Automação de Modo de bloqueio em uma rotação do laser da fibra não-linear de polarização através de medidas de polarização de saída

1Centre d'optique, photonique et laser, Université Laval, 2Département de physique, Cégep Garneau
Published 2/28/2016
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Olivier, M., Gagnon, M. D., Habel, J. Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements. J. Vis. Exp. (108), e53679, doi:10.3791/53679 (2016).

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Abstract

Quando o modo de bloqueio de um laser é, ele emite um trem de impulsos ultra-curtos, a uma taxa de repetição determinado pelo comprimento da cavidade do laser. Este artigo descreve um procedimento novo e barato para forçar o bloqueio em modo de um laser de fibra de rotação pré-ajustada de polarização não linear. Este procedimento baseia-se na detecção de uma alteração súbita do estado de polarização de saída quando ocorre bloqueio de modo. Esta mudança é utilizado para comandar o alinhamento do controlador de polarização dentro da cavidade de modo a encontrar condições de bloqueio de modo. Mais especificamente, o valor do primeiro parâmetro de Stokes varia quando o ângulo do controlador de polarização é varrida e, além disso, ele é submetido a uma variação abrupta quando o laser entra no estado de bloqueio de modo. A monitorização deste variação abrupta fornece um sinal prático fácil de detectar que pode ser usado para comandar o alinhamento do controlador de polarização e excitar o laser no sentido de bloqueio de modo. Esta monitorização é conseguida por alimentação de uma pequena porçãodo sinal de um analisador de polarização medindo o primeiro parâmetro de Stokes. Uma mudança súbita na leitura fora deste parâmetro do analisador irá ocorrer quando o laser entra no estado de bloqueio de modo. Neste momento, o ângulo necessário do controlador de polarização é mantido fixo. O alinhamento está completado. Este procedimento fornece uma maneira alternativa de procedimentos automatizadas existentes que usam equipamentos como um analisador de espectro óptico, um analisador de espectro de RF, um fotodiodo ligado a um pulso de balcão electrónico ou de um sistema de detecção não-linear com base na absorção de dois fótons ou geração de segundo harmônico. É apropriado para o modo de lasers bloqueado por rotação de polarização não linear. É relativamente fácil de implementar, que requer meios pouco dispendiosos, especialmente num comprimento de onda de 1550 nm, e que diminui os custos de produção e operação efectuadas em comparação com as técnicas acima mencionadas.

Introduction

O objetivo deste artigo é apresentar um procedimento de alinhamento de automação para obter bloqueio modo (ML) em polarização não linear lasers de fibra de rotação. Este procedimento é baseado em dois passos essenciais: Detectar o regime ML medindo a polarização do sinal do laser de saída e em seguida, definindo-se um sistema de controle de auto-start para chegar a ML.

lasers de fibra tornaram-se uma ferramenta importante na óptica hoje em dia. Eles são uma fonte eficiente de luz no infravermelho próximo coerente e são agora que se estende para dentro da parte intermédia infravermelha do espectro electromagnético. Seu baixo custo e facilidade de uso fizeram-lhes uma alternativa atraente para outras fontes de luz coerente, tais como lasers de estado sólido. lasers de fibra pode também proporcionar impulsos ultracurtos (100 FSEC ou menos), quando um mecanismo de ML é inserido na cavidade da fibra. Há muitas maneiras de conceber este mecanismo ML, como espelhos de loop não-lineares e absorvedores saturáveis. Um destes, f amplamente utilizadosou a sua simplicidade, baseia-se em rotação de polarização não linear (NPR) do sinal de 1,2. Ele utiliza o fato de que a elipse de polarização do sinal sofre uma rotação proporcional à sua intensidade, uma vez que se propaga nas fibras da cavidade do laser. Através da inserção de um polarizador na cavidade, este NPR leva a perdas dependentes da intensidade durante uma ida e volta do sinal.

O laser pode então ser forçados a ML, controlando o estado de polarização. Com efeito, as porções de alta potência do sinal vai ser submetido a menores perdas (Figura 1) e isso irá eventualmente conduzir à formação de pulsos ultracurtos de luz quando o laser é ligado e inicia a partir de um sinal com ruído de baixa potência. No entanto, a desvantagem deste método é que o controlador de estado de polarização (CPS) devem estar devidamente alinhados para obter ML. Normalmente, um operador verifique o ML manualmente através da variação da posição do PSC e analisar o sinal de saída do laser com uma rápida photodiode, um analisador de espectro óptico ou uma auto-correlação em óptica não linear. Assim que a emissão de impulsos é detectada, o operador interrompe variando a posição do PSC uma vez que o laser é ML. Obviamente recebendo a laser para auto-start automaticamente leva a um importante ganho de eficiência. Isto é especialmente verdadeiro quando o laser está sujeita a perturbações mudando o alinhamento ou a configuração da cavidade uma vez que o operador tem que passar pelo procedimento de alinhamento novamente e novamente. Na última década, têm sido propostos diferentes métodos para alcançar esta automatização. Hellwig et al. 3 utilizadas espremedores de piezo-elétrico para controlar a polarização em combinação com uma análise completa do estado de polarização do sinal com um polarímetro de divisão de amplitude de fibra de tudo para detectar ML. Radnarotov et al. 4 utilizadas unidades de placas de cristal líquido com uma análise com base no espectro de RF para detectar ML. Shen et al. 5 utilizadas espremedores de piezo-elétricopara controlar a polarização e a / sistema de contra fotodiodo de alta velocidade para detectar ML. Mais recentemente, uma estratégia baseada em um algoritmo evolutivo foi apresentado no qual a detecção é fornecido por um fotodiodo de alta largura de banda em combinação com um autocorrelador de segunda ordem intensimetric e um analisador de espectro óptico. O controlo é então realizada com duas unidades electronicamente accionados no interior da cavidade 6.

