Automatisering av Läge Låsning i en Nonlinear polariseringsrotation Fiber Laser genom utgångs Polarisering Mätningar

1Centre d'optique, photonique et laser, Université Laval, 2Département de physique, Cégep Garneau
Published 2/28/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

När en laser är modlåst, sänder den ut ett tåg av ultrakorta pulser med en repetitionsfrekvens som bestäms av laserkaviteten längd. Denna artikel beskriver en ny och billigt förfarande för att tvinga läge låsning i en pre-justerade icke-linjär polarisation rotation fiberlaser. Detta förfarande är baserat på detektering av en plötslig förändring i utgångs polarisationstillståndet när läge låsning uppstår. Denna förändring används för att styra inriktningen av intrakavitetsapplikatorn polarisering controller för att hitta modlåsning förhållanden. Mer specifikt, värdet av den första Stokes-parametern varierar när vinkeln för polarisation controller sveps och dessutom genomgår det en abrupt variation när lasern övergår till läget-låsta tillståndet. Övervakning denna abrupt variation ger en praktisk lätt att upptäcka signal som kan användas för att styra inriktningen av polariseringsstyrenhet och driva lasern mot läget låsning. Denna övervakning uppnås genom att mata en liten delav signalen till en polarisationsanalysator mätning av första Stokes-parametern. En plötslig förändring i läs ut ur denna parameter från analysatorn kommer att uppträda när lasern övergår till läget-låsta tillståndet. I detta ögonblick, är den erforderliga vinkeln för polarisation controller hålls fast. Uppriktningen är klar. Detta förfarande ger ett alternativt sätt att befintliga automatisera förfaranden som använder utrustning såsom en optisk spektrumanalysator, en RF-spektrumanalysator, en fotodiod kopplad till en elektronisk pulsräknare eller en icke-linjär detekteringssystemet baserat på två-foton absorption eller andra harmoniska generationen. Den är lämplig för lasrar läget låst genom icke-linjär polarisation rotation. Det är relativt lätt att genomföra, det kräver billiga medel, speciellt vid en våglängd av 1550 nm, och den sänker produktion och drift kostnader i jämförelse med de ovan nämnda teknikerna.

Introduction

Syftet med denna artikel är att presentera ett inriktningsförfarande automatisering för att få läge låsning (ML) i icke-linjär polarisation rotation fiberlasrar. Detta förfarande är baserat på två viktiga steg: att detektera ML regimen genom att mäta polarisationen hos utsignalen från lasern och sedan sätta upp en själv start kontrollsystem för att komma till ML.

Fiberlasrar har blivit ett viktigt verktyg i optik nuförtiden. De är en effektiv källa för koherent nära infrarött ljus och de är nu sträcker sig in i mitten av infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet. Deras låga kostnad och användarvänlighet har gjort dem ett attraktivt alternativ till andra källor för koherent ljus såsom solid-state lasrar. Fiberlasrar kan också ge ultrakorta pulser (100 fsec eller mindre) när en ML mekanism är insatt i fiber hålighet. Det finns många sätt att utforma detta ML mekanism såsom icke-linjära loop speglar och mätt absorbatorer. En av dessa, ofta används feller dess enkelhet, är baserad på icke-linjär polarisation rotation (NPR) av signalen 1,2. Den använder det faktum att polarisationen ellips av signalen undergår en rotation som är proportionell mot dess intensitet när den utbreder sig i fibrerna i laserkaviteten. Genom insättning av en polarisator i kaviteten leder detta NPR till intensitetsberoende förluster under tur av signalen.

