Automatisering av Mode Låsing i en ikke-lineær polarisering rotasjon Fiber Laser gjennom Output Polarisering Målinger

Abstract

Når en laser er modus-låst, avgir den et tog av ultra-korte pulser med en repetisjonsfrekvens bestemt av laserhulrommet lengde. Denne artikkelen beskriver en ny og billig fremgangsmåte for å tvinge modus låsing i en forhåndsjustert-lineær polarisasjon rotasjon fiber laser. Denne fremgangsmåten er basert på påvisning av en plutselig endring i utgangs polarisasjonstilstanden når modus låsing inntreffer. Denne endring benyttes for å kommandere justeringen av intra-hulroms polarisasjonsstyrer for å finne modus låsing betingelser. Mer spesielt er verdien av den første Stokes parameter varierer når vinkelen av polarisasjonsstyreren er blåst og dessuten den gjennomgår en brå variasjon når laseren går over i modus-låst tilstand. Overvåking denne brå variasjon gir en praktisk enkel å detektere signaler som kan brukes til å kommandere justeringen av polarisasjonsstyreren og drive laser mot modus låsing. Denne overvåkning blir oppnådd ved å mate en liten andelav signalet til en polarisering analysator som måler den første Stokes-parameteren. En plutselig endring i lese ut av denne parameteren fra analysatoren vil skje når laseren går inn i modus-låst tilstand. I dette øyeblikket, er ønsket vinkel av polarisering kontrolleren holdt fast. Justeringen er fullført. Denne fremgangsmåten gir en alternativ måte å eksisterende Automatisere prosedyrer som bruker utstyr som en optisk spektrumanalysator, en RF spektrum analysator, en fotodiode som er koblet til en elektronisk puls-counter eller en ikke-lineær oppdage ordning basert på to-foton absorpsjon eller andre harmonisk generasjon. Det passer for lasere modus låses ved ikke-lineær polarisering rotasjon. Det er forholdsvis lett å gjennomføre, krever billig måte, særlig ved en bølgelengde på 1550 nm, og det senker produksjon og drift kostnader i forhold til de ovenfor nevnte teknikker.

Introduction

Hensikten med denne artikkelen er å presentere en automatisering justeringsprosedyren for å få modus låse (ML) i ikke-lineær polarisering rotasjon fiber lasere. Denne fremgangsmåten er basert på to grunnleggende trinn: detektering av den ML-regimet ved å måle polarisasjonen av utgangssignalet fra laseren, og deretter å sette opp en selvstartstyresystemet for å komme til ML.

Fiber lasere har blitt et viktig verktøy i optikk i dag. De er en effektiv kilde for koherent nær-infrarødt lys, og de er nå strekker seg inn i midten av det infrarøde del av det elektromagnetiske spektrum. Deres lave kostnader og brukervennlighet har gjort dem til et attraktivt alternativ til andre kilder til koherent lys som solid-state laser. Fiber lasere kan også gi Ultra pulser (100 fsec eller mindre) når en ML mekanisme er satt inn i fiberen hulrom. Det er mange måter å designe denne ML mekanisme som lineære sløyfe speil og mett dempere. En av disse, er mye brukt feller dens enkelhet, er basert på ikke-lineær polarisasjon rotasjon (NPR) til signal ^1,2. Den bruker det faktum at polarisasjonen ellipse av signalet gjennomgår en rotasjons proporsjonal med dens intensitet som den forplanter seg i fibrene i laserhulrommet. Ved å sette inn en polarisator i hulrommet, fører dette til NPR intensitetsavhengig tap i løpet av en rundtur av signalet.

Laseren kan da bli tvunget til å ML ved å styre polarisasjonstilstanden. Effektivt, vil de kraftige partier av signalet bli utsatt for å senke tap (figur 1), og dette vil til slutt føre til dannelse av Ultra pulser av lys når laseren er slått på og starter fra en laveffekts støyende signal. Imidlertid er ulempen med denne fremgangsmåten er at den polarisasjonstilstanden kontrolleren (PSC) må være riktig innrettet for å få ML. Vanligvis finner en operatør ML manuelt ved å variere stillingen av PSC og analysere utgangssignalet fra laseren med en rask photodiode, en optisk spektrumanalysator eller et ikke-lineært optisk auto-korrelator. Så snart utsendelsen av pulser detekteres, stopper operatøren å variere posisjonen av PSC siden laseren er ML. Tydeligvis få laseren til selv start fører automatisk til en viktig gevinst i effektivitet. Dette gjelder spesielt når laseren er utsatt for forstyrrelser endre innrettingen eller hulrommet konfigurasjon fordi operatøren må gå gjennom justeringsprosedyren på nytt og på nytt. I det siste tiåret, har ulike metoder blitt foreslått for å oppnå dette automatisering. Hellwig et al. ³ brukt piezo-elektriske squeezers for å styre polarisasjonen i kombinasjon med en full analyse av polarisasjonstilstanden av signalet med en all-fiber delingen-of-amplitude polarimeter å detektere ML. Radnarotov et al. ⁴ anvendes flytende krystall-plate pscs med en analyse basert på RF-spektrumet for å detektere ML. Shen et al. ⁵ brukt piezo-elektrisk squeezerså kontrollere polarisering og en fotodiode / høyhastighetsteller som registrerer ML. Mer nylig ble en strategi som er basert på en evolusjonær algoritme presentert hvori deteksjonen er forsynt med en stor båndbredde fotodiode i kombinasjon med en intensimetric andre-ordens autokorrelator og en optisk spektrumanalysator. Kontrollen utføres deretter med to elektronisk drevet pscs inne i hulrommet ^6.

