hybrid komponent, en 50/50 udgang kobling og en fiber polarisator. De eksterne komponenter er en 99/1 fiberkobler og en manuel inline PSC (som omtalt i trin 1.7 og 1.8).
   BEMÆRK: En fiber segment af ca. 30 cm skal indsættes i den motoriserede PSC før splejsninger udføres med de andre komponenter i hulrummet. Selv om en standard single-mode fiber vil arbejde, anbefales brugen af ​​polyimid-belagte fiber til dette segment, fordi det er mere modstandsdygtigt over for presset fra skruerne på controlleren og vil dermed holde længere.
4. Deltag i pumpe laserdioder til WDMs ved hjælp af fusion splicer. Igen, rene fibrene slutter med isopropyl almed sprit, og kløve dem med en fiber spaltekniven, før du udfører hver fusion splejsning.
5. Tilslut laserdioder til deres respektive temperaturregulatorer og aktuelle drivere.
6. Slut intra-hulrum motoriseret Yao-typen fiber-squeezer PSC (figur 4) til sin kørsel modul og derefter tilslutte den drivende modulet til USB-porten på en computer.
   BEMÆRK: Denne port er identificeret ved nummer "COM4" som vist på "Enhedshåndtering" af computeren.
7. På outputtet af laseren, dvs. 50/50 kobler havn ikke splejset endnu, splejse en 99/1 kobler.
   BEMÆRK: 99% porten er den anvendelige output. 1% porten anvendes til at overvåge polarisationstilstand i automatisering procedure.
8. Indsæt en manuel PSC langs fiberen af ​​porten 1%. For at gøre dette, fjern skruerne og åbne PSC. Sæt fiber i den relevante holder, og derefter sætte skruerne tilbage i deres huller og skrue dem i.
9. Splice en vinkel-poleret co fibernnector (APC) ved enden af ​​porten fiber 1% (efter manuel PSC). Rens og kløve fibrene ender før udførelse af fusion splejsning.
10. Tilslut 99% output til en optisk spektrumanalysator (OSA) med en bare-fiber adapter.
    BEMÆRK: Som diskuteret senere, vil den optiske spektrum ses på OSA angive en alternativ måde at kontrollere, om laseren er ML.
11. Sikre alle fibrene og komponenterne i hulrummet korrekt med polyimid film tape.
    BEMÆRK: Fibrene og komponenter skal forhindres i at bevæge sig under alle forhold såsom når bordet vibrerer eller ventilatorer blæser luft. Den polyimid film tape anvendes for at undgå at beskadige fibrene.
12. Spænd tryk skruer på intra-hulrum PSC indtil fiberen begynder at blive lidt klemt.
13. Tænd pumpen lasere dioder og justere deres strømninger til deres maksimale værdier som angivet af laserdiode producenten.
14. Start instrumentet kommunikationsgrænseflade. I "Peripherals og Interface "kolonnen til venstre, vælg" COM4 ". Klik på" Åbn VISA testpanel ". Klik på" Input / Output ". Så i" Vælg eller indtast kommandoen "type" SM, 500,3000 n " og klik på knappen "Query". Dette befaler PSC til at rotere med 3.000 trin på 0,1125 ° i urets retning. Mens du gør det, PSC når et mekanisk stop.
15. I "Vælg eller indtast kommandoen" af "COM4" testpanel, type "SM, 500, -10 n", og klik på knappen "Query". PSC roterer derefter ca. 1 ° mod uret. Kontroller, om ML nås ved at se på det optiske spektrum på OSA. ML nås, når fuld bredde ved halvt maksimum af den optiske spektrum er af størrelsesordenen nogle få dusin nanometer (figur 5). Hvis ML er nået, holder dobbeltbrydning og vinklen fast og gå til trin 1,18.
16. Hvis ML ikke er nået, gentages 1.15 indtil enten ML eller den maksimale vinkel Attajnable med PSC er nået.
17. Hvis den maksimale vinkel af PSC er nået før ML sker, øge dobbeltbrydning af PSC ved at stramme trykket skruerne lidt, og gentag trin 1.14, 1.15 og 1.16 så mange gange som kræves for at få ML.
18. Når ML er nået, sænke pumpen beføjelser til deres mindste værdi giver ML til selv-start. For at gøre dette, reducere pumpens beføjelser indtil ML er tabt. Derefter bringe dem tilbage langsomt mod den mindste værdi, som vil gøre ML igen. Sluk pumperne og tænd den igen, og se om låser laser tilstand af sig selv. Øge pumpens beføjelser lidt mere for at sikre ML er stabil og vil selv starte hver gang laseren tændes.