Este artigo descreve uma forma inovadora de detectar ML e sua aplicação a uma técnica de automação forçando o laser de fibra para ML. A detecção de ML do laser é conseguido por meio da análise como o estado de polarização de saída do sinal varia com o ângulo da PSC é varrida. Como será mostrado, a transição para ML está associado com uma mudança súbita no estado de polarização detectável por medição de um dos parâmetros de Stokes do sinal de saída. O facto de um impulso é mais intenso do que um sinal CW e vai passar por um exp mais importante NPRLains esta mudança. Uma vez que a saída do laser é localizado imediatamente antes do polarizador na cavidade, o estado de polarização de um pulso neste local é diferente do estado de polarização de um sinal CW (Figura 2) e vai ser utilizada para discriminar o estado ML. Aspectos teóricos deste procedimento e sua primeira implementação experimental foram apresentados em Olivier et al. 7. Neste artigo, a ênfase será sobre os aspectos técnicos do processo, suas limitações e suas vantagens.

Esta técnica é relativamente simples de implementar e não requer instrumentos de medição sofisticados para detectar o estado ML e automatizar o alinhamento do laser para obter ML. Um PSC ajustável externamente através de uma interface programável é necessária. Diferentes unidades poderiam ser utilizados, em princípio: espremedores piezo-eléctrico, de cristais líquidos, de onda placas rodado por um motor, cristais magneto-óptica ou um motorizados todo-o de fibra à base CPSN apertando e torcer a fibra 8. Neste artigo, o último é usado, um todo-fibra motorizados Yao tipo PSC. Para detectar o estado de polarização de um polarímetro comercial caro pode ser utilizado. No entanto, uma vez que é necessário apenas o valor do primeiro parâmetro de Stokes, um divisor de feixe de polarização em combinação com dois fotodíodos será suficiente como mostrado neste artigo.

Todos estes componentes são baratos para os lasers de fibra dopada com érbio amplamente usados. Um circuito fechado de realimentação baseado neste procedimento podem encontrar ML em poucos minutos. Este tempo de resposta é adequada para a maioria das aplicações de lasers de fibra e é comparável a outras técnicas existentes. Na verdade, o tempo de resposta é limitada pelo sistema electrónico utilizado para analisar a polarização do sinal. Finalmente, embora o processo é aplicado aqui a um laser de fibra similariton 9 dopada com érbio, que poderia ser utilizado para qualquer laser de fibra à base de NPR assim que o equipamento mencionado acima ou seus equivalenT torna-se disponível no comprimento de onda de interesse.