Denne artikkelen beskriver en innovativ måte å oppdage ML og dens anvendelse i en automatiseringsteknikk tvinge fiber laser til ML. Påvisningen av ML av laseren blir oppnådd ved å analysere hvordan utgangs polarisasjonstilstanden til det signal som varierer vinkelen til PSC er blåst. Som det vil bli vist, er overgangen til ML forbundet med en plutselig forandring i polarisasjonstilstanden detekteres ved å måle en av de Stokes parametere av utgangssignalet. Det faktum at en puls er mer intens enn et CW-signal, og vil gjennomgå en mer viktig NPR explains denne endringen. Siden utgangssignalet fra laseren er plassert umiddelbart før polarisatoren i hulrommet, polarisasjonstilstanden av en puls på dette stedet er forskjellig fra polarisasjonstilstanden av et CW-signal (figur 2), og vil bli brukt til å diskriminere ML tilstand. Teoretiske aspekter ved denne fremgangsmåten og sin første eksperimentelle implementeringen ble presentert i Olivier et al. ^7. I denne artikkelen vil det bli lagt vekt på de tekniske aspektene av prosedyren, dens begrensninger og sine fordeler.

Denne teknikken er relativt enkel å gjennomføre og krever ikke avansert måleinstrumenter for å detektere ML tilstand og automat justeringen av laseren for å få ML. En PSC regulerbar eksternt gjennom et programmerbart grensesnitt er nødvendig. Forskjellige pscs kunne brukes i prinsipp: piezo-elektriske squeezers, flytende krystall, bølgeplater roteres av en motor, magneto-optiske krystaller eller et motorisert all-fiber PSC basert on klemme og vri fiber ^8. I denne artikkelen er det siste brukt, en all-fiber motorisert Yao-type PSC. For å detektere polarisasjonstilstanden et kostbart kommersielt polarimeter kan anvendes. Imidlertid, siden bare verdien av den første Stokes-parameteren er nødvendig, vil en polariserende stråledeler i kombinasjon med to fotodioder være tilstrekkelig, som vist i denne artikkelen.

Alle disse komponentene er billig for de mest brukte Erbium-dopet fiber lasere. En tilbakekoblingssløyfe basert på denne fremgangsmåten kan finne ML i noen få minutter. Dette responstid er egnet for de fleste anvendelser av fiber lasere og kan sammenlignes med de andre eksisterende teknikker. Faktisk er responstiden begrenset av elektronikken som brukes til å analysere polarisasjonen av signalet. Til slutt, selv om fremgangsmåten er brukt her til en similariton ⁹ erbiumdopet fiber laser, det kan brukes for en hvilken som helst NPR basert fiberlaser så snart den ovennevnte utstyret eller dets equivalent blir tilgjengelig ved bølgelengden av interesse.