2. Analyse af polarisering af udgangssignalet

1. Link hanen på 1% til en kommerciel polarimeter.
2. Slut polarimeter til computeren med et USB-port.
3. I "Vælg eller indtast kommandoen" af "COM4" testpanel, type "SM, 500,3000 n", og klik på knappen "Query".
4. Kør kommercielle polarimeter kontrollerende software og start polarisering målingen ved at klikke på "Start" knappen.
5. I "Vælg eller indtast kommandoen" af "COM4" testpanel, type "SM, 500, -10 n", og klik på knappen "Query". Overhold polarisering tilstand på polarimeter.
6. Gentag trin 2.5 så mange gange som der kræves for at dække hele spektret af vinkler tillades af intra-hulrum PSC. Bemærk at polarisationstilstanden varierer meget glat med vinklen undtagen i de specifikke vinkler, hvor ML er nået som det kan ses ved at se samtidigt bredden af ​​den optiske spektrum på OSA.
7. Gentag trin 2.3 til 2.6, men denne gang, i stedet for bare at se polarisationstilstanden noteres de værdier Stokes parametre S _1, S ₂ og S ₃ som funktions af vinklen af PSC (figur 6). For at se disse værdier klart, vælg "måle- → oscilloskop" i menuen af softwaren og kigge efter den middelværdier for S _1, S ₂ og S _3. Samtidig ser det optiske spektrum og registrere vinklerne, som laseren er ML.

3. Opsætning af en feedback Loop automatiseres Justering af PSC Brug af Commercial polarimeter Målinger

1. Sluk for computeren.
2. Tilslut den serielle port på det kommercielle polarimeter til den serielle port "COM1" af computeren. Genstart computeren og polarimeter.
3. Start den grafiske programmeringssprog interface (GPLI), som vil tillade læsningen af ​​polarimeter via "COM1" og kontrol af den motoriserede PSC via "COM4".
4. I GPLI, klik på "Blank VI". Vælg derefter "Window →Tile venstre og højre ".
   BEMÆRK: Skærmen vil derefter blive delt i to dele. Blokdiagrammet vises til højre. Det bruges til at skabe scriptet ved hjælp af forskellige funktioner i forbindelse med forskellige ikoner. Frontpanelet vises til venstre. Det bruges til at vise de kommandoer og målingerne, når scriptet kører.
5. I blokdiagrammet vindue i GPLI, udvikle en ML automation script til anvendelse sammen med den kommercielle polarimeter (se figur 7).
   BEMÆRK: Dette script læser S ₁ fra polarimeter og bruger dens værdi at give feedback og nå korrekt tilpasning af PSC vinkel fører til ML. Påvisningen af ML opnås ved at søge efter en diskontinuitet i variationen af S ₁ som vinklen varieres.
   BEMÆRK: De kommandoer, der bruges til at styre PSC via "COM4" er de samme som dem, der præsenteres i trin 2.3 og 2.5. Kommandoen til at læse S ₁
6. Gem scriptet ved at klikke på "File → Save" og derefter køre den ved at klikke på knappen "→". PSC er bragt tilbage til sin mekanisk stop, så den roterer i trin på ca. 1 ° indtil ML er nået, der viser værdien af S ₁ som den udvikler sig.