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Protocol

1. Configurar uma ML Fiber Laser fibra, incluindo um Motorizado PSC

  1. Reúna os seguintes componentes: a fibra dopada com érbio de modo único, a 980 / 1.550 nm de comprimento de onda multiplexer de divisão (WDM), um WDM-1550 componente híbrido nm isolador 980 / 1.550 nm, um acoplador 50/50 de fibra, um polarizador de fibra, uma PSC motorizada, dois 980 diodos laser da bomba nm, uma fibra acoplador de 99/1 e uma PSC linha manual.
  2. Cortar a fibra dopada com érbio e todos os outros componentes de fibra pigtailed para caber com o design cavidade desejada.
    NOTA: O procedimento de automação apresentado é adequado para lasers de fibra com base na rotação de polarização não linear. Ele deve funcionar para diferentes regimes de funcionamento, tais como o laser soliton, o laser de pulso esticado, o laser soliton dissipação eo laser similariton. O último regime é utilizado nesta experiência.
  3. Para construir a cavidade do laser, utilizar um acoplador de fusão de fibra para se juntar os componentes da cavidade na ordem mostrada no diagrama (Figura 3 </ Strong>). Antes de executar cada emenda de fusão, limpa as fibras termina com álcool isopropílico e unir-los com um cutelo de fibra.
    NOTA: Os componentes internos do laser são, na ordem dos ponteiros do relógio na cavidade anel, um PSC motorizado, a 980 / 1.550 nm WDM, uma fibra dopada com érbio, um componente híbrido WDM isolador 980 / 1.550 nm, uma saída de 50/50 acoplador e um polarizador de fibra. Os componentes externos são uma fibra acoplador de 99/1 e uma PSC linha manual (como explicado nos passos 1.7 e 1.8).
    NOTA: Um segmento de fibra de cerca de 30 cm deve ser inserido no CPS motorizado antes das junções são realizadas com os outros componentes da cavidade. Apesar de uma fibra de modo único padrão irá funcionar, a utilização de filamentos revestidos com poli-imida é recomendado para este segmento, porque é mais resistente à pressão exercida pelos parafusos de o controlador e, assim, durar mais tempo.
  4. Junte-se aos diodos laser bomba ao WDMs usando o splicer da fusão. Mais uma vez, limpa as fibras termina com isopropílico alcohol e unir-los com um cutelo de fibra antes de executar cada emenda de fusão.
  5. Ligue os diodos de laser para os seus respectivos controladores de temperatura e drivers atuais.
  6. Ligue o intra-cavidade motorizados Yao-tipo de fibra-squeezer PSC (Figura 4) para seu módulo de condução e, em seguida, conectar o módulo de condução à porta USB de um computador.
    NOTA: Esta porta é identificada pelo número "COM4" como mostrado no "Device Manager" do computador.
  7. No ponto de saída do laser, ou seja, a porta do acoplador 50/50 ainda não unidas, splice um acoplador 99/1.
    Nota: A porta 99% é a saída utilizável. A porta 1% é utilizado para monitorizar o estado de polarização no processo de automatização.
  8. Inserir um PSC Manual ao longo da fibra do porto de 1%. Para fazer isso, remova os parafusos e abra o PSC. Insira a fibra no compartimento apropriado e em seguida, colocar os parafusos de volta em seus buracos e parafuso-los.
  9. Unir uma fibra co-polido ângulonnector (APC) no final da fibra de porta 1% (após o CPS manual). Limpo e decompor as fibras termina antes de executar a emenda de fusão.
  10. Ligue a saída de 99% para um analisador de espectro óptico (OSA) usando um adaptador de fibra nua.
    NOTA: Como discutido mais tarde, o espectro óptico visto no OSA irá fornecer uma maneira alternativa de verificar se o laser é ML.
  11. Fixe todas as fibras e os componentes na cavidade adequadamente com fita de filme de poliimida.
    NOTA: As fibras e componentes devem ser impedido de se mover sob quaisquer condições, como quando a tabela vibra ou fãs soprar ar. A fita de película de poli-imida é utilizada, a fim de evitar danificar as fibras.
  12. Apertar os parafusos de pressão do PSC intra-cavidade até que a fibra começa a ser um pouco espremido.
  13. Ligue os diodos lasers bomba e ajustar suas correntes para os seus valores máximos, conforme especificado pelo fabricante do diodo laser.
  14. Inicie a interface instrumento de comunicação. No "Peripherals e Interface "coluna à esquerda, escolha" COM4 ". Clique em" Abrir painel de teste VISA ". Clique em" Input / Output ". Então, em" Selecione ou digite "tipo" comando SM, 500,3000 n " e clique no botão "consulta". Esta comanda o PSC para girar em 3.000 passos de 0.1125 ° no sentido horário. Enquanto isso, o CPS chega a um batente mecânico.
  15. No "Selecione ou digite o comando" do "COM4" painel de teste, escreva "SM, 500, -10 n" e clique no botão "consulta". O CPS, em seguida, roda a cerca de 1 ° para a esquerda. Verifique se ML é atingido por olhar para o espectro óptico da OSA. ML é atingida quando a largura total à meia altura do espectro óptico é da ordem de algumas dezenas de nanómetros (Figura 5). Se ML é atingido, manter a birrefringência e ângulo fixo e vá para o passo 1.18.
  16. Se ML não for atingido, repetir 1,15 até que ML ou o ângulo máximo Atainable com o PSC é atingido.
  17. Se o ângulo de inclinação da PSC é atingido antes de ML ocorre, aumentar a birrefringência do PSC, apertando os parafusos de pressão ligeiramente e repetir os passos 1.14, 1.15 e 1.16 tantas vezes quantas as necessárias para obter ML.
  18. Uma vez que ML é atingido, diminuir os poderes da bomba para o seu valor mínimo permitindo ML para a auto-start. Para fazer isso, reduzir as forças de bomba até que ML é perdida. Em seguida, trazê-los de volta lentamente para o menor valor que fará com que o ML reaparecer. Desligue as bombas e ligado novamente e verificar se os bloqueios de modo a laser por si só. Aumentar as forças de bomba ligeiramente mais para assegurar o ML é estável e auto-iniciar cada vez que o laser é ligado.