Protocol

1. Sette opp en Fiber ML Fiber Laser Inkludert en Motorisert PSC

1. Samle følgende komponenter: en enkeltmodus erbiumdopet fiber, en 980/1550 nm bølgelengdedelt multiplekser (WDM), et 980/1550 nm WDM-1550 nm isolator hybrid komponent, en 50/50 fiberkopler, en fiber polarisator, en motorisert PSC, to 980 nm laser pumpe dioder, en 99/1 fiber coupler og en manuell inline PSC.
2. Skjær erbiumdopet fiber og alle de andre fiber pigtailed komponenter for å passe med den ønskede hulrom design.
   MERK: Den presenterte automatisering prosedyren er egnet for fiber lasere basert på ikke-lineær polarisering rotasjon. Det skal fungere for ulike drifts regimer som soliton laser, strukket-puls laser, den avledende soliton laser og similariton laser. Sistnevnte regimet er brukt i dette eksperimentet.
3. Å bygge laser hulrom, bruke en fiber sveise til å delta i hulrom komponentene i den rekkefølgen som vises i diagrammet (figur 3 </ Strong>). Før du utfører hver fusjon spleise, ren fibrene ender med isopropylalkohol og holde seg dem med en fiber cleaver.
   MERK: De interne komponentene i laser er, i tur og orden i ringen hulrom, en motorisert PSC, en 980/1550 nm WDM, en Erbium-dopet fiber, en 980/1550 nm WDM isolator hybrid komponent, en 50/50 utgang kobling og en fiber polarisator. De eksterne komponenter er en 99/1 fiber coupler og en manuell inline PSC (som diskutert i trinn 1.7 og 1.8).
   MERK: En fibersegmentet på ca. 30 cm må settes inn i den motoriserte PSC før skjøter er utført med de andre komponentene i hulrommet. Selv om en standard single-modus fiber vil fungere, anbefales bruk av polyimid belagt fiber for dette segmentet fordi det er mer motstandsdyktig mot trykket som utøves av skruene på kontrolleren, og vil dermed vare lenger.
4. Bli med pumpe laserdioder til WDMs hjelp av sveise. Igjen, rene fibrene ender med isopropyl alalkoholdispergeringsmiddel og holde seg dem med en fiber cleaver før hvert fusjon spleise.
5. Koble laserdioder til sine respektive temperaturkontrollere og aktuelle drivere.
6. Koble intra-hulrom motorisert Yao-type fiber-squeezer PSC (figur 4) til sin kjøremodulen og koble deretter kjøre modulen til USB-porten på en datamaskin.
   MERK: Denne porten er identifisert ved nummer "COM4" som vist i "Device Manager" av datamaskinen.
7. På utgangen av laseren, det vil si 50/50 kopleren port ikke skjøtes ennå, spleise en 99/1 kobler.
   MERK: 99% porten er brukbare utgang. 1% porten brukes til å overvåke polarisasjonstilstanden i automatisering prosedyren.
8. Sett inn en manuell PSC langs fiber av 1% port. For å gjøre dette, må du ta ut skruene og åpne PSC. Sett inn fiber i det riktige sporet, og deretter sette skruene tilbake i sine hull og skru dem inn.
9. Skjøt en vinkel-polert fiber connector (APC) ved slutten av en port% fiber (etter manuell PSC). Rengjør og spalte fibrene ender før du utfører fusjon spleise.
10. Koble 99% utgang til en optisk spektrum analysator (OSA) ved hjelp av en naken-fiber adapter.
    MERK: Som omtalt senere, vil det optiske spekteret sett på OSA gir en alternativ måte å sjekke hvis laseren er ML.
11. Sikre alle fibrene og bestanddelene i hulrommet på riktig måte med polyimidfilm tape.
    MERK: Fibrene og komponenter må forhindres fra å bevege seg under alle forhold, for eksempel når bordet vibrerer eller fans blåse luft. Polyimid-film tape brukes for å unngå å skade fibrene.
12. Trekk trykk skruene på intra-hulrom PSC til fiber begynner å bli litt presset.
13. Slå på pumpen lasere dioder og justere sine strømmer til sine maksimalverdier som angitt av laser diode produsenten.
14. Start instrumentet kommunikasjonsgrensesnitt. I "Peripherals og Interface "kolonnen til venstre, velg" COM4 ". Klikk på" Open VISA testpanel ". Klikk på" Input / Output ". Så, i" Velg eller skriv inn kommandoen "type" SM, 500,3000 n " og klikk på "Query" -knappen. Dette kommandoer PSC til å rotere med 3000 trinn på 0,1125 ° i retning med klokken. Mens du gjør det, når PSC en mekanisk stopp.
15. I "Velg eller skriv kommandoen" av "COM4" testpanel, type "SM, 500, -10 n" og klikk på "Query" -knappen. PSC roterer deretter ca 1 ° mot klokken. Sjekk om ML er nådd ved å se på det optiske spekteret på OSA. ML er nådd når den fulle bredde ved halvt maksimum av den optiske spekteret er i størrelsesorden noen få titalls nanometer (figur 5). Hvis ML er nådd, holde dobbeltbrytning og vinkelen fast og gå til trinn 1.18.
16. Dersom ML ikke er nådd, gjentas 1,15 til enten ML eller maksimumsvinkelen Attaitig med PSC er nådd.
17. Hvis den maksimale vinkelen for PSC nås før ML oppstår, øke dobbeltbrytningen til PSC ved å trekke til trykkskruene og gjenta trinn 1.14, 1.15 og 1.16 så mange ganger som nødvendig for å få ML.
18. Når ML er nådd, redusere pumpe myndighet til sin minimumsverdi slik at ML til selv-start. For å gjøre dette, redusere pumpe krefter til ML er tapt. Deretter bringe dem tilbake sakte mot den minste verdi som vil gjøre ML dukke opp igjen. Slå pumpene av og på igjen, og kontroller at lasermodus låser seg selv. Øke pumpe krefter litt mer for å sikre at ML er stabil og vil selv starte hver gang laseren slått på.

2. Analysere Polarisering av utgangssignalet

1. Koble den 1% springen til en kommersiell polarimeter.
2. Koble polarimeter til datamaskinen med en USB-port.
3. I "Velg eller skriv kommandoen" av "COM4" testpanel, type "SM, 500,3000 n" og klikk på "Query" -knappen.
4. Kjør den kommersielle polarimeter kontrollerende programvare og starte polarisering målingen ved å klikke på "Start" -knappen.
5. I "Velg eller skriv kommandoen" av "COM4" testpanel, type "SM, 500, -10 n" og klikk på "Query" -knappen. Observer polarisering tilstand på polarimeter.
6. Gjenta trinn 2,5 så mange ganger som nødvendig for å dekke hele spekteret av vinkler tillates av intra-hulrom PSC. Legg merke til at polarisasjonstilstanden varierer meget jevnt med vinkelen unntatt ved de spesifikke vinkler der ML er nådd som kan sees ved å se samtidig bredden av det optiske spekteret på OSA.
7. Gjenta trinn 02.03 til 02.06, men denne gangen, i stedet for bare å se på polarisering tilstand, registrere verdier for Stokes Parametere S _1, S ₂ og S ₃ som funksjons av vinkelen av PSC (figur 6). For å se disse verdiene tydelig, velg "måle- → oscilloskop" i menyen for programvaren og se etter gjennomsnittsverdiene av S _1, S ₂ og S _3. Samtidig se det optiske spektrum og registrere de vinkler hvor laseren er ML.