4. Opbygning af en rudimentær Hjemmelavet Polarisering Analyzer

1. Tilslut et oscilloskop til computeren ved hjælp af GPIB interface.
2. Sætte en polariserende strålesplitter cube (PBS) på en optik bænk.
3. Opsæt tre FC / APC fiber optik port kollimatorer med PBS (figur 8).
   BEMÆRK: En af portene er input. De to andre er udgangene for x- og y-polarisering komponenter af signalet.
4. Tilslut en fiber-pigtailed InGaAs PIN fotodiode til den første udgang.
5. Slut fotodiode til en trans-impedance kredsløb (figur 9).
6. Forbind den elektriske udgang af kredsløbet til kanal 1 af oscilloskopet.
7. Tænd for trans-impedans kredsløb.
8. I GPLI, læse den gennemsnitlige værdi af spændingen på kanal 1 af oscilloskopet via GPIB forbindelse med kommandoerne "measu: IMM: SOU CH1;" for at vælge kanal 1 af oscilloskopet, "measu: IMM: TYPE middelværdi;" at definere målingen til at være en gennemsnitlig spænding, "measu: IMM:? VAL" at få værdien og endelig "measu: IMM: UNI?" til opnåelse af andele i målingen. Gem scriptet ved at klikke på "File → Save" og derefter køre den ved at klikke på knappen "→".
9. Tilslut 1% laserens output ved indgangsporten af ​​PBS og tænde for laseren i en vilkårlig pumpeeffekt. Dette sender et 1.550 nm optisk signal til indgangen.
10. Mål gennemsnitlige spænding ved den første udgang. Tag derefter fiber-pigtailed fotodiode og erstattedet ved en kommerciel power-meter. Mål den optiske effekt ved denne udgang.
11. Gentag trin 4.10 mens variere strømmen af ​​input optisk signal. Spændingen bør variere lineært med den optiske effekt. Find koefficienterne af denne lineært forhold.
    BEMÆRK: Denne relation vil blive brugt i trin 4.20 for at opnå P _x fra den målte spænding.
12. Tilslutte en anden fiber-pigtailed InGaAs PIN fotodiode til den anden udgang af PBS.
13. Slut fotodioden til en anden trans-impedans kredsløb.
14. Forbind den elektriske udgang af kredsløbet til kanal 2 af oscilloskopet.
15. Tænd for trans-impedans kredsløb.
16. I GPLI, læse den gennemsnitlige værdi af spændingen på kanal 2 af oscilloskopet via GPIB forbindelse med kommandoerne "measu: IMM: SOU CH2;" for at vælge kanal 2 i oscilloskop, "measu: IMM: TYPE middelværdi;" at definere målingen til at være en gennemsnitlig spænding, "measu: IMM: VAL?4; at få værdien og endelig "measu: IMM: UNI?" til opnåelse af andele i målingen. Gem scriptet ved at klikke på "File → Save" og derefter køre den ved at klikke på knappen "→".
17. Drej laseren i en vilkårlig pumpeeffekt.
18. Mål gennemsnitlige spænding ved den anden udgang. Tag derefter fiber-pigtailed fotodiode og erstatte det med en kommerciel power-meter. Mål den optiske effekt ved denne udgang.
19. Gentag trin 4.18 mens variere strømmen af ​​input optisk signal. Sikre, at spændingen varierer lineært med den optiske effekt.
    BEMÆRK: Find koefficienterne af denne lineære forhold. Denne relation vil blive anvendt i trin 4.20 til opnåelse P _å fra den målte spænding.
20. Efter opsætning af anden detektor til at måle P _y bruge GPLI til at beregne den første Stokes parameter S ₁ er defineret som S ₁ = ( _x - P _y) / (P _x + P _y). Den hjemmelavede rudimentære polarisering analysator er nu klar til brug.