2. Analisando a polarização do sinal de saída

  1. Ligar a torneira 1% a um polarímetro comercial.
  2. Ligue o polarímetro para o computador usando uma porta USB.
  3. No "Selecione ou digite o comando" do painel de teste "COM4", type "SM, 500,3000 n" e clique no botão "consulta".
  4. Execute o polarímetro controlar software comercial e iniciar a medição de polarização, clicando no botão "Iniciar".
  5. No "Selecione ou digite o comando" do "COM4" painel de teste, escreva "SM, 500, -10 n" e clique no botão "consulta". Observe o estado de polarização no polarímetro.
  6. Repita o passo 2,5 quantas vezes forem necessárias para cobrir toda a gama de ângulos permitidos pelo PSC intra-cavidade. Observe-se que o estado de polarização varia muito suavemente com o ângulo excepto nos ângulos específicos em que ML é alcançado como pode ser visto, observando ao mesmo tempo a largura do espectro óptico no OSA.
  7. Repita os passos de 2,3 a 2,6 mas, desta vez, em vez de apenas observar o estado de polarização, gravar os valores dos parâmetros de Stokes S 1, S 2, S 3 e como funçãos do ângulo do PSC (Figura 6). Para ver esses valores claramente, escolha "Measurement- → Oscilloscope" no menu do software e olhar para os valores médios de S 1, S 2 e S 3. Simultaneamente assistir o espectro óptico e registrar os ângulos para os quais o laser é ML.

3. Configurando um feedback loop para automatizar o alinhamento do PSC usando as medidas Polarímetro comerciais

  1. Desligar o computador.
  2. Conecte a porta serial do polarímetro comercial para a porta serial "COM1" do computador. Reinicie o computador e no polarímetro.
  3. Inicie a interface gráfica do linguagem de programação (GPLI), que permitirá a leitura do polarímetro via "COM1" e o controle do PSC motorizado via "COM4".
  4. No GPLI, clique em "VI Blank". Em seguida, selecione "Janela →Tile Esquerda e Direita ".
    NOTA: A tela será então dividido em duas partes. O diagrama de blocos é apresentada à direita. Ele é usado para criar o script usando funções diferentes associados com ícones diferentes. O painel frontal é apresentado do lado esquerdo. Ele é usado para exibir os comandos e as medições quando o script está sendo executado.
  5. Na janela diagrama de blocos do GPLI, desenvolver um script de automação ML para ser usado com o polarímetro comercial (ver Figura 7).
    NOTA: Este script lê S 1 do polarímetro e usa o seu valor para fornecer feedback e alcançar o alinhamento adequado do ângulo PSC levando a ML. A detecção de ML é alcançado através de pesquisa de uma descontinuidade na variação de S 1 como o ângulo é variável.
    NOTA: Os comandos utilizados para controlar o PSC via "COM4" são os mesmos que os apresentados nos passos 2.3 e 2.5. O comando para ler S 1
  6. Salve o script clicando em "Arquivo → Salvar" e, em seguida, executá-lo clicando no botão "→". O PSC é trazido de volta à sua parada mecânica, em seguida, ele gira em passos de cerca de 1 ° até ML é atingido, mostrando o valor de S 1 como ele evolui.

4. Construção de um rudimentar caseiro Polarização Analyzer

  1. Conectar um osciloscópio para o computador usando a interface GPIB.
  2. Colocar um polarizador cubo divisor de feixe (PBS) em um banco de óptica.
  3. Criou três FC / APC collimators porta de fibra óptica com a PBS (Figura 8).
    NOTA: Uma das portas é a entrada. As outras duas são as saídas para os componentes de polarização X e Y do sinal.
  4. Ligue um fotodiodo de InGaAs PIN fibra pigtailed à primeira saída.
  5. Ligue o fotodíodo a um trans-impedacircuito nce (Figura 9).
  6. Ligue a saída elétrica do circuito para o canal 1 do osciloscópio.
  7. Ligue o circuito de trans-impedância.
  8. No GPLI, ler o valor médio da tensão no canal 1 do osciloscópio através da ligação GPIB usando os comandos de "measu: IMM: SOU CH1;" para selecionar o canal 1 do osciloscópio ", measu: IMM: TIPO média;" para definir a medida seja uma tensão média, "measu: IMM: VAL" para obter o valor e, finalmente, "measu: IMM: UNI?" para obter as unidades de medição. Salve o script clicando em "Arquivo → Salvar" e, em seguida, executá-lo clicando no botão "→".
  9. Ligar a saída de 1% do laser na porta de entrada do PBS e ligar o laser com uma potência de bomba arbitrária. Isso envia um sinal óptico nm 1.550 para a entrada.
  10. Meça a tensão média na primeira saída. Em seguida, desligue o fotodiodo de fibra pigtailed e substituir-lo por um poder metros comercial. Medir a potência óptica nesta saída.
  11. Repetir o passo 4.10, enquanto variar a potência do sinal óptico de entrada. A tensão deve variar linearmente com a potência óptica. Encontre os coeficientes desta relação linear.
    NOTA: Esta relação vai ser utilizado no passo de obter 4,20 x P a partir da tensão medida.
  12. Conectar um segundo fotodíodo de PIN de InGaAs fibra Pigtailed para a segunda saída do PBS.
  13. Ligue o fotodiodo para um segundo circuito trans-impedância.
  14. Ligue a saída elétrica do circuito ao canal 2 do osciloscópio.
  15. Ligue o circuito de trans-impedância.
  16. No GPLI, ler o valor médio da tensão no canal 2 do osciloscópio através da ligação GPIB usando os comandos de "measu: IMM: SOU CH2;" para selecionar o canal 2 do osciloscópio ", measu: IMM: TIPO média;" para definir a medida seja uma tensão média, "measu: IMM: VAL?4; para obter o valor e, finalmente, "measu: IMM: UNI?" para obter as unidades de medição. Salve o script clicando em "Arquivo → Salvar" e, em seguida, executá-lo clicando no botão "→".
  17. Ligar o laser com uma potência da bomba arbitrária.
  18. Meça a tensão média na segunda saída. Em seguida, desligue o fotodiodo de fibra pigtailed e substituí-lo por um poder metros comercial. Medir a potência óptica nesta saída.
  19. Repetir o passo 4.18, enquanto variar a potência do sinal óptico de entrada. Certifique-se de que a tensão varia linearmente com a potência óptica.
    NOTA: Encontre os coeficientes desta relação linear. Esta relação vai ser utilizado no passo de obter 4,20 P y da tensão medida.
  20. Depois de configurar o segundo detector para medir P y, use o GPLI para calcular o primeiro Stokes parâmetro S 1 definido como S 1 = ( x - P y) / (P x + P y). O analisador de polarização rudimentar caseiro está pronto para usar.

