Çıktı Polarizasyon Ölçümler aracılığıyla Doğrusal Olmayan Polarizasyon Rotasyon Fiber Lazer Mod Kilitleme Otomasyonu

Bu prosedürün genel amacı, önceden ayarlanmış doğrusal olmayan polarizasyon rotasyonlu bir fiber lazerde otomatik mod kilitlemeyi tespit etmektir. Bu prosedür; RF spektrum analizörü, optik spektrum analizörü, doğrusal olmayan tespit şeması veya bir duraklama sayma cihazına dayalı mevcut otomasyon prosedürlerine alternatif bir yol sunar. Temel avantajları, nispeten düşük maliyetli olması, uygulanmasının kolay olması ve izleme için lazer çıktısının sadece çok küçük bir kısmının alınmasını gerektirmesidir.

Bu animasyon, doğrusal olmayan polarizasyon rotasyonuna dayalı mod kilitleme kavramını göstermektedir. Sinyal, polarizör tarafından polarize edilir ve ardından polarizasyon kontrolörü ile eliptik bir polarizasyon durumuna dönüştürülür. Kavite liflerindeki mevcut doğrusal olmama durumu, bu elipsin sinyalin anlık gücüyle orantılı olarak dönmesini sağlar.

Son polarizördeki iletim, böylece sinyalin yüksek güçteki kısımlarının iletimini destekleyecek ve bir darbenin oluşmasına yol açacaktır. Son polarizörden hemen önce bir polarizasyon analizör yerleştirilerek, polarizasyon durumları arasında ayrım yapılarak boşluktaki bir darbenin saptanması mümkün hale gelir. Bu, bir darbenin boşluktaki bir tur sırasında, sürekli dalga sinyaline göre daha büyük bir doğrusal olmayan polarizasyon rotasyonuna uğraması sayesinde gerçekleştirilebilir.

İlk adım, sabit bir platform üzerinde bir fiber lazer sistemi kurmaktır. Başlamak için, bu deneyin merkezinde yer alan lazer halka boşluğunu (ring cavity) bir optik tezgah üzerine kurun. Bu şema, yönlendirme için genel bir bakış sunmaktadır.

Işık saat yönünde ilerler. Kurulumu anlamak için bir polarizatör ile başlayın. Pigtailed fiber bir polarizatör kullanılmıştır.

Tamamı fiberden oluşan, motorlu yow tipi bir polarizasyon durumu kontrolcüsüne yerleştirilmiş poliimid kaplı fiber bir bölümle füzyon eklemesi yapılmıştır. Bu bileşenin varlığı, otomasyon prosedürü için gereklidir. Polarizasyon kontrolcüsünden sonra, 976 nanometre bir lazer diyot tarafından pompalanan 980/1550 nanometre dalga boyu bölmeli çoklayıcı yerleştirin.

Ardından ışığı, kazanç ortamı olan tek modlu erbyum katkılı bir optik fiberden geçirin. Erbyum katkılı fiber, burada gösterildiği gibi pompalandığında yeşil renkte parlar. Erbyum katkılı fiber, hibrit bir 980/1550 nanometre dalga boyu bölmeli çoklayıcı ve bir 1550 nanometre izolatör ile füzyon eklemesiyle birleştirilmiştir.

İkinci bir lazer diyodu tarafından pompalanır. Kavite döngüsündeki son element, polarize ediciden hemen önce yerleştirilmesi gereken 50-50'lik bir çıkış kuplörüdür. Polarizasyon analizörü girdisini bu kuplörden alacağı için kavite çıkış kuplörünün konumu oldukça önemlidir.

Doğrusal olmayan polarizasyon rotasyonunun etkisini maksimize etmek için, polarizer'dan hemen önce konumlandırılmalıdır. Kavite çıkışı, %99'u kullanılabilir çıkışa giden 99:1'lik bir ayırıcıya gider. %1'lik kısım ise manuel bir polarizasyon kontrolöründen geçerek otomatik mod kilitleme için geri besleme sağlar.

Bir sonraki adım, motorlu polarizasyon kontrolörünü bir bilgisayar kontrolörüne bağlamaktır. İlk olarak, boşluk içi fiber sıkıştırıcı polarizasyon kontrolörünü sürücü modülüne bağlayın. Ardından, sürücü modülünü bilgisayarın USB portuna bağlayın.

Tezgâhtaki lazer çıkış fiberlerine geri dönün ve %99 çıkışı seçin. %99 çıkışını, çıplak fiber uçlu (barefit) bir adaptör kullanarak bir optik spektrum analizörüne bağlayın. Pompa lazerlerini açın ve cihaz arayüzünü başlatmak için bilgisayara geçin.

Polarizasyon kontrolörünün saat yönünde 3000 adım dönmesini sağlamak için arayüzü kullanın. Dönme sırasında kontrolör mekanik bir durdurucuya ulaşacaktır. Ardından, polarizasyon kontrolörünün saat yönünün tersine yaklaşık bir derece dönmesini sağlayın.