3. Sette opp en feedback loop for å automatisere Justering av PSC Bruke Kommersielle polarimeter Målinger

1. Slå av datamaskinen.
2. Koble serieporten på kommersielle polarimeter til serieporten "COM1" av datamaskinen. Start datamaskinen og polarimeter.
3. Start grafisk programmeringsspråk grensesnitt (GPLI) som gjør at lesing av polarimeter via "COM1" og kontroll av motoriserte PSC via "COM4".
4. I GPLI, klikk på "Blank VI". Deretter velger du "Window →Tile venstre og høyre ".
   MERK: Skjermen vil da bli delt i to deler. Den blokkdiagram vises til høyre. Den brukes til å lage skript ved hjelp av ulike funksjoner knyttet til forskjellige ikoner. Frontpanelet vises til venstre. Den brukes til å vise kommandoene og målinger når skriptet kjøres.
5. I blokkdiagrammet vinduet i GPLI, utvikle en ML automatisering skript som skal benyttes med den kommersielle polarimeter (se figur 7).
   MERK: Dette skriptet leser S ₁ fra polarimeter og bruker sin verdi å gi tilbakemelding og nå riktig justering av PSC vinkel fører til ML. Deteksjonen av ML oppnås ved å søke etter en diskontinuitet i den variant av _S-en som vinkelen varieres.
   MERK: kommandoer som brukes til å kontrollere PSC via "COM4" er de samme som de som presenteres i trinn 2,3 og 2,5. Kommandoen for å lese S ₁
6. Lagre skriptet ved å klikke på "File → Save" og deretter kjøre den ved å klikke på "→" -knappen. PSC er brakt tilbake til sin mekanisk anslag, så den roterer i trinn på omtrent 1 ° til ML er nådd, som viser verdien av _S-en som det utvikler seg.

4. Bygge en Rudimentary Made Polarisering Analyzer

1. Koble et oscilloskop til datamaskinen med GPIB grensesnitt.
2. Sett en polariserende strålesplitter kube (PBS) på et optikk benk.
3. Sett opp tre FC / APC fiberoptikk-port collimators med PBS (Figur 8).
   MERK: En av portene er input. De to andre er utgangene for x- og y- polarisasjonskomponenter i signalet.
4. Koble en fiber-pigtailed InGaAs PIN fotodiode til den første produksjonen.
5. Koble fotodioden til en trans-impedance krets (figur 9).
6. Koble den elektriske utgangen av kretsen for å kanalisere en av oscilloskopet.
7. Slå på trans-impedans krets.
8. I GPLI, lese den gjennomsnittlige verdien av spenningen på kanal 1 i den oscilloskop via GPIB forbindelse ved hjelp av kommandoene "måle: IMM: SOU CH1;" for å velge kanal 1 av oscilloskop, "måle: IMM: TYPE gjennomsnittet;" for å definere måle å være en gjennomsnittlig spenning, "måle: IMM: VAL" for å få verdien og til slutt "måle: IMM: UNI?" for å oppnå enheter av målingen. Lagre skriptet ved å klikke på "File → Save" og deretter kjøre den ved å klikke på "→" -knappen.
9. Koble 1% utgangen fra laseren på inngangsporten av PBS og slå laseren på ved en vilkårlig pumpekraft. Dette sender et 1550 nm optisk signal til inngangen.
10. Måle den gjennomsnittlige spenningen ved den første utgang. Deretter kobler du den fiber pigtailed fotodiode og erstattedet av en kommersiell kraft-meter. Måle den optiske effekt ved denne utgangen.
11. Gjenta trinn 4.10 mens variere strømmen av det optiske inngangssignal. Spenningen bør variere lineært med optisk effekt. Finne koeffisientene til denne lineær sammenheng.
    MERK: Dette forhold vil bli anvendt i trinn 4,20 for å oppnå P _x fra den målte spenning.
12. Koble til en andre fiber-pigtailed InGaAs PIN fotodiode til den andre utgangen fra PBS.
13. Koble fotodioden til en andre trans-impedans-krets.
14. Koble den elektriske utgangen av kretsen til kanal 2 av oscilloskopet.
15. Slå på trans-impedans krets.
16. I GPLI, lese den gjennomsnittlige verdien av spenningen på kanal 2 av oscilloskop via GPIB forbindelse ved hjelp av kommandoene "måle: IMM: SOU CH2;" for å velge kanal 2 av oscilloskop, "måle: IMM: TYPE gjennomsnittet;" for å definere måle å være en gjennomsnittlig spenning, "måle: IMM: VAL?4; for å få verdien og til slutt "måle: IMM: UNI?" for å oppnå enheter av målingen. Lagre skriptet ved å klikke på "File → Save" og deretter kjøre den ved å klikke på "→" -knappen.
17. Slå laseren på på en vilkårlig pumpekraft.
18. Måle den gjennomsnittlige spenningen på den andre utgangen. Deretter kobler du den fiber pigtailed fotodiode og erstatte den med en kommersiell kraftmåler. Måle den optiske effekt ved denne utgangen.
19. Gjenta trinn 4,18 mens variere strømmen av det optiske inngangssignal. Pass på at spenningen varierer lineært med optisk effekt.
    MERK: Finn koeffisientene denne lineær sammenheng. Dette forhold vil bli brukt i trinn 4.20 for å oppnå P _y fra den målte spenning.
20. Etter å ha satt opp den andre detektor for å måle P _y, bruker GPLI å beregne første Stokes parameter S ₁ definert som S ₁ = ( _x - P _y) / (P _x P + _y). Den hjemmelagde rudimentære polarisering analysator er nå klar til bruk.