Lasern kan sedan tvingas att ML genom styrning av polarisationstillståndet. I själva verket kommer hög effekt delar av signalen utsättas för lägre förluster (Figur 1) och detta så småningom kommer att leda till bildandet av ultraljuspulser när lasern är påslagen och startar från en låg effekt brusig signal. Emellertid är nackdelen med denna metod att polarisationstillståndet controller (PSC) måste vara korrekt inriktade för att få ML. Vanligtvis, en operatör finner ML manuellt genom att variera positionen av PSC och analysera utsignalen från lasern med en snabb photodiode, en optisk spektrumanalysator eller en icke-linjär optisk auto-korrelator. Så snart som utsläpp av pulser upptäcks stannar operatören att variera positionen för PSC eftersom lasern är ML. Självklart får lasern att själv starta automatiskt leder till en viktig vinst i effektivitet. Detta är särskilt sant när lasern är föremål för störningar ändra inriktningen eller kaviteten konfigurationen eftersom operatören måste gå genom inriktningsförfarandet och om igen. Under det senaste decenniet har olika förfaranden föreslagits för att uppnå detta automatisering. Hellwig et al. 3 används piezoelektriska squeezers att styra polarisering i kombination med en fullständig analys av polarisationstillståndet hos signalen med en all-fiber division-of-amplitud polarimeter att upptäcka ML. Radnarotov et al. 4 används flytande kristallplattan PSC med en analys baserad på RF-spektrumet för att upptäcka ML. Shen et al. 5 används piezoelektriska squeezersatt styra polarisering och en fotodiod / höghastighetsräknarsystem för att upptäcka ML. Mer nyligen, var en strategi baserad på en evolutionär algoritm presenteras i vilken detekterings tillhandahålls av en hög bandbredd fotodiod i kombination med en intensimetric andra ordningens autokorrelator och en optisk spektrumanalysator. Styrningen utförs sedan med två elektroniskt drivna PSC inuti håligheten 6.

Den här artikeln beskriver ett innovativt sätt att upptäcka ML och dess tillämpning på en automatiseringsteknik tvinga fiberlasern till ML. Detekteringen av ML av lasern uppnås genom att analysera hur den utgående polarisationstillståndet hos signalen varierar som vinkeln till PSC sveps. Såsom kommer att visas, är övergången till ML associerad med en plötslig förändring i polarisationstillståndet detekterbar genom att mäta en av de Stokes parametrarna för utgångssignalen. Det faktum att en puls är intensivare än en CW-signal och kommer att genomgå en viktigare NPR expLains denna förändring. Eftersom utsignalen från lasern omedelbart belägen före polarisatorn i kaviteten, skiljer sig från den polarisationstillståndet hos en CW-signal (Figur 2) polarisationstillståndet hos en puls på denna plats och kommer att användas för att diskriminera ML-tillstånds. Teoretiska aspekter av detta förfarande och dess första experimentella genomförande presenterades i Olivier et al. 7. I denna artikel kommer tyngdpunkten att ligga på de tekniska aspekterna av förfarandet, dess begränsningar och dess fördelar.

Denna teknik är relativt enkel att implementera och inte kräver avancerade mätinstrument för att detektera ML-tillstånds och automatisera inriktningen av laser för att få ML. En PSC justeras externt genom ett programmerbart gränssnitt krävs. Olika PSC kan användas i princip: piezoelektriska pressar, flytande kristall, våg-plattorna roteras av en motor, magneto-optiska kristaller eller en motoriserad all-fiber PSC baserad on klämma och vrida fibern 8. I den här artikeln, den senare används, en all-fiber motoriserade Yao-typ PSC. För att detektera polarisationstillståndet en dyr kommersiell polarimeter kan användas. Eftersom det krävs endast värdet av den första Stokes parametern kommer en polariserande stråldelare i kombination med två fotodioder vara tillräcklig som visas i den här artikeln.

Alla dessa komponenter är billiga för de allmänt använda erbiumdopade fiberlasrar. En återkopplingsloop baserad på detta förfarande kan hitta ML i ett par minuter. Svarstiden är lämplig för de flesta tillämpningar av fiberlasrar och är jämförbar med andra befintliga tekniker. I själva verket är svarstiden begränsad av den elektronik som används för att analysera polarisationen hos signalen. Slutligen, även om förfarandet tillämpas här för att en similariton 9 erbiumdopad fiberlaser, det skulle kunna användas för något NPR baserade fiberlaser så snart som den ovan nämnda utrustningen eller dess equivalent blir tillgänglig vid våglängden av intresse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Installera en Fiber ML Fiber Laser Inklusive en motoriserad PSC