5. Substituir o Polarimeter Commercial pelo caseiro Polarização Analyzer no Process Automation

  1. Ligar a saída de 1% do laser à entrada do analisador polarização caseiro (como foi feito na etapa 4.9).
  2. Medir o primeiro parâmetro de Stokes S 1 como uma função do ângulo do PSC (Figura 10) repetindo o passo 2.7, utilizando o analisador de polarização caseiro (em vez de o polarímetro comercial). Observe o gráfico S 1 atualizar automaticamente a cada passo. Observar um salto descontínuo no valor de S 1 quando ocorre ML (este é o caso durante o uso do polarímetro comercial).
    NOTA: Use um script GPLI para executar esta tarefa automáticocamente. Este certificado é com base em um ciclo que varia o ângulo de CPS por passos de 1 ° (usando o comando "SM, 500, -10 n" enviado para "COM4") e lê-se o valor de S 1 da caseiro analisador de polarização em cada passo.
  3. Modificar o script desenvolvido em 3,5 modo que, em vez de usar o valor dado pelo polarimeter comercial, torna-se P x e y P do analisador de polarização caseiro e, em seguida, calcula S 1 = (P x -P y) / (P x + P Y).
  4. Utilizar a nova escrita com base no analisador de polarização caseiro para ml, o laser automaticamente de uma maneira semelhante ao passo 3.6.

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Representative Results

NPR lasers de fibra mode-locked são conhecidos por oferecer uma grande variedade de regimes pulsantes como pulsos Q-switched 10, leguminosas ML coerentes, pulsos de ruído semelhante, estados ligados de pulsos mL, harmônica ML e estruturas complexas de interagir ML pulsa 11. Em que o laser descrito aqui, após o birrefringência do CPS foi fixado para ser capaz de obter ML, a potência da bomba foi ajustada para ser relativamente perto do limiar de ML-pulso único. Ao fazê-lo, o número de regimes concorrentes foi reduzido a um mínimo. Neste potência da bomba e, dependendo do ângulo de PSC, o laser apresentado regimes diferentes (Figura 5), mas não existe um regime multi-pulso. Pulsos de ruído semelhante a 12,13 foram evitadas devido ao pré-ajuste das fibras de cavidades que foram mantidos fixada uma vez um pulso ML padrão único foi encontrado. De facto, o desenho da cavidade é provavelmente importante no que diz respeito também, mas este aspecto não foi investigado completamente hantes. Consequentemente, os regimes únicos remanescentes foram emissão de onda contínua (CW), emissão Q-switched e uma ML estável com um único pulso coerente. Na forma de onda continua (CW) e regimes Q-switched, linhas estreitas (1 nm ou menos, às vezes limitados pela resolução analisador de espectro óptico) são vistos. Estes espectros são para ser comparado com o largo espectro do regime ml com uma largura total a metade do valor máximo da ordem de 30 nm ou mesmo mais. No fotodíodo rápido, CW mostra quase sem variações, Q-comutação mostra um trem de impulsos com uma taxa de repetição da ordem de alguns microssegundos (3,5 ms aqui) e ML aparece como um trem de impulsos muito mais rápida com uma taxa de repetição de alguns dezenas de nanossegundos (12.2 NSEC aqui) que corresponde ao tempo de ida e volta da cavidade do laser. Quando um rastreio de autocorrelação é utilizada, apenas o regime de ML mostra a presença de impulsos, porque o regime de comutação-Q gera impulsos que têm uma duração muito mais longa e uma muito menor potência de pico. O rastreamento de autocorrelaçãono regime de ML mostra um único pico com uma largura de 156 FSEC a partir do qual se deduziu que apenas um único pulso ML coerente está presente com uma duração FWHM perto de 100 FSEC (110 assumindo uma forma de impulso de Gauss FSEC e 101 FSEC assumindo hiperbólica secante quadrado forma de pulso).