5. Skifte Commercial Polarimeter av hjemmelaget Polarisering Analyzer i Automation Process

1. Koble 1% utgangen fra laseren til hjemmelaget polarisasjonen analysator inngang (slik det ble gjort i trinn 4.9).
2. Måle den første Stokes-parameteren S ₁ som en funksjon av vinkelen for PSC (figur 10) ved å gjenta trinn 2.7 ved hjelp av hjemmelaget polarisasjonen analysator (i stedet for den kommersielle polarimeter). Observer S _en graf automatisk oppdatering på hvert trinn. Observere en usammenhengende hoppe i verdien av S ₁ når ML oppstår (dette er tilfelle når du bruker det kommersielle polarimeter).
   MERK: Bruk en GPLI skript for å utføre denne oppgaven automattisk. Dette skriptet er basert på en løkke som varierer vinkelen på PSC i trinn på 1 ° (ved hjelp av kommandoen "SM, 500, -10 n" sendt til "COM4") og leser ut verdien av S _en fra hjemmelaget polarisasjon analysator ved hvert trinn.
3. Modifiser skriptet utviklet i 3,5, slik at i stedet for å bruke verdien gitt ved den kommersielle polarimeter, det blir P _x P og _y fra hjemmelaget polarisering analysator og deretter beregner S ₁ = (P _x -P _y) / (P _x + P _y).
4. Bruk det nye manuset basert på den hjemmelagde polarisering analysator for å ML laseren automatisk på en måte som ligner på trinn 3.6.

Representative Results

NPR modus-låst fiber lasere er kjent for å tilby et stort utvalg av pulserende regimer som Q-svitsjede pulser ^10, sammenhengende ML pulser, støy-lignende pulser, bundet statene ML pulser, harmonisk ML og komplekse strukturer av samspill ML pulser ^11. I laser som er beskrevet her, etter at dobbeltbrytningen til PSC ble løst å være i stand til å få ML, ble pumpeeffekten justert til å være forholdsvis nær terskelen av enkelt-puls ML. Ved å gjøre dette, ble antall konkurrerende regimer redusert til et minimum. På denne pumpeeffekten og avhengig av vinkelen av PSC, laseren presentert forskjellige regimer (figur 5), men ingen flerpulsregime. Støylignende pulser ^12,13 ble unngått på grunn av den forhåndsjustering av hulroms fibre som ble holdt fastlagt en gang et standard enkelt ML puls ble funnet. Faktisk er hulrommet utformingen trolig viktig i så måte også, men dette aspektet ble ikke undersøkt grundig here. Følgelig er de eneste gjenværende regimene ble kontinuerlig-bølge utslipp (CW), Q-svitsjet utslipp og en stabil ML med et enkelt sammenhengende puls. I den kontinuerlige-bølge (CW) og Q-svitsjede regimer, smale linjer (1 nm eller så, noen ganger begrenset av den optiske spektrumanalysator oppløsning) blir sett. Disse spektra skal sammenlignes med det brede spekteret av ML regimet med en full bredde ved halve maksimum i størrelsesorden 30 nm eller enda mer. På rask fotodiode, viser CW nesten ingen variasjoner, Q-svitsjing viser et pulstog med en repetisjonsfrekvens av størrelsesorden noen få mikrosekunder (3,5 usek her) og ML fremstår som en mye raskere pulstog med en repetisjonsfrekvens på noen titalls nanosekunder (12,2 EFF her) svarende til omløpstiden av laserhulrommet. Når en autokorrelasjons spor blir brukt, viser bare ML regime nærvær av pulser fordi Q-svitsjede regime genererer pulser som har en mye lengre varighet og en mye lavere spisseffekt. Autokorrelasjonen spori den ML-regimet viser en enkel topp med en bredde på 156 fsec hvorfra vi utledet at bare en enkelt sammenhengende ML puls er til stede med en FWHM varighet nær 100 fsec (110 fsec antar en gaussisk pulsform og 101 fsec antar hyperbolsk secant kvadrerte pulsform).