5. Udskiftning af Commercial polarimeter af Homemade Polarisation Analyzer i Automation Proces

1. Tilslut en% output af laser til den hjemmelavede polarisering analysator indgang (som det blev gjort i trin 4.9).
2. Mål den første Stokes parameter S ₁ som en funktion af vinklen af PSC (figur 10) ved at gentage trin 2.7 under anvendelse af hjemmelavede polarisering analysator (i stedet for den kommercielle polarimeter). Overhold S _en graf automatisk opdatering på hvert trin. Overhold en diskontinuert spring i værdien af S _1, når ML forekommer (dette er tilfældet, mens du bruger den kommercielle polarimeter).
   BEMÆRK: Brug en GPLI script til at udføre denne opgave automatmatisk. Dette script er baseret på en løkke, der varierer vinklen af PSC i trin på 1 ° (ved hjælp af kommandoen "SM, 500, -10 n" sendt til "COM4") og udlæser værdien af S ₁ fra den hjemmelavede polarisering analysator på hvert trin.
3. Ændre scriptet udviklet i 3,5, så at i stedet for at bruge værdien i den kommercielle polarimeter, det får P _x og P _y fra den hjemmelavede polarisering analysator og derefter beregner S ₁ = (P _x -P _y) / (P _x + P _y).
4. Brug den nye script baseret på den hjemmelavede polarisering analysator til ml laseren automatisk på en måde svarende til trin 3.6.

Representative Results

NPR mode-locked fiberlasere er kendt for at levere en lang række pulserende regimer som Q-switched pulser ^10, sammenhængende ML impulser, støj-lignende impulser, bundne tilstande af ML bælgfrugter, harmonisk ML og komplekse strukturer interagere ML pulser ^11. I laseren beskrevet her, efter dobbeltbrydning af PSC blev fastlagt til at være i stand til at få ML, blev pumpeeffekten justeret til at være relativt nær tærsklen til enkelt-impuls ML. Herved blev antallet af konkurrerende ordninger reduceret til et minimum. På dette pumpeeffekt og afhængig af vinklen af PSC, laseren præsenteret forskellige ordninger (figur 5), men ingen multi-puls regime. Støj-lignende pulser ^12,13 blev undgået på grund af den præ-justering af hulrummet fibre, som blev holdt fastsættes en gang standard enkelt ML puls blev fundet. Faktisk hulrummet design er formentlig vigtigt i den henseende også, men dette aspekt blev ikke undersøgt grundigt here. Derfor de eneste regimer var kontinuerlig bølge emission (CW), Q-switched emission og en stabil ML med ét sammenhængende puls. I kontinuerlig bølge (CW) og Q-switched regimer, smalle linjer (1 nm eller deromkring, nogle gange begrænset af den optiske spektrum analysator opløsning) er set. Disse spektre skal sammenlignes med det brede spektrum af ML regime med en fuld bredde ved halvt maksimum af størrelsesordenen 30 nm eller endnu mere. På den hurtige fotodiode, CW viser næsten ingen variationer, Q-switching viser en puls tog med en gentagelse sats i størrelsesordenen nogle få mikrosekunder (3,5 psek her) og ML fremstår som en meget hurtigere puls tog med en gentagelse på et par snese nanosekunder (12,2 ns her) svarende til roundtrip tidspunkt laserkaviteten. Når der anvendes et autokorrelation spor, kun ML regime viser tilstedeværelse af pulser fordi Q-switched regime genererer impulser, som har en meget længere varighed og en meget lavere spidseffekt. Autokorrelation spori ML regime viser en enkelt top med en bredde på 156 fsec hvorfra vi udledes, at kun en enkelt sammenhængende ML puls er til stede med en FWHM varighed næsten 100 fsec (110 fsec under antagelse af en Gaussisk puls form og 101 fsec antagelse hyperbolsk sekant kvadreret puls form).

Målingen af Stokes parametre som en funktion af vinklen af intra-cavity PSC (figur 6) gav et typisk resultat som forventet i teorien ^7. Bemærk, at hver Stokes parameter ændrer sig brat, da ML er nået. Følgelig kan en måling af kun én af dem, siger S _1, er påkrævet for at detektere ML. Bemærk, at en diskontinuitet i værdien af ​​en given parameter, der ikke falder sammen med stabile ML undertiden observeres. I virkeligheden kunne laseren til tider nå en ustabil regime, hvor det skifter meget hurtigt mellem CW, Q-switched og ML regimer i en kaotisk måde. I disse situationer værdiens af Stokes parametre kan variere betydeligt i tid. Disse variationer vises som fejl søjler på grafen. Det kan ses, at variationerne er vigtigere i nogle regioner end andre. Men i de stabile ML regimer, variationerne er virkelig små. Dette antyder, at den tidsmæssige variation af Stokes parametre kunne bruges som et supplerende kriterium at verificere, om ML er virkelig nået eller ikke efter at der er detekteret en diskontinuerlig spring.