A medição da Stokes parâmetros como uma função do ângulo do PSC intra-cavidade (Figura 6) originou um resultado típico como esperado em teoria 7. Observe que cada parâmetro Stokes muda abruptamente quando ML é atingido. Por conseguinte, uma medição de apenas um deles, dizem S 1, é necessária para detectar ML. Note-se que uma descontinuidade no valor de um determinado parâmetro que não coincide com o ML estável é por vezes observada. Na verdade, o laser pode, por vezes, chegar a um regime instável que muda muito rapidamente entre CW, regimes ML Q-switched e de forma caótica. Nestas situações, o valors dos parâmetros de Stokes pode variar substancialmente em tempo. Estas variações aparecem como barras de erro no gráfico. Pode ser visto que as variações são mais importante em algumas regiões do que outros. No entanto, nos regimes ML estáveis, as variações são muito pequenos. Isto sugere que a variação temporal dos parâmetros de Stokes poderia ser utilizada como um critério complementar para verificar se ML é realmente atingido ou não após ter sido detectado um salto descontínuo.

A análise anterior leva à conclusão de que a automação do laser pode basear-se na procura de uma descontinuidade de um determinado parâmetro de Stokes. S 1 foi escolhida aqui. A variação de S 1 que é definida como uma "descontinuidade" é um arbitrária priori. Com base nas medições (Figura 6), verifica-se que a S 1 varia geralmente por passos menores do que 0,1 comoo ângulo é variada por 1 °. A única exceção é quando ML é atingido onde varia de 0,6. Foi, portanto, decidiu fixar o limite de descontinuidade para 0,3. O procedimento de automação aqui apresentada (Figura 7) baseia-se na condição de que. O laser não deve estar em uma condição ML quando a rotina começa caso contrário, a rotina irá parar quando a descontinuidade líder de ML para CW será encontrado eo laser vai acabar emitindo CW. Esta limitação não é problemática porque a gama de ângulos dando ML é pequena em comparação com a gama completa do PSC. Assim, é fácil de posicionar o PSC em um ângulo muito longe de ML quando a rotina é engatada. Aqui, o PSC foi levada ao seu ângulo mínimo em que uma parada mecânica impede de se mover mais. Nesta posição, o laser não foi ML. Sob estas condições, a rotina funciona muito bem. Ele encontra ML dentro de alguns minutos. Neste caso, a velocidade é geralmente limitada pelo tempo de comunicação necessária entre a p comercialolarimeter e o computador como o ângulo é varrida.

Quando medido com o Analisador de polarização caseiro (Figura 10), a curva de S 1 como uma função do ângulo da PSC é diferente a partir da curva medida com o polarímetro comercial (Figura 6). Isto é devido ao facto de os eixos X e Y de ambos os instrumentos não coincidem necessariamente. No entanto, a transição abrupta na S 1 quando é atingido ML é claramente visto em ambos os casos. De facto, o comportamento de S 1, S 2, S 3 e medido com o polarímetro comercial mostrou que os três parâmetros não foi submetido à mesma descontinuidade quando ML foi atingido. Ele sugere que a mudança na orientação do divisor de feixe de polarização ou, de modo equivalente, a inserção de um manual de PSC pouco antes da polarizatanalisador de íons poderia ajudar a fazer a transição mais abrupta e mais fácil de detectar. Na verdade, este é exatamente o que aconteceu aqui, a transição para o ML é mais fácil ver com o analisador de polarização caseiro porque o PSC manual foi ajustado para fazer a transição aparecem mais claramente. O procedimento de automatização é então mais fácil de conseguir.

A automação com o analisador de polarização caseiro funciona muito bem. ML é encontrado dentro de alguns minutos. Na verdade, por causa das leituras das tensões de fotodíodos são mais rápidos do que as leituras do polarímetro comercial, o analisador de polarização caseiro tem melhor desempenho.

figura 1
Figura 1:. ML baseado em rotação de polarização não linear O primeiro sinal é linearmente polarizada pelo polarizador e, em seguida, transformado num estado de polarização elíptica por The PSC. Devido à não linearidade Kerr, da fibra no interior da cavidade do laser, a elipse polarização sofre uma rotação do seu eixo principal proporcional à potência do sinal. Uma vez que o polarizador na extremidade transmite apenas o componente vertical da polarização, a transmissão dependerá da potência do sinal e pode favorecer a formação de um impulso de ruído, se o ângulo de PSC está correctamente ajustada. Por favor clique aqui para ver um maior versão desta figura.