Målingen av Stokes parametre som en funksjon av vinkelen til den intra-hulroms PSC (figur 6) ga et typisk resultat som forventet i teorien ^7. Legg merke til at hver enkelt Stokes parameter endres brått når ML er nådd. Følgelig er en måling av bare en av dem, si S _1, er nødvendig for å påvise ML. Legg merke til at en diskontinuitet i verdien av en gitt parameter som ikke sammenfaller med stabil ML er noen ganger observeres. Faktisk kunne laseren noen ganger nå et ustabilt regime hvor det skifter veldig raskt mellom CW, Q-svitsjede og ML regimer i en kaotisk måte. I slike situasjoner verdiens av Stokes parametrene kan variere betydelig i tid. Disse variasjonene vises som feilfelt på grafen. Det kan sees at variasjonene er viktigere i noen områder enn andre. Men i de stabile ML regimer, variasjonene er veldig liten. Dette tyder på at den tidsmessige variasjon av Stokes parametre kan brukes som en komplementær kriterium for å kontrollere om ML er virkelig nådd eller ikke etter en diskontinuerlig hopp er blitt detektert.

Den forrige analyse fører til den konklusjon at automatisering av laser kan være basert på søk etter en diskontinuitet av en gitt Stokes parameter. S ₁ ble valgt her. Variasjonen av _S-en som er definert som en "brudd" er a priori vilkårlig. Basert på målingene (figur 6), er det funnet at S ₁ varierer vanligvis ved fremgangsmåten som er mindre enn 0,1 såvinkelen er variert med 1 °. Det eneste unntaket er når ML er nådd hvor det varierer med 0,6. Det ble derfor besluttet å fikse terskelen av diskontinuitet til 0,3. Automatisering prosedyren som presenteres her (figur 7) er basert på den tilstanden. Laseren må ikke være i en ML tilstand når rutinen starter ellers rutine vil stoppe når diskontinuitet fører fra ML til CW vil bli funnet og laseren vil ende opp emitting CW. Denne begrensningen er ikke problematisk fordi det vinkelområde som gir ML er liten i forhold til hele omfanget av PSC. Det er derfor lett å plassere PSC i en vinkel virkelig langt fra ML når rutinen er engasjert. Her ble PSC brakt til sin minimumsvinkel hvor et mekanisk anslag hindrer den fra å bevege seg videre. På denne stilling laseren var ikke ML. Under disse betingelser virker rutinen veldig bra. Den finner ML løpet av noen få minutter. I dette tilfellet er hastigheten for det meste begrenset av den tid som er nødvendig kommunikasjon mellom den kommersielle polarimeter og datamaskinen som vinkelen er blåst.

Når målt med hjemmelaget polarisasjonen analysatoren (figur 10), er den kurve S ₁ som en funksjon av vinkelen til den PSC forskjellig fra kurven målt med den kommersielle polarimeter (figur 6). Dette skyldes det faktum at x- og y-aksene for begge apparatene ikke nødvendigvis sammenfallende. Imidlertid er den brå overgang i S ₁ når ML er nådd tydelig i begge tilfeller. Faktisk, oppførselen til S _1, S ₂ og _S-3 målt med det kommersielle polarimeter viste at de tre parametrene ikke gjennomgikk den samme diskontinuitet når ML er nådd. Det antyder at en forandring i orienteringen av den polariserende strålesplitteren eller, tilsvarende, innføring av en manuell PSC like før polarization analysator kan hjelpe i å gjøre overgangen mer brå og lettere å oppdage. Faktisk, dette er akkurat hva som skjedde her, er lettere å se med hjemmelaget polarisering analysator fordi den manuelle PSC ble justert for å gjøre overgangen vises mer tydelig overgangen til ML. Automatiseringen Prosedyren er da lettere å oppnå.

Automatisering med hjemmelaget polarisering analysator fungerer veldig bra. ML er funnet i løpet av få minutter. Faktisk, fordi målingene av fotodioden spenninger er raskere enn målingene av den kommersielle polarimeter, utfører hjemmelaget polarisering analysator bedre.

Fig. 1: ML basert på ikke-lineær polarisasjon rotasjon Signalet blir først lineært polarisert av polarisatoren og deretter transformert inn i en elliptisk polarisasjonstilstand ved the PSC. På grunn av Kerr-ulineariteten av fiber i laserhulrommet, gjennomgår polarisasjonen ellipse en rotasjon av sin hovedakse proporsjonal med signalets effekt. Siden polarisatoren ved enden overfører bare den vertikale komponent av polarisasjonen, vil overføringen være avhengig av effekten til signalet og kan begunstige dannelsen av en puls fra støy dersom PSC vinkelen er riktig justert. Trykk her for å vise en større versjon av denne figuren.