Den tidligere analyse fører til den konklusion, at automatisering af laseren kan være baseret på at finde en diskontinuitet af en given Stokes parameter. S ₁ blev valgt her. Variationen af S _1, der er defineret som en "diskontinuitet" er a priori vilkårlig. Ud fra målingerne (figur 6), er det konstateret, at S ₁ varierer normalt ved trin mindre end 0,1 somvinklen varieres ved 1 °. Den eneste undtagelse er, når ML er nået, når det varierer med 0,6. Det blev derfor besluttet at fastsætte tærsklen for diskontinuitet til 0,3. Automatiseringen procedure præsenteres her (figur 7) er baseret på denne betingelse. Laseren må ikke være i en ML tilstand, når rutinen starter ellers rutine vil stoppe, når diskontinuitet fører fra ML til CW vil blive fundet og laseren vil ende udsender CW. Denne begrænsning er ikke problematisk, fordi det udvalg af vinkler giver ML er lille sammenlignet med hele spektret af PSC. Det er således let at placere PSC i en vinkel virkelig langt fra ML når rutinen er i indgreb. Her blev PSC bragt til sit minimum vinkel, hvor et mekanisk stop forhindrer den i at bevæge sig yderligere. I denne position, laseren var ikke ML. Under disse betingelser, rutinen fungerer rigtig godt. Den finder ML inden for få minutter. I dette tilfælde er hastigheden oftest begrænset af kommunikationen tid, der kræves mellem den kommercielle polarimeter og computeren som vinklen fejes.

Når den måles med den hjemmelavede polarisation analysator (Figur 10), kurven af S ₁ som en funktion af vinklen af PSC er forskellig fra kurven, målt med den kommercielle polarimeter (figur 6). Dette skyldes det faktum, at X- og Y- akserne for begge instrumenter ikke nødvendigvis er sammenfaldende. Imidlertid er brat overgang i S _1, da ML nås tydeligt ses i begge tilfælde. Faktisk adfærd S _1, S ₂ og S ₃ målt med den kommercielle polarimeter viste, at de tre parametre, der ikke har undergået den samme diskontinuitet når ML var nået. Den foreslår, at en ændring i orienteringen af ​​den polariserende strålesplitter eller, ækvivalent, indsættelse af en manuel PSC lige før polarization analysator kunne hjælpe med at gøre overgangen mere pludselige og lettere at opdage. I virkeligheden, det er netop, hvad der skete her, overgangen til ML er nemmere at se med den hjemmelavede polarisering analysator, fordi den manuelle PSC blev justeret for at gøre overgangen mere tydeligt frem. Proceduren for automatisering er derefter lettere at opnå.

Automatiseringen med den hjemmelavede polarisering analysator fungerer rigtig godt. ML er fundet inden for få minutter. Faktisk fordi aflæsningerne af fotodioden spændingerne er hurtigere end aflæsningen ved den kommercielle polarimeter, den hjemmelavede polarisering analysator fungerer bedre.

Figur 1:. ML baseret på ikke-lineær polarisering rotation Signalet første lineært polariseret af polarisatoren og derefter omdannet til en elliptisk polarisationstilstand af the PSC. På grund af den Kerr ikke-linearitet af fiberen i laserkaviteten, polariseringen ellipse undergår en rotation om sin hovedakse proportional med signalets effekt. Da polarisatoren i slutningen transmitterer kun den vertikale komponent af polarisering, vil transmissionen afhænger af strømmen af signalet og kunne favorisere dannelsen af en impuls fra støj, hvis PSC vinkel er justeret korrekt. Klik her for at se et større version af denne figur.