Figura 2
Figura 2:. Posição do analisador de polarização para uma dada potência média, um impulso terá um pico de potência maior do que um sinal de onda contínua (CW) e será submetida a uma rotação de polarização não linear maior. Ao posicionar o analisador imediatamente antes do polarizador, a discriminação entre os estados de polarização permitirá a detecção da presença de um pulso na cavidade. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3:. A cavidade anel de laser de fibra O laser deve ser uma cavidade anel incluindo fibras monomodo ópticos (azul), uma fibra ganho (verde), um isolador, um polarizador, um PSC ajustável através de uma interface de computador. O acoplador de saída deve ser localizado imediatamente antes do polarizador. Finalmente, a 1% do sinal de saída é aproveitado, a fim de monitorizar o estado de polarização do sinal de 99% e de o sinal de saída permanece disponível. O analisador de polarização fornece feedback para uma malha de controle programado em um computador que ajusta o ângulo do PSC motorizado (luz vermelha) através de um cabo eléctrico (preto).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4:. A PSC fibra squeezer motorizada A birrefringência do PSC é fixada pela pressão dos parafusos do lado esquerdo. O ângulo da PSC é ajustado com o motor controlado electronicamente que está do lado direito. O cabo elétrico conecta o sistema a uma interface de computador. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5: Detecção ml com um analisador de espectro óptico diferentes regimes de o laser observado no espectro óptico.analisador à esquerda, em um fotodiodo rápido no meio e em um autocorrelador à direita (quando aplicável): quase CW com múltiplos comprimentos de onda (azul), Q-switched CW (verde) e ML (vermelho). O espectro no regime ML é muito mais ampla do que os outros e sua dechirped traço autocorrelação mostra um único pico com FWHM de 156 FSEC e um pedestal relativamente estreita. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6:. O valor dos parâmetros de Stokes como funções do regiões ML ângulo PSC e as curvas azul são o valor médio de cada parâmetro de Stokes ao longo de 5 medições feitas a intervalos de 0,2 seg para um caso típico. As barras de erro representam o desvio padrão das medições e demonstram a estabilidade do do laser para um dado ângulo de PSC. À medida que o ângulo da PSC é variada, os valores dos parâmetros de Stokes mudar de um modo contínuo, excepto quando for atingido (ML áreas vermelhas na figura). Nesta situação, os seus valores submetidos a uma variação abrupta que pode ser usado para detectar o ML. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7:.. Uma rotina para alinhar automaticamente o PSC para obter ML Este fluxograma mostra a rotina simples usado para automatizar o alinhamento do controlador de estado de polarização (PSC) para obter ML Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 8: analisador de polarização caseiro medição S 1 A-espaço livre polarização divisor de feixe divide os componentes X e Y polarização do sinal.. Estes componentes são enviados separadamente para dois fotodiodos medindo assim o x poderes P e P y em cada polarização, permitindo calcular o primeiro Stokes parâmetro S 1 =. (P x - P y) / (P x + P y) Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9: TransCircuito de amplificador -impedance para cada fotodiodo. O fotodiodo de InGaAs detecta o sinal de 1.550 nm. Ele é ligado a um amplificador operacional, uma resistência e um condensador. O papel do condensador é reduzir a largura de banda do circuito reduzindo assim o risco de obtenção de uma oscilação eléctrica a partir do próprio circuito. O valor da tensão será a média para fora pelo osciloscópio como o valor médio será lido a partir dele e se transformou em uma potência média de óptica através de calibração com uma potência óptica metros comercial. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 10
Figura 10: O valor do primeiro parâmetro de Stokes como uma função do ângulo de PSC utilizando o analisador de polarização caseiro O comportamento de S.1 mostra a transição abrupta no ângulo onde o laser atinge ml para um caso típico. Isso também foi visto com o polarímetro comercial. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Tem sido demonstrado que é possível automatizar o ml de lasers anel de fibra NPR usando um ciclo de feedback com base nas medições de polarização de saída. Para realizar esta tarefa é crucial para inserir um PSC ajustável na cavidade. O acoplador de saída da cavidade deve ser localizado imediatamente antes do polarizador, a fim de ver a diferença entre o estado de polarização de um sinal CW e um sinal de pulso (Figura 2). A birrefringência do CPS tem de ser pré-ajustada de modo que o ML pode ser encontrado e a potência da bomba deve ser ajustado perto pulso único ML o limiar, a fim de obter um único impulso na cavidade e minimizar o número de regimes concorrentes que podem ocorrer. Isso explica por que o regime ML encontrado automaticamente por varrer o ângulo em uma determinada direção foi sempre o mesmo durante o experimento. O parâmetro medido na saída para detectar ML é S 1. Este parâmetro muda continuamente à medida que o ângulo do PSC intra-cavidade é swEPT. A única excepção a isto é quando ML é atingido, o valor de S, em seguida, passa por uma descontinuidade. A possibilidade de fazer pequenos incrementos de ângulo é importante aqui. Se forem utilizadas grandes incrementos pode tornar-se difícil discriminar entre um salto repentino e uma variação "normal". A pequena gama de ângulos que levam a ML pode também ser passou por cima sem perceber. O pequeno incremento também garante que o estado ML é sempre a mesma porque o sistema não cair em qualquer lugar na linha ML mas sempre detectar a borda desta região, onde os impulsos de ter sempre o mesmo espectro óptico. Esta é a única maneira óbvia de garantir a reprodutibilidade do processo e dos parâmetros de impulsos gerados.