Fig. 2: Plassering av polarisasjonen analysatoren For en gitt gjennomsnittseffekt, vil en puls ha en toppeffekt som er større enn en kontinuerlig bølge (CW) signal og vil gjennomgå en større ikke-lineær polarisasjon rotasjon. Ved å plassere instrumentet like før polarisatoren, diskriminering mellom polarisasjonstilstanden vil tillate påvisning av tilstedeværelsen av en puls i hulrommet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Fig. 3: Fiberlaserringhulrom Laseren må være en ring hulrom inkludert enkeltmodus optiske fibre (blå), en forsterkningsfiber (grønn), en isolator, en polarisator, en PSC justerbar via et datamaskingrensesnitt. Utgangen kobler må være plassert like før polarisasjonsfilter. Til slutt blir 1% av utgangssignalet tappet for å overvåke tilstanden av polarisasjonen av signalet og 99% av utgangssignalet forblir tilgjengelig. Polariseringen analysatoren gir tilbakemelding til en styresløyfe som er programmert i en datamaskin som justerer vinkelen til den motoriserte PSC (lyserød) via en elektrisk kabel (svart).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4:. En motorisert fiber-squeezer PSC Den dobbeltbrytning av PSC fastsettes av trykket av skruene på venstre. Vinkelen på PSC justeres med elektronisk styrt motor som ligger på høyre side. Den elektriske kabelen kobler systemet til en datamaskin-grensesnitt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5: Deteksjon ML med en optisk spektrumanalysator forskjellige regimer av laseren observert på det optiske spektrum.analysator på venstre side, på en rask fotodiode i midten og på en autokorrelator til høyre (når gjeldende): kvasi-CW med flere bølgelengder (blå), Q-svitsjede CW (grønn) og ML (rød). Spekteret i ML-regimet er mye større enn de andre og sin dechirped autocorrelation spor viser en enkel topp med FWHM av 156 fsec og en relativt smal sokkel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6:. Verdien av Stokes-parametere som funksjoner av PSC vinkel og ML regioner De blå kurvene er den gjennomsnittlige verdien for hver enkelt Stokes parameter i løpet av 5 målinger tatt ved intervaller på 0,2 sekunder for et typisk tilfelle. Feilstolpene representerer standardavviket av målingene og demonstrere stabiliteten av laser for en gitt PSC vinkel. Da vinkelen på PSC er variert, verdiene av de Stokes-parametrene endres i en kontinuerlig måte, bortsett fra når ML er nådd (røde områder på figuren). I denne situasjonen, deres verdier gjennomgå en brå variant som kan brukes til å oppdage ML. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7:.. En rutine for å automatisk justere PSC å få ML Dette flytskjemaet viser enkel rutine som brukes til å automatisere justeringen av polarisering tilstand kontrolleren (PSC) for å få ML Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

8 "src =" / files / ftp_upload / 53679 / 53679fig8.jpg "/>
Figur 8: hjemmelaget polarisasjon analysator måle S ₁ A fritt plass polariserende strålesplitter deler x- og y-polarisasjonskomponenter i signalet.. Disse komponentene blir sendt separat til to fotodioder dermed måler krefter P _x og P _y i hver polarisering, slik at å beregne første Stokes parameter S ₁ =. (P _x - P _y) / (P _x + P _y) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9: Trans-impedance forsterkerkrets for hver fotodiode. Den InGaAs fotodiode registrerer 1550 nm-signalet. Den er koblet til en operasjonsforsterker, en motstand og en kondensator. Rollen til kondensatoren er å redusere båndbredden til kretsen og dermed redusere risikoen for å få en elektrisk svingning fra kretsen selv. Spenningsverdien vil bli gjennomsnitt ut av oscilloskop som middelverdi vil bli lest fra den og forvandlet til en optisk gjennomsnittlig makt gjennom kalibrering med en kommersiell optisk effekt-meter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10: Verdien av den første Stokes parameter som en funksjon av PSC vinkel ved hjelp av hjemmelaget polarisasjonen analysator Oppførselen S.₁ viser det typiske brå overgang ved vinkelen der laseren når ML for et typisk tilfelle. Dette ble også sett med kommersielle polarimeter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Det er blitt vist at det er mulig å automatisere ml NPR fiber ringlasere ved hjelp av en tilbakekoblingssløyfe basert på utgangspolariserings målinger. For å realisere denne oppgaven er det viktig å sette inn en justerbar PSC i hulrommet. Utgangen kopler av hulrommet må være plassert like før polarisatoren, for å vise en forskjell mellom den polarisasjonstilstanden av et CW-signal og et pulssignal (figur 2). Den dobbeltbrytning av PSC må forhånds justeres slik at ML kan bli funnet og pumpeeffekten må være innstilt i nærheten enkelt puls ML terskelen for å få en enkelt puls i hulrommet og minimere antall konkurrerende regimer som kan oppstå. Dette forklarer hvorfor den ML regimet funnet automatisk ved å feie den vinkel i en viss retning er alltid den samme i løpet av forsøket. Parameteren målt ved utgangen til å oppdage ML er S _en. Denne parameteren endres kontinuerlig som vinkelen for den intra-hulroms PSC er swEPT. Det eneste unntaket er når ML er nådd, verdien av S ₁ deretter gjennomgår en diskontinuitet. Muligheten til å gjøre små vinkel trinn er viktig her. Hvis store trinn brukes kan det bli vanskelig å skille mellom et byks og en "normal" variasjon. Den lille rekke vinkler fører til ML kan også bli tråkket over uten å merke det. Den lille økning sikrer også at den ML tilstand er alltid den samme, fordi systemet ikke falle hvor som helst i den ML rekkevidde men alltid detektere kanten av denne regionen hvor pulsene har alltid den samme optiske spektrum. Dette er den eneste åpenbare måten å sikre repeterbarhet av prosedyren og parametrene av pulser generert.