Mod kilitlenmenin gerçekleşip gerçekleşmediğini belirlemek için optik spektrum analizöründeki spektrumu gözlemleyin. Spektrumlar, mod kilitli yarı-sürekli ve Q-anahtarlamalı rejimleri temsil etmektedir. Yarı-sürekli ve Q-anahtarlamalı rejimlerle karşılaştırıldığında, mod kilitli spektrum oldukça geniştir.

Polarizasyon denetleyicisini bir derecelik adımlarla saat yönünün tersine döndürün. Mod-kilitleme gerçekleştiğinde, devam etmeden önce açıyı sabitleyin. Bu noktada, pompa gücü eşiklerini aramaya hazırlanın.

Mod kilitlenmesi kaybolana kadar pompa gücünü azaltın. Ardından pompa gücünü mod kilitlenme eşiğinin hemen üzerine çıkarın. Mod kilitlenme spektrumunu gözlemleyin, ardından lazerin kendi kendine mod kilitlemesi yaptığından emin olmak için lazer gücünü kapatıp tekrar açın.

Mod kilitlenme durumunu doğrulamak için fiberi spektrum analizörden ayırın. Bir osiloskopta sinyal görüntülemek için fiberi hızlı bir fotodiyot düzeneğine bağlayın. Mod kilitlenme durumu, yaklaşık 82 megahertz tekrarlama hızına sahip bir darbe dizisi üretir.

Bir sonraki adım, lazer çıkışının polarizasyonunu analiz etmeye hazırlanmaktır. Bunu yapmak için, polarimetre olarak da adlandırılan ticari bir polarizasyon analizörü kullanın ve %1'lik ayırıcıdan (tap) gelen fiberi giriş olarak bağlayın. Deney için ekipmanların nihai düzeni bu şemada gösterilmektedir.

Bilgisayar, polarizasyon analizörünü kontrol edebilir. Polarizasyon kontrolcüsünü mekanik stop noktasına getirmek ve polarimetre yazılımını durdurmak için bilgisayarı kullanın. Bu noktada, optik spektrum analizörü mod kilitli olmayan bir spektrum görüntüler.

Polarimetre yazılımında, başlat düğmesine tıklayarak polarizasyon ölçümlerine başlayın. Polarizasyon kontrol cihazını bir derecelik artışlarla saat yönünün tersine ilerletin. Kavite arası polarizasyon kontrol cihazının izin verdiği açı aralığı incelenirken, polarizasyon durumunu polarimetre yazılımını kullanarak gözlemleyin.

Mod kilitlenmeye dair kanıtlar oluşana kadar açıları keşfetmeye devam edin. Mod kilitlenmeye ulaşılan nokta dışında, polarizasyonun açıyla birlikte çok pürüzsüz bir şekilde değiştiğine dikkat edin. Mod kilitlenme imzasının belirgin olduğunu doğrulamak için spektrum analizöründeki spektrumu gözlemleyin.

Devam etmek için bilgisayara dönün. Polarizasyon kontrolörünü, artık dönemeyeceği noktaya kadar tekrar saat yönünde çevirin. Polarimetre yazılımında, Stokes parametrelerini açıya bağlı olarak izlemek için hazırlık yapın.

Burada S sıfır'dan S üç'e kadar yukarıdan aşağıya doğru sıralanmışlardır. S bir, S iki ve S üç değerlerini kaydedip izlerken, polarizasyon kontrolörünün açılarını bir derecelik artışlarla adım adım ilerletin. Mod-kilitleme geçişi gerçekleştiğinde S bir'in ani bir değişim gösterdiği görülebilir.

Grafiksel bir programlama dilinde, mod kilitlenme koşulunu otomatik olarak bulacak bir betik yazın. Bu betiğin mantığı bu akış şemasında verilmiştir. Temel olarak betik, polarizasyon durumu kontrolcüsü mekanik durdurucu konumundayken başlayacak ve her adımda polarimetreden S1 değerini okuyarak açısını bir derecelik adımlarla artıracaktır.

S1 değeri tek bir adımda önceden belirlenmiş olan 0,3 eşik değerinden daha fazla arttığı anda, mod kilitleme gerçekleşmiş olması gerektiğinden betik duracaktır. Ardından betiği çalıştırın. Betiğin bu sürümü, açı artırıldıkça Stokes parametresi S1'in gelişimini görüntüler.

Açısal tarama başladığında, lazer mod-kilitli değildir. Polarizasyon kontrolcüsü döndükçe, S bir değeri ve lazerin optik spektrumu değişmektedir. Betik sona erdiğinde, geniş optik spektrumdan görüldüğü üzere mod-kilitleme sağlanmıştır.

Bir sonraki adım, ticari polarimetre yerine geçecek bir düzenek kurmaktır. Bilgisayara GPIB arayüzü ile bağlı bir osiloskop kullanın. Ardından, ikame polarimetrenin optik bileşenlerine odaklanın.

Merkezde, üç FC-APC fiberoptik port kolimatörü ile hizalanmış bir polarize ışın ayırıcı bulunmaktadır. Işık, üstteki porttan ışın ayırıcıya girer. Dikey polarize ışık, sistemden sağ port aracılığıyla çıkar.