Figur 2:. Placering af polarisering analysator For en given gennemsnitlig effekt, vil en puls har en maksimal effekt større end en kontinuerlig bølge (CW) signal og vil gennemgå en større lineær polarisering rotation. Ved at placere analysatoren lige før polarisatoren, diskrimination mellem polarisering stater vil tillade detektion af tilstedeværelsen af en puls i hulrummet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3:. Fiberlaseren ring hulrum Laseren skal være en ring hulrum herunder enkelt-mode optiske fibre (blå), en gevinst fiber (grøn), en isolator, en polarisator, en PSC indstillelig via en computer interface. Udgangskobleren skal være placeret lige før polarisatoren. Endelig er 1% af udgangssignalet aflyttet for at overvåge tilstanden af ​​polarisering af signalet og 99% af udgangssignalet forbliver tilgængelig. Polariseringen analysator giver feedback til en styresløjfe programmeret i en computer, der justerer vinklen af ​​det motoriserede PSC (lyserød) via et elektrisk kabel (sort).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4:. En motoriseret fiber-squeezer PSC Den dobbeltbrydning af PSC fastsættes af presset af skruerne til venstre. Vinklen af ​​PSC indstilles med elektronisk styrede motor, som er til højre. Det elektriske kabel forbinder systemet til en computer interface. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: Afsløring ML med en optisk spektrum analysator Forskellige regimer i laseren observeret på det optiske spektrum.analysator til venstre, på en hurtig fotodiode i midten og på en autokorrelator til højre (hvis relevant): kvasi-CW med flere bølgelængder (blå), Q-switched CW (grøn) og ML (rød). Spektret i ML regime er meget bredere end de andre, og dens afpibede autokorrelation spor viser en enkelt top med FWHM af 156 fsec og en relativt smal piedestal. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6:. Værdien af de Stokes parametre som funktioner af PSC vinkel og ML regioner De blå kurver er den gennemsnitlige værdi af hver Stokes parameter over 5 målinger taget med intervaller på 0,2 sek for en typisk sag. Fejlsøjlerne repræsenterer standardafvigelsen af ​​målingerne og demonstrere stabiliteten af laser til en given PSC vinkel. Som vinklen af ​​PSC er varieret, værdierne af Stokes parametre ændres på en kontinuerlig måde, undtagen når ML er nået (røde områder på figuren). I denne situation, deres værdier undergår en brat variation, der kan anvendes til at detektere ML. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7:.. En rutine for automatisk at tilpasse PSC for at få ML Dette flowchart viser den simple rutine bruges til at automatisere tilpasningen af polarisering state controller (PSC) til at få ML Klik her for at se en større version af dette tal.

8 "src =" / files / ftp_upload / 53.679 / 53679fig8.jpg "/>
Figur 8: Homemade polarisering analysator måling S ₁ A free-space polariseringsstrålespalteren opdeler x- og y-polarisering komponenter af signalet.. Disse komponenter bliver sendt separat til to fotodioder dermed måler beføjelser P _x og P _y i hver polarisering, gør det muligt at beregne den første Stokes parameter S ₁ =. (P _x - P _y) / (P _x + P _y) Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9: Trans-impedance forstærkerkredsløb for hver fotodiode. The InGaAs fotodiode detekterer 1.550 nm signal. Den er forbundet til en operationsforstærker, en modstand og en kondensator. Rollen af ​​kondensatoren er at reducere båndbredden af ​​kredsløbet og dermed reducere risikoen for at få et elektrisk svingning fra kredsløbet selv. Spændingen værdi vil blive gennemsnit ud af oscilloskopet som den gennemsnitlige værdi vil blive læst fra den og omdannet til et optisk gennemsnitlig effekt gennem kalibrering med en kommerciel optisk effekt-meter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10: Værdien af den første Stokes som en funktion af PSC vinkel ved hjælp af den hjemmelavede polarisering analysator opførsel S.₁ viser den typiske brat overgang ved den vinkel, hvor laseren når ML for et typisk tilfælde. Dette blev også set med den kommercielle polarimeter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Det er blevet vist, at det er muligt at automatisere ML af NPR fiber ring lasere ved hjælp af en feedback-sløjfe baseret på output polarisationsmålinger. For at realisere denne opgave er det afgørende at indsætte en justerbar PSC i hulrummet. Udgangskobleren af hulrummet skal være placeret lige før polarisatoren for at se en forskel mellem polarisationstilstanden af en CW signal og et pulssignal (figur 2). Den dobbeltbrydning af PSC skal præ-justeres, således at ML kan findes og pumpeeffekten skal indstilles nær enkelt impuls ML tærsklen for at få en enkelt impuls i hulrummet og minimere antallet af konkurrerende regimer, der kan opstå. Dette forklarer, hvorfor ML regime fundet automatisk ved at feje den vinkel i en bestemt retning var altid det samme under eksperimentet. Den målte parameter på outputtet for at detektere ML er S _1. Denne parameter ændrer kontinuerligt som vinklen af ​​det intra-cavity PSC er swEPT. Den eneste undtagelse til dette er, når ML er nået, værdien af S _{1 og} derefter gennemgår en diskontinuitet. Muligheden for at gøre intervaller lille vinkel er vigtig her. Hvis der anvendes store intervaller kan det blive vanskeligt at skelne mellem en pludselig hoppe og en "normal" variation. Den lille udvalg af vinkler, der fører til ML kan også trådt over uden at mærke det. Den lille stigning sikrer også, at ML tilstand er altid den samme, fordi systemet ikke falder overalt i ML område, men altid detektere kanten af ​​denne region, hvor impulserne har altid den samme optiske spektrum. Det er den eneste oplagte måde at sikre repeterbarhed af proceduren og parametrene for impulser genereret.