  1. Samla följande komponenter: en single-mode erbiumdopad fiber, en 980/1550 nm våglängd division multiplexer (WDM), en 980/1550 nm WDM-1550 nm isolatorhybridkomponent, en 50/50 fiberkopplare, en fiber polarisator, en motoriserad PSC, två 980 nm laserpumpdioderna, en 99/1 fiberkopplare och en manuell inline PSC.
  2. Skär erbiumdopad fiber och alla andra fiber pigtailed komponenter för att passa med den önskade cavity design.
    OBS: Den presenterade förfarandet automatisering är lämplig för fiberlasrar baserade på icke-linjär polarisation rotation. Det bör fungera för olika driftsystem såsom Soliton laser, den sträckta pulslaser, den dissipativa soliton lasern och similariton laser. Den senare regimen används i detta experiment.
  3. Att bygga laserkaviteten, använd en fiberfusionsskarvning att ansluta sig till hålrums komponenterna i den ordning som visas i diagrammet (Figur 3 </ Strong>). Innan du utför varje fusions skarv, rena fibrerna slutar med isopropylalkohol och klyva dem med en fiber köttyxa.
    OBS: De interna komponenterna i lasern är, i medsols ordning i ringen hålighet, en motoriserad PSC, en 980/1550 nm WDM, en erbiumdopad fiber, en 980/1550 nm WDM isolatorhybridkomponent, en 50/50 utgång kopplare och en fiber polarisator. De externa komponenter är en 99/1 fiberkopplare och en manuell inline PSC (som diskuteras i steg 1,7 och 1,8).
    ANMÄRKNING: En fiber segment av ca 30 cm måste sättas in i den motoriserade PSC innan skarvarna utförs med de andra komponenterna i håligheten. Även om en standard single-mode fiber kommer att fungera, är användningen av polyimid belagd fiber rekommenderas för detta segment, eftersom det är mer motståndskraftig mot det tryck som utövas av skruvarna i styrenheten och därmed håller längre.
  4. Gå med pumplaserdioder till WDMS med hjälp av fusionsskarvning. Återigen, rena fibrerna slutar med iso-alhol och klyva dem med en fiber köttyxa innan du utför varje fusions skarv.
  5. Anslut laserdioder till sina respektive termostater och aktuella drivrutiner.
  6. Anslut intrakavitetsapplikatorn motoriserade Yao-typ fiberpress PSC (Figur 4) till dess drivande modulen och anslut sedan den drivande modulen till USB-porten på en dator.
    OBS: Den här porten identifieras med nummer "COM4" som visas i "Device Manager" på datorn.
  7. Vid utgången av lasern, dvs. 50/50 kopplaren hamn inte skarvas ännu, skarva en 99/1 kopplare.
    OBS: 99% porten är den användbar utgång. Den 1% porten används för att övervaka polarisationstillståndet i förfarandet automatisering.
  8. Sätt en manuell PSC längs fibern av 1% porten. För att göra detta, ta bort skruvarna och öppna PSC. Sätt fibern i rätt plats och sedan sätta skruvarna tillbaka i sina hål och skruva i dem.
  9. Skarva en vinkel-polerade fiber connector (APC) i slutet av hamnen fibern 1% (efter den manuella PSC). Ren och klyva fibrerna slutar innan du utför fusions skarven.
  10. Anslut utgången 99% till en optisk spektrumanalysator (OSA) med en bar-fiber adapter.
    OBS: Som diskuteras senare, kommer det optiska spektrumet ses på OSA ger ett alternativt sätt att kontrollera om lasern är ML.
  11. Säkra alla fibrer och komponenter i kaviteten ordentligt med polyimid film band.
    OBS: Fibrerna och komponenter måste förhindras från att röra sig under alla förhållanden, såsom när bordet vibrerar eller fläktar blåser luft. Polyimidfilmen tejp används för att undvika att skada fibrerna.
  12. Dra åt tryckskruvar intrakavitetsapplikatorn PSC tills fibern börjar vara något pressas.
  13. Slå på pumplasrar dioderna och justera sina strömmar till sina maximala värden som specificerats av laserdiod tillverkaren.
  14. Starta instrumentet kommunikationsgränssnitt. I "Peripherals och Interface "kolumnen till vänster, välj" COM4 ". Klicka på" Open VISA testpanel ". Klicka på" Input / Output ". Då, i" Välj eller ange kommandot "typ" SM, 500,3000 n " och klicka på "Query" -knappen. det kommandon KUSP att rotera med 3000 steg av 0,1125 ° i medurs. därvid PSC når ett mekaniskt stopp.
  15. I "Välj eller ange kommandot" i "COM4" testpanel, typ "SM, 500, -10 n" och klicka på "Query" -knappen. PSC roterar sedan ungefär en ° moturs. Kontrollera om ML nås genom att titta på det optiska spektrumet på OSA. ML nås när full bredd vid halva maximum av det optiska spektrumet är i storleksordningen av några få tiotal nanometer (Figur 5). Om ML nås, hålla dubbelbrytningen och den vinkel fast och gå till steg 1,18.
  16. Om ML inte nås, upprepa 1,15 tills antingen ML eller den maximala vinkeln AttaiNable med PSC nås.
  17. Om den maximala vinkeln för PSC nås före ML inträffar, öka dubbelbrytningen av PSC genom att dra tryck skruvarna något och upprepa steg 1,14, 1,15 och 1,16 så många gånger som krävs för att få ML.
  18. När ML nås, minska pump befogenheter till sitt minimivärde låta ML själv start. För att göra detta, minskar pumpeffekter tills ML går förlorad. Då, föra dem tillbaka långsamt mot det minsta värdet som kommer att göra ML visas igen. Stäng av pumparna och tillbaka igen och kontrollera om laserläget låser sig själv. Öka pumpeffekter något mer för att säkerställa att ML är stabil och kommer själv starta varje gång lasern slås på.