Yatay polarize ışık alt porttan çıkış yapar. Polarizasyon analizörü ayrıca iki özdeş elektronik devreninle üretilmesini gerektirir. Burada, iki transimpedans amplifikatör devresi aynı aydınlık kart üzerindedir.

Tek bir devrenin yerleşimi bu diyagramda gösterilmiştir. İlk olarak, bir indiyum galyum arsenür fotodiyodu 1550 nanometre sinyali tespit eder. Fotodiyod; bir operasyonel amplifikatöre, bir dirence ve bir kapasitöre bağlıdır.

Devrenin çıkışı bir osiloskopa bağlanır ve ortalama optik gücün bir ölçümünü sağlar. Tezgahta, ışın ayırıcı çıkışlarını devrelere bağlamaya başlayın. İlk olarak, bir çıkışı bir indiyum galyum arsenür fotodiyota bağlayın.

Ardından, transempedans amplifikatör devresinin çıkışını osiloskobun birinci kanalına bağlayın. Osiloskobu ve transempedans amplifikatör devresini açın. Lazerin %1'lik çıkışını ticari polarimetreden ayırın.

Çıkışı, polarize ışın ayırıcının giriş portuna bağlayın. 1550 nanometre optik sinyal göndermek için lazeri rastgele bir pompa gücünde açın. Bilgisayarda, osiloskopun birinci kanalındaki ortalama voltajı okumak için bir betik çalıştırın.

Polarizasyon analizörünün optik elemanlarına geri dönün. Polarize ışın ayırıcı çıkışının fotodiyoda olan bağlantısını kesin. Bunun yerine, ışın ayırıcı çıkışını ticari bir güç metreye bağlayın.

Bu pompa gücü için optik gücü okuyun ve kaydedin. Giriş optik sinyalinin gücünü değiştirerek ortalama voltajı ve optik gücü ölçmeye devam edin. Birkaç ölçümden sonra, voltajın güce karşı grafiği doğrusal olmalıdır.

Bu doğrusal ilişkinin katsayılarını belirleyin. Nihai polarizasyon analizörü düzeneğine ulaşmak için ışın ayırıcının ikinci çıkışı ile aynı prosedürü uygulayın. Hem dikey hem de yatay polarizasyon çıkışları amplifikatör devrelerine bağlanmıştır.

Her devrenin, bilgisayar tarafından okunan özel bir osiloskop kanalına sahiptir. Şimdi, yeni polarizasyon analizörünü otomatik mod kilitleme sürecine dahil edin. Polarizasyon kontrolörü açısının bir fonksiyonu olarak Stokes fenomeni S1'deki süreksizliği aramak için yazılmış olan betikleri açın.

Bunu modifiye etmek için yalnızca cihazdan S birinin belirlenmesinde bir değişiklik yapılması gerekir. Bu analizör için S birini şu formülü kullanarak hesaplayın. PX ve PY güç değerleri, her bir polarizasyon için voltaj ve güç arasında ölçülen doğrusal ilişkiden elde edilir.

İşlem tamamlandığında betiği başlatın. Betiğin bu versiyonu, açı artırıldıkça Stokes parametresi S1'in gelişimini görüntüler. Açısal tarama başladığında, lazer mod-kilitli değildir.

Polarizasyon kontrolörü döndükçe, S bir değeri ve lazerin optik spektrumu değişmektedir. Betik sona erdiğinde, geniş optik spektrumdan da görüldüğü üzere mod-kilitleme sağlanır. Bu, Stokes parametresi S bir'in motorlu polarizasyon durumu kontrolörünün açısına karşı tipik grafiğidir.

S değeri, ticari olmayan bir polarizasyon analizöründen ölçülen güç değerleri kullanılarak hesaplanır. Lazer mod-kilitleme durumuna ulaştığında ani bir değişim meydana gelir. Bir süreksizlik anında polarizasyon kontrolörü açısını değiştirmeyi durdurmak için yazılmış otomatik bir betik, mod-kilitlemeyi birkaç dakika içinde bulabilir.

Bu prosedür ile birkaç dakika içinde mod kilitleme sağlanabilir. Uygulama, lazer boşluğu tasarımını etkilemez ve yalnızca çıkış sinyalinin %1'inin izlenmesini gerektirerek, geri kalan %99'u hedeflenen uygulamalar için bırakır. Prosedürün lazer parametrelerini gerçekleştirebilmesi için, çoklu darbe veya gürültü benzeri darbeler gibi istenmeyen çalışma rejimlerini önlemek amacıyla, pompa gücü ve polarizasyon kontrolcüsünün çift kırılma indeksi gibi parametrelerin önceden uygun şekilde ayarlanması gerekir.

Bu prosedürün farklı lazer tasarımlarına ve çalışma dalga boylarına uygulanabilirliğini incelemek için ek çalışmalar gerekecektir. Bu prosedürün, modkilitlemenin başlangıçta otomatik olarak gerçekleşmesinin beklendiği ticari fiber lazer sistemlerinde kullanılabileceğine inanıyoruz.