Antages de ovennævnte kritiske punkter er blevet overvejet, er det muligt at bygge en hjemmelavet polarisering analysator, der giver en værdi af S ₁ og mulighed for påvisning og automatisering afML. Den her foreslåede setup bestod af en fri-rum polariseringsstrålespalteren terning i kombination med to fotodioder. Et alternativ ville være at anvende et fiberbaseret polarisering stråledeler. Ingen tilpasning ville være påkrævet, og det ville være en all-fiber setup. Bemærk også, at et oscilloskop blev anvendt til at få spændinger fotodioderne for at kommunikere med det nemt via en GPIB-port. Anvendelsen af ​​en USB voltmeter eller en hjemmelavet elektronisk kredsløb kunne reducere omkostningerne ved apparatet.

Teknikken præsenteres her er beregnet til at arbejde for mode-locked lasere NPR fiber. At anvende den, er man nødt til at arbejde med en relativ stabil cavity design, der blev præ-justeret til at kunne få ML. Det forhold, at kun en enkelt parameter varieres for at søge efter ML begrænser den generelle betydning af teknikken. Hvis hulheden forstyrres af for eksempel indføre en dobbeltbrydning i fibrene, vil systemet være i stand til at kompensere og finde ML når den forstyrrelse er lille. However vil PSC ikke kunne kompensere for en stor ændring af dobbeltbrydning af hulrummet fordi dens dobbeltbrydning er fast ^7. I den forstand kan denne teknik ikke betragtes som almindelig som den præsenteres i Hellwig et al. ^Tre. Desuden gør den simple karakterisering af S ₁ på outputtet anvendes her i kombination med styring af en unik PSC vinkel ikke tillade udforskning af alle de mulige regimer emission af laseren som diskuteret af Andral et al. ⁶ for eksempel. Desuden ML afsløring teknik præsenteres her kan ikke skelne mellem støj-lignende pulser ^11, sammenhængende ML bælgfrugter og flere-pulser regimer. Den præ-justering af hulrummet fibre, pumpen magt og PSC dobbeltbrydning må derfor omhyggeligt gjort for at sikre, at enkelte sammenhængende ML pulser vil danne stedet for støj-lignende impulser eller flere-pulser regimer.

Som nævnt iintroduktion findes andre ML mekanismer og nogle af dem kræver ikke tilpasning. De har alle nogle fordele og ulemper. ML baseret på ikke-lineær loop spejle ¹⁴ kræver en ekstra længde af fiber inde i hulrummet og muligvis ikke er egnet til high-gentagelseshastighed lasere ^15. ML baseret på mættes absorbere spejle ¹⁶ kræver udformningen af brugerdefinerede spejle passende for den magt og spektrale egenskaber af laseren under overvejelse. Den NPR ML mekanisme er stadig den mest udbredte grund af sin enkelhed, effektivitet og implementering billig.