2. Analysera Polarisering av utsignalen

  1. Länk kranen 1% till en kommersiell polarimeter.
  2. Anslut polarimeter till datorn med en USB-port.
  3. I "Välj eller ange kommandot" i "COM4" testpanel, tyPE "SM, 500,3000 n" och klicka på "Query" -knappen.
  4. Kör kommersiella polarimeter kontrollerande programvara och starta polarisering mätningen genom att klicka på "Start" -knappen.
  5. I "Välj eller ange kommandot" i "COM4" testpanel, typ "SM, 500, -10 n" och klicka på "Query" -knappen. Observera polarisationstillståndet på polarimeter.
  6. Upprepa steg 2,5 så många gånger som krävs för att täcka hela skalan av vinklar som tillåts av intrakavitetsapplikatorn PSC. Observera att polarisationstillståndet varierar mycket smidigt med vinkeln förutom vid specifika vinklar där ml uppnås såsom kan ses genom att titta samtidigt bredden på det optiska spektrumet på OSA.
  7. Upprepa steg från 2,3 till 2,6, men den här gången, i stället för att bara titta på polarisationstillståndet, registrera värdena för Stokes parametrar S 1, S 2 och S 3 som funktions från vinkeln på PSC (Figur 6). För att se dessa värden klart, välj "Mät- → Oscilloscope" i menyn av programvaran och leta efter medelvärdena för S 1, S 2 och S 3. Samtidigt titta på optiska spektrumet och registrera vinklar som lasern ML.

3. Konfigurera en återkopplingsslinga för att automatisera Anpassning av PSC Använda Kommersiella polarimeter Mätningar

  1. Stäng av datorn.
  2. Anslut den seriella porten på den kommersiella polarimeter till den seriella porten "COM1" på datorn. Starta om datorn och polarimeter.
  3. Starta det grafiska programspråket gränssnitt (GPLI) som kommer att möjliggöra läsningen av polarimetern via "COM1" och styrningen av den motoriserade PSC via "COM4".
  4. I GPLI, klicka på "Blank VI". Välj sedan "Fönster →Kakel vänster och höger ".
    OBS: Skärmen kommer sedan att delas upp i två delar. Blockdiagrammet visas till höger. Den används för att skapa skript med olika funktioner i samband med olika ikoner. Frontpanelen visas till vänster. Den används för att visa kommandon och mätningarna när skriptet körs.
  5. I blockdiagramsfönstret av GPLI, utveckla en ML automatisering skript för att användas med den kommersiella polarimeter (se figur 7).
    OBS: Detta skript läser S 1 från polarimeter och använder sitt värde att ge feedback och nå korrekt inriktning av PSC vinkel leder till ML. Detekteringen av ML uppnås genom att söka efter en diskontinuitet i variationen av S 1 när vinkeln varieras.
    OBS! Kommandon som används för att styra PSC via "COM4" är desamma som de som presenterats i steg 2,3 och 2,5. Kommandot för att läsa S 1
  6. Spara skriptet genom att klicka på "File → Save" och sedan köra den genom att klicka på "→" -knappen. PSC förs tillbaka till dess mekaniska stopp, då den roterar i steg om ca 1 ° till dess att ML nås, visar värdet av S ett som den utvecklas.