Assumindo que os pontos críticos acima foram considerados, é possível construir um analisador de polarização caseiro que fornece um valor de S 1 e permitir a detecção e a automatização doML. A configuração aqui proposto foi composta por um espaço livre de polarização divisor de feixe cubo em combinação com dois fotodiodos. Uma alternativa seria a utilização de um divisor de feixe de polarização à base de fibras. Nenhuma alinhamento seria necessária, e seria uma configuração de fibra de todos. Note-se também que um osciloscópio foi utilizado para obter as tensões dos fotodiodos, de modo a comunicar com ele facilmente através de uma porta GPIB. O uso de um voltímetro USB ou um circuito electrónico caseiro poderia reduzir o custo do aparelho.

A técnica aqui apresentada destina-se a trabalhar para lasers bloqueado de modo fibra NPR. Para aplicá-lo, é preciso trabalhar com um design cavidade relativamente estável, que foi pré-ajustado para ser capaz de obter ML. O facto de apenas um único parâmetro é variada para procurar ML limita a generalidade da técnica. Se a cavidade é perturbada por, por exemplo, a introdução de uma birrefringência nas fibras, o sistema será capaz de compensar e encontrar ml se a perturbação é pequena. Ho entanto, o PSC não será capaz de compensar uma grande modificação da birrefringência da cavidade, pois a sua birrefringência é fixo 7. Neste sentido, esta técnica não pode ser considerada como geral, como o apresentado na Hellwig et al. 3. Além disso, a simples caracterização de S 1 na saída usado aqui em combinação com o controlo de um único ângulo PSC não permitem a exploração de todas as possíveis regimes de emissão do laser, como discutido por Andral et ai. 6, por exemplo. Além disso, a técnica de detecção ML apresentado aqui não pode discriminar entre os pulsos de ruído semelhante a 11, leguminosas ML coerentes e de regimes-pulsos múltiplos. O pré-ajuste das fibras da cavidade, a potência da bomba ea birrefringência PSC deve, assim, ser feito com cuidado para garantir que os únicos pulsos ML coerentes irá formar em vez de pulsos de ruído semelhante ou regimes de vários pulsos.

Como mencionado naintrodução, existem outros mecanismos ml e alguns deles não exigem o alinhamento. todos eles têm alguns prós e contras. ML com base em circuito não-linear espelha 14 requer um comprimento extra de fibras no interior da cavidade e pode não ser adequado para lasers de alta taxa de repetição 15. ML com base em absorvedores saturáveis ​​espelha 16 prevê a concepção de costume espelha apropriado para o poder e características espectrais do laser sob consideração. O mecanismo NPR ML continua a ser o mais amplamente utilizado devido à sua simplicidade, a sua eficácia ea implementação de baixo custo.

A automação de seu alinhamento faz NPR uma opção ainda mais interessante porque agora pode ser usado em sistemas comerciais sem exigir a intervenção do usuário para garantir ML ocorre. A técnica para automatizar o seu alinhamento apresentado aqui é suficiente para obter ML em condições normais e é simples de implementar. Ele requer alguns componentes de baixo custo e sem instr carodo- tal como um analisador de espectro óptico ou um analisador de espectro. RF- O design cavidade não tem de ser modificado, uma vez que se baseia em medidas de polarização de saída. De facto, apenas uma fracção da saída é aproveitado para a monitorização e a porção remanescente pode ser utilizado para a aplicação contínua.

Em outras palavras, o laser não precisa de ser desligado para prosseguir com o procedimento de alinhamento. Em segundo lugar, a potência média requerida é tão pequena que uma torneira de monitorização 1% é suficiente. Isto é para ser contrastado com as técnicas de detecção baseadas em processos de ML não lineares, tais como segunda geração -harmonic ou absorção de dois fotões que exigiria uma fracção significativamente maior para o controlo a ser eficiente. Finalmente, uma vez que esta técnica requer apenas o primeiro parâmetro de Stokes S 1 a ser medida, não há nenhuma necessidade de uma completa caracterização do estado de polarização e isto torna o sistema muito mais simples e mais baratoprojetar e construir.

Esta técnica é bem adequado para lasers de fibra comercial e, com esse objetivo em mente, poderia ser desenvolvido para melhorar o seu desempenho. Será interessante também para aplicá-la a lasers de fibra em diferentes comprimentos de onda. Aqui utilizou-se um laser de fibra dopada com érbio, mas é facilmente transferível para lasers de fibra dopada com itérbio uma vez que todo o equipamento requerido é prontamente disponível. Ele pode se tornar mais difícil para lasers que operam em comprimentos de onda não-convencionais, mas é certamente possível. Mais testes são necessários para verificar a sua aplicabilidade a diferentes regimes de dispersão tais como o laser soliton, o laser de pulso esticado, o laser similariton eo laser soliton de dissipação.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgements

Os autores gostariam de agradecer a Christian Olivier e Philippe Chrétien de ajuda valiosas sobre eletrônica, Éric Girard em GiGa Concept Inc. para suporte com o controlador de polarização motorizado, professor Réal Vallée para o empréstimo do polarímetro comercial e professor Michel Piché para muitas discussões frutíferas .

Este trabalho foi financiado pelo Fonds de recherche du Québec - tecnologias Nature et (FRQNT), Ciências Naturais e Engenharia do Conselho de Investigação do Canadá (NSERC) e no Canadá Summer Jobs.

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.

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References

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