Forutsatt at de ovenfor angitte kritiske punktene er blitt betraktet, er det mulig å bygge en hjemmelaget polarisasjon analysator som gir en verdi av _S-1 og tillate påvisning og automatisering avML. Oppsettet foreslått her besto av et fritt plass polariserende strålesplitter kube i kombinasjon med to fotodioder. Et alternativ ville være å bruke en fiberbasert polarisering stråledeler. Ingen justering ville være nødvendig, og det ville være en all-fiber oppsett. Merk også at et oscilloskop som ble brukt for å få spenningene fra fotodiodene for å kommunisere med det lett via en GPIB port. Bruken av en USB-voltmeter eller en hjemmelaget elektronisk krets kunne redusere kostnadene for apparatet.

Teknikken som presenteres her er ment å fungere for NPR fiber modus-låst lasere. For å bruke den, må man jobbe med et relativt stabilt hulrom design som var pre-justert til å være i stand til å få ML. Det faktum at bare en enkelt parameter er variert for å søke etter ML begrenser det generelle i teknikken. Dersom hulrommet blir perturbert ved for eksempel å innføre en dobbeltbrytningen i fibrene, vil systemet være i stand til å kompensere og finne ML når den forstyrrelse er liten. Hsom fører til, PSC vil ikke være i stand til å kompensere for en stor modifikasjon av dobbeltbrytningen av hulrommet fordi dens dobbeltbrytning er løst ^7. I den forstand kan denne teknikken ikke betraktes som generelt som den presenteres i Hellwig et al. ^3. Dessuten gjør den enkle karakteriseringen av _en S på utgangen brukes her i kombinasjon med kontroll av en unik PSC vinkel ikke tillater undersøkelse av alle mulige regimer for utslipp av laser som diskutert av Andral et al. ⁶ f.eks. Videre ML påvisning teknikken som presenteres her kan ikke diskriminere mellom støy som pulser ^11, sammenhengende ML belgfrukter og flere-pulser regimer. Den pre-justering av hulrom fibrene, pumpekraft og PSC birefringence må derfor være nøye gjøres for å sikre at enkelt sammenhengende ML pulser vil danne stedet for støylignende pulser eller flere-pulser regimer.

Som nevnt iintroduksjon, andre ML mekanismer eksisterer, og noen av dem ikke krever justering. De har alle noen fordeler og ulemper. ML basert på ikke-lineær sløyfe speiler ¹⁴ krever en ekstra lengde på fiber inne i hulrommet og kan ikke være egnet for high-repetisjon rente lasere ^15. ML basert på mett dempere speiler ¹⁶ krever utforming av tilpassede speil hensiktsmessig for makt og spektrale karakteristikker av laser under vurdering. NPR ML mekanismen forblir den mest brukt på grunn av sin enkelhet, sin effektivitet og lave pris gjennomføringen.

Automatisering av sin innretting gjør NPR et enda mer interessant alternativ fordi det kan nå brukes i kommersielle systemer uten å kreve inngripen fra brukeren for å sikre ML oppstår. Teknikken for å automatisere dens innretting presenteres her er tilstrekkelig til å få ML under normale forhold, og er enkel å implementere. Det krever noen rimelige komponenter og ingen dyre instrmenter slik som en optisk spektrumsanalysator, eller en RF-spektrum analysator. Hulrommet utforming behøver ikke å endres, siden den er avhengig av utgangspolariserings målinger. Faktisk er bare en brøkdel av utgangs tappet for overvåking og den gjenværende del kan anvendes for den pågående applikasjon.

Med andre ord, blir laseren ikke trenger å være koblet til å fortsette med justeringsprosedyren. Dernest er det nødvendig gjennomsnittlig effekt så liten at en 1% overvåking springen er tilstrekkelig. Dette er i kontrast til ML deteksjonsteknikker basert på ikke-lineære prosesser slik som andre -harmonic generasjon eller to-foton absorpsjon som ville kreve en betydelig større fraksjon for overvåking for å være effektiv. Til slutt, siden denne teknikken krever bare den første Stokes-parameteren S ₁ som skal måles, er det ikke behov for en fullstendig karakterisering av polarisasjonstilstanden og dette gjør systemet mye enklere og billigere ådesigne og bygge.

Denne teknikken er godt egnet for kommersielle fiber lasere, og med dette målet i tankene, kunne utvikles videre for å forbedre ytelsen. Det vil være interessant også å bruke den til fiber lasere ved ulike bølgelengder. Her ble det brukt i en erbiumdopet fiber laser, men det er lett overførbar til ytterbium dopet fiber lasere ettersom alt nødvendig utstyr er lett tilgjengelig. Det kan bli mer utfordrende for lasere som opererer på ikke-konvensjonelle bølgelengder, men det er absolutt mulig. Mer testing er nødvendig for å bekrefte sin anvendbarhet til ulike spredningsregimer som soliton laser, strukket-puls laser, det similariton laser og dissipativ 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.