4. Att bygga en rudimentär hemlagad Polarization Analyzer

  1. Anslut ett oscilloskop till datorn med hjälp av GPIB-gränssnittet.
  2. Sätt en polariserande stråldelare kub (PBS) på en optikbänk.
  3. Inrätta tre FC / APC fiberoptik hamn kollimatorer med PBS (Figur 8).
    OBS: En av portarna är ingången. De andra två är utgångarna för x- och y-polariseringskomponenterna i signalen.
  4. Ansluta en fiber pigtailed InGaAs PIN-fotodiod till den första utgången.
  5. Anslut fotodiod till en trans-impedaiou krets (Figur 9).
  6. Anslut den elektriska utsignalen hos kretsen till kanal 1 av oscilloskopet.
  7. Slå på trans impedans krets.
  8. I GPLI, läsa medelvärdet av spänningen på kanal 1 av oscilloskopet via GPIB-anslutning med hjälp av kommandona "MEASU: IMM: SOU CH1;" att välja kanal ett av oscilloskopet "MEASU: IMM: TYP medelvärde;" att definiera mätningen att vara en medelspänning "MEASU: IMM: VAL" att få värdet och slutligen "MEASU: IMM: UNI?" för erhållande av de enheter av mätningen. Spara skriptet genom att klicka på "File → Save" och sedan köra den genom att klicka på "→" -knappen.
  9. Ansluta utgången 1% av lasern vid ingångsporten av PBS och slå lasern på vid en godtycklig pumpeffekt. Detta sänder en 1550 nm optisk signal till ingången.
  10. Mäta den genomsnittliga spänningen vid den första utgången. Sedan koppla bort fiber pigtailed fotodiod och ersättadet av en kommersiell kraft-mätare. Mät den optiska effekten vid denna utgång.
  11. Upprepa steg 4,10 medan variera kraften i optiska insignalen. Spänningen bör variera linjärt med den optiska effekten. Hitta koefficienterna i denna linjärt samband.
    OBS: Detta förhållande kommer att användas i steg 4,20 för att erhålla P x från den uppmätta spänningen.
  12. Ansluta en andra fiber pigtailed InGaAs PIN-fotodiod till den andra utgången av PBS.
  13. Ansluter fotodioden till en andra trans-impedanskrets.
  14. Anslut den elektriska utsignalen hos kretsen till kanal 2 av oscilloskopet.
  15. Slå på trans impedans krets.
  16. I GPLI, läsa det genomsnittliga värdet av spänningen på kanal 2 av oscilloskopet via GPIB-anslutning genom att använda kommandona "MEASU: IMM: SOU CH2;" att välja kanal 2 av oscilloskopet "MEASU: IMM: TYP medelvärde;" att definiera mätningen att vara en medelspänning "MEASU: IMM: VAL?4; att få värdet och slutligen "MEASU: IMM: UNI?" för erhållande av de enheter av mätningen. Spara skriptet genom att klicka på "File → Save" och sedan köra den genom att klicka på "→" -knappen.
  17. Vrid lasern vid en godtycklig pumpeffekt.
  18. Mäta den genomsnittliga spänningen vid den andra utgången. Sedan koppla bort fiber pigtailed fotodiod och ersätta den med en kommersiell kraft-mätare. Mät den optiska effekten vid denna utgång.
  19. Upprepa steg 4,18 medan variera kraften i optiska insignalen. Se till att spänningen varierar linjärt med den optiska effekten.
    OBS: Hitta koefficienterna i denna linjärt samband. Detta förhållande kommer att användas i steg 4,20 för att erhålla P y från den uppmätta spänningen.
  20. När du har installerat andra detektor för att mäta P y använder GPLI att beräkna första Stokes parametern S 1 definieras som S 1 = ( x - P y) / (P x + P y). Hemlagad rudimentära polarisationsanalysator är nu klar att använda.