Automatiseringen af ​​sin tilpasning gør NPR en endnu mere interessant mulighed, fordi det nu kan bruges i kommercielle systemer uden at kræve indgreb fra brugeren til at sikre ML opstår. Teknikken til at automatisere sin tilpasning præsenteret her er tilstrækkeligt til at få ML på normale vilkår og er enkel at gennemføre. Det kræver et par billige komponenter og ingen dyre instrmenter såsom en optisk spektrum analysator eller en RF-spektrum analysator. Hulrummet design ikke skal ændres, da det er baseret på output polarisationsmålinger. Faktisk er kun en brøkdel af outputtet tappet for overvågning og den resterende del kan anvendes til den løbende anvendelse.

Med andre ord skal den laser ikke behøver at blive afbrudt for at fortsætte med justeringsproceduren. For det andet er den nødvendige middeleffekt er så lille, at en overvågning tap 1% tilstrækkelig. Dette skal sammenholdes med ML afsløring teknikker baseret på ikke-lineære processer såsom anden -harmonic generation eller to-foton absorption, som ville kræve en væsentlig større fraktion til overvågning for at være effektiv. Endelig da denne teknik kræver kun den første Stokes parameter S _1, der skal måles, er der ikke behov for en fuldstændig karakterisering af polarisationstilstanden og dette gør systemet meget enklere og billigere atdesigne og bygge.

Denne teknik er velegnet til kommercielle fiberlasere, og med dette mål for øje, kan udvikles yderligere at forbedre sine præstationer. Det bliver også interessant at anvende den på fiberlasere ved forskellige bølgelængder. Her blev det brugt i en erbiumdoteret fiberlaser, men det er let overføres til ytterbium-doterede fiberlasere da alt nødvendige udstyr er let tilgængelige. Det kan blive mere udfordrende for lasere, der opererer på ikke-konventionelle bølgelængder, men det er bestemt muligt. Flere test er nødvendig for at kontrollere dets anvendelighed til forskellige dispersion regimer såsom soliton laser, den strakte-puls laser, den similariton laser og den dissipative soliton laser.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bare-Fiber adaptor	Bullet	NGB-14
Drop-in polarization controller	General Photonics Corp.	Polarite PLC-006	Manual polarization controller.
DSP In-line polarimeter	General Photonics Corp.	POD-101D PolaDetect	Polarimeter with USB/serial computer connectivity.
Fiber Cleaver	Fitel	S323
FiberPort	Thorlabs Inc.	PAF-X-2-C
Fixed Fiber-to-Fiber Coupler Bench	Thorlabs Inc.	FBC-1550-APC	Any optical bench could be used. A 3-way bench would even be better.
Fusion Splicer	Fujikura	FSM-40PM
High resolution all fiber polarization controller	Giga Concept Inc.	GIG-2201-1300	All-fiber motorized polarization controller with USB computer connectivity.
InGaAs PIN PD module	Optoway	PD-1310	Pigtailed photodiode.
Instrument communication interface	National Instruments	NI MAX	It comes packaged with National Instruments drivers (NI-VISA, NI-DAQmx, etc.)
Operational amplifier	Texas Instruments	TLO81ACP
Optical Powermeter	Newport	818-IS-1 with 1835-C
Optical spectrum analyzer	Anritsu	MS9710C
Oscilloscope	Tektronix	TDS2022	Oscilloscope with GPIB computer connectivity.
Polarizing beamsplitter module	Thorlabs Inc.	PSCLB-VL-1550
Polyimide Film Tape	3M	5413	Tape to fix the components on the table without damaging the fibers.
Graphical programming language interface (GPLI)	National Instruments	LabVIEW	Interface to program in G Programming Language and communicate with laboratory instruments.
Polarimeter controlling software	General Photonics Corp.	PolaView	Comes with the polarimeter General Photonics POD-101D.