5. Byte av kommersiella polarimeter av hemlagad Polarisering Analyzer i Automation Process

  1. Anslut utgången 1% av lasern till hemlagad polarisationsanalysator ingång (som gjordes i steg 4,9).
  2. Mät den första Stokes parametern S 1 som en funktion av vinkeln på PSC (Figur 10) genom att upprepa steg 2,7 med användning av den hemgjorda polarisationsanalysator (i stället för den kommersiella polarimeter). Observera S en graf automatiskt uppdateras vid varje steg. Observera diskontinuerligt hoppa av värdet på S 1 när ML inträffar (detta är fallet när du använder kommersiella polarimeter).
    OBS: Använd en GPLI skript för att utföra denna uppgift automattiskt. Detta skript är baserad på en slinga som varierar vinkeln på PSC i steg om 1 ° (med kommandot "SM, 500, -10 n" skickas till "COM4") och läser ut värdet av S 1 från hemlagad polarisationsanalysator vid varje steg.
  3. Ändra script som utvecklats i 3,5 så att istället för att använda det värde som anges av den kommersiella polarimeter, blir det P x och Py från hemlagad polarisationsanalysator och sedan beräknar S 1 = (P x P y) / (P x + P y).
  4. Använda det nya skriptet baserat på hemlagad polarisationsanalysator till ml lasern automatiskt på ett sätt liknande steg 3,6.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

NPR modlåsta fiberlasrar är kända för att ge en stor variation av puls regimer som Q-switchade pulser 10, sammanhängande ML pulser, brusliknande pulser bundna tillstånd av ML pulser, harmoniska ML och komplexa strukturer att interagera ML pulser 11. I lasern som beskrivs här, efter dubbelbrytningen av PSC fastställdes att kunna få ml, pumpeffekten justeras för att vara relativt nära tröskeln för en enstaka puls ML. Därigenom har antalet konkurrerande regimer reduceras till ett minimum. Vid denna pumpeffekt och beroende på vinkeln på PSC presenterade laser olika system (Figur 5) men ingen flerpulsregim. Brusliknande pulser 12,13 undveks på grund av pre-justering av hålrums fibrer som hölls fastställas en gång standard enda ML puls hittades. I själva verket är cavity design nog viktigt i det avseendet också men denna aspekt undersöktes inte ordentligt here. Följaktligen är de enda kvarvarande regimerna var kontinuerlig våg utsläpp (CW), Q-switchad emission och en stabil ML med en enda sammanhängande puls. I den kontinuerliga våg (CW) och Q-switchade regimer, smala linjer (1 nm eller så, ibland begränsas av det optiska spektrumanalysator upplösning) ses. Dessa spektra är att jämföra med det breda spektrum av ML regim med en halvvärdesbredd av storleksordningen 30 nm eller ännu mer. På den snabba fotodiod, visar CW nästan inga variationer, Q-koppling visar ett pulståg med en repetitionshastighet av storleksordningen några mikrosekunder (3,5 ^ sek här) och ML visas som en mycket snabbare pulståg med en repetitionsfrekvens som ett fåtal tiotals nanosekunder (12,2 NSEC här) som motsvarar den retur tiden för laserkaviteten. När en autokorrelationsspår används, visar endast ML regimen närvaron av pulser på grund av att Q-switchade regimen alstrar pulser som har en mycket längre tid och en mycket lägre toppeffekt. Autokorrelations tracei ML regimen visar en enda topp med en bredd på 156 fsec från vilken vi dra slutsatsen att endast en enda koherent ML puls är närvarande med en FWHM varaktighet nära till 100 fsec (110 fsec under antagande av en Gauss-pulsform och 101 fsec under antagande hyperbolisk sekant kvadrerad pulsform).

Mätningen av Stokes parametrar som en funktion av vinkeln av intrakavitetsapplikatorn PSC (Figur 6) gav ett typiskt resultat som förväntat i teorin 7. Lägg märke till att varje Stokes parameter ändras abrupt när ML nås. Följaktligen kan en mätning av endast en av dem, säger S 1, krävs för att upptäcka ML. Notera att en diskontinuitet i värdet av en given parameter som inte sammanfaller med stabil ML ibland observeras. I själva verket kan lasern ibland nå en instabil regim där det skiftar verkligen snabbt mellan CW, Q-switchad och ML regimer på ett kaotiskt sätt. I dessa situationer, värdets av Stokes parametrar kan variera kraftigt i tid. Dessa variationer uppträder som felstaplar på grafen. Det kan ses att variationerna är viktigare i vissa regioner än andra. Men i de stabila ML regimer variationerna är riktigt små. Detta tyder på att den tidsmässiga variationen av Stokes parametrar kan användas som ett komplement kriterium för att kontrollera om ML verkligen uppnåtts eller inte efter en diskontinuerlig hopp har upptäckts.

Den tidigare analysen leder till slutsatsen att automatiseringen av lasern kan baseras på sökandet efter en diskontinuitet av en given Stokes parameter. S 1 valdes här. Variationen i S 1 som är definierad som en "diskontinuitet" är a priori godtycklig. Baserat på mätningarna (figur 6), har det visat sig att S ett varierar vanligtvis genom steg mindre än 0,1 somvinkeln varieras genom 1 °. Det enda undantaget är när ML nås där det varierar med 0,6. Det var därför beslutat att fastställa tröskeln för diskontinuitet till 0,3. Förfarandet automation presenteras här (Figur 7) är baserad på det villkoret. Lasern får inte vara i en ML tillstånd när rutinen börjar annars rutin stannar när diskontinuiteten leder från ML till CW kommer att hittas och lasern kommer att hamna avger CW. Denna begränsning är inte problematiskt eftersom det område vinklar ger ML är liten jämfört med hela skalan av PSC. Det är således lätt att placera PSC med en vinkel verkligen långt från ML när rutinen är inkopplad. Här var PSC kommit till dess minsta vinkel där ett mekaniskt stopp hindrar den från att röra sig ytterligare. I detta läge lasern var inte ML. Under dessa betingelser fungerar rutinen riktigt bra. Den finner ML inom några minuter. I detta fall är hastigheten oftast begränsad av kommunikationstiden som krävs mellan den kommersiella polarimeter och datorn som vinkeln sveps.

När den mäts med hemlagad polarisationsanalysator (Figur 10), är kurvan för S 1 som en funktion av vinkeln hos den PSC som skiljer sig från den kurva som mäts med den kommersiella polarimeter (Figur 6). Detta beror på det faktum att de x- och y-axlarna för båda instrumenten inte nödvändigtvis sammanfaller. Emellertid är den abrupta övergången i S 1 när ML nås tydligt ses i båda fallen. I själva verket, beteendet hos S 1, S 2 och S 3 mätt med det kommersiella polarimeter visade att de tre parametrarna inte genomgå samma diskontinuitet när ML uppnåddes. Det tyder på att en förändring i orienteringen av den polariserande stråluppdelaren eller ekvivalent, insättningen av en manuell PSC strax före polarization analysatorn kan bidra till att göra övergången mer abrupt och lättare att upptäcka. I själva verket är det precis vad som hände här, är lättare att se med hemlagad polarisationsanalysator eftersom den manuella PSC justerades för att göra övergången visas tydligare övergång till ML. Proceduren automation är då lättare att uppnå.

Automatiseringen med hemlagad polarisationsanalysator fungerar riktigt bra. ML hittas inom några minuter. I själva verket, eftersom avläsningarna av fotodiodspänningar är snabbare än de läsningar av kommersiella polarimeter utför hemlagad polarisationsanalysator bättre.

Figur 1
Figur 1:. ML baserat på icke-linjär polarisation rotation Signalen först linjärt polariseras av polarisatorn och sedan omvandlas till en elliptisk polarisationstillstånd av the PSC. På grund av den Kerr olinjäritet av fibern i laserkaviteten, undergår polariserings ellips en rotation av sin huvudaxel som är proportionell mot signalens ström. Eftersom polarisatorn i slutet överför endast den vertikala komponenten av polarisationen, kommer överföringen beror på strömmen av signalen och skulle kunna gynna bildandet av en puls från buller om PSC vinkeln är rätt justerad. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2:. Position för polarisationsanalysator För en given medeleffekt, kommer en puls att ha en toppeffekt större än en signal med kontinuerlig våg (CW) och kommer att genomgå en större icke-linjär polarisation rotation. Genom att placera analysatorn strax före polarisatorn, diskriminering mellan polarisationstillstånden kommer att tillåta detektering av närvaron av en puls i kaviteten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3:. Fiber laser ring kavitet Lasern måste vara en ring hålrum inklusive single-mode optiska fibrer (blå), en förstärkning fiber (grön), en isolator, en polarisator, en PSC justeras genom ett datorgränssnitt. Utgången kopplare måste placeras strax före polarisatorn. Slutligen, är 1% av utsignalen utnyttjas för att övervaka tillståndet för polarisering av signalen och 99% av utsignalen förblir tillgänglig. Polarisationen analysator ger en återkoppling till en styrslinga programmeras i en dator som justerar vinkeln för det motoriserade PSC (ljusröd) via en elektrisk kabel (svart).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4:. En motordriven fiberpress PSC Dubbelbrytningen av PSC fastställs av trycket av skruvarna till vänster. Vinkeln för PSC justeras med den elektroniskt styrda motorn som är till höger. Elkabeln ansluter systemet till ett datorgränssnitt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: Upptäcka ML med en optisk spektrumanalysator Olika regimer lasern observeras på det optiska spektrumet.analysator till vänster, på en snabb fotodiod i mitten och på en autokorrelator till höger (i förekommande fall): kvasi-CW med multipla våglängder (blått), Q-switchad CW (grön) och ML (röd). Spektrumet i ML regimen är mycket bredare än de andra och dess avkippad autokorrelations spår visar en enda topp med FWHM av 156 fsec och en relativt smal piedestal. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6:. Värdet på Stokes parametrar som funktioner av PSC vinkel och ML regioner De blå kurvorna är det genomsnittliga värdet för varje Stokes parameter under 5 mätt vid intervaller av 0,2 sek för ett typiskt fall. Felstaplarna representerar standardavvikelsen för mätningarna och demonstrera stabiliteten hos laser för en given PSC vinkel. Som vinkeln till PSC är varierad, värdena på Stokes parametrar förändras på ett kontinuerligt sätt utom när ML nås (röda områden på figuren). I denna situation, deras värden genomgår en abrupt variation som kan användas för att detektera ML. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7:.. En rutin för att automatiskt anpassa PSC att få ML Detta flödesschema visar enkel rutin som används för att automatisera anpassningen av polarisationstillståndet controller (PSC) för att få ML Klicka här för att se en större version av denna siffra.

8 "src =" / filer / ftp_upload / 53.679 / 53679fig8.jpg "/>
Figur 8: Hemlagad polarisationsanalysator mätning S 1 En fri-utrymme polariserande stråldelaren delar upp x- och y-polariseringskomponenterna i signalen.. Dessa komponenter skickas separat till två fotodioder sålunda mäter krafter P x och Py i varje polarisation, gör det möjligt att beräkna den första Stokes parametern S 1 =. (P x - P y) / (P x + P y) Klicka här att se en större version av denna siffra.

figur 9
Figur 9: Trans-impedance förstärkarkrets för varje fotodiod. InGaAs fotodiod detekterar 1550 nm-signalen. Den är ansluten till en operationsförstärkare, ett motstånd och en kondensator. Rollen av kondensator är att minska bandbredden hos kretsen på så sätt minska risken för att få en elektrisk svängning från själva kretsen. Spänningsvärdet kommer att utjämnas av oscilloskopet som medelvärdet kommer att läsas från den och omvandlas till en optisk medeleffekt genom kalibrering med en kommersiell optisk effekt meter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10
Figur 10: Värdet av den första Stokes parametern som en funktion av PSC vinkeln med hemlagad polarisationsanalysator Beteendet hos S.1 visar den typiska abrupt övergång vid den vinkel där lasers når ML för ett typiskt fall. Detta sågs också med den kommersiella polarimeter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det har visats att det är möjligt att automatisera ML av NPR fiberringlasrar med hjälp av en återkopplingsloop baserad på utgångspolariseringsmätningar. För att förverkliga denna uppgift är det viktigt att sätta in en justerbar PSC i kaviteten. Utgångskopplaren av hålrummet skall vara placerad precis före polarisatorn för att kunna se en skillnad mellan polarisationstillståndet hos en CW-signal och en pulssignal (Figur 2). Dubbelbrytningen av PSC måste i förväg justeras så att ML kan hittas och pumpeffekten måste ställas in nära enda puls ML tröskeln för att få en enda puls i kaviteten och minimera antalet konkurrerande regimer som kan uppstå. Detta förklarar varför ML regimen hittas automatiskt genom att sopa vinkeln i en viss riktning var alltid densamma under försöket. Parametern mäts vid utgången för att upptäcka ML är S 1. Denna parameter ändras kontinuerligt som vinkel intrakavitetsapplikatorn PSC är swept. Det enda undantaget är när ML nås, värdet S 1 genomgår sedan en diskontinuitet. Möjligheten att göra små steg vinkel är viktigt här. Om stora inkrement används kan det bli svårt att särskilja mellan ett plötsligt hopp och en "normal" variation. Den lilla vinkelområde leder till ML kan också steg över utan att märka det. Den lilla inkrement säkerställer också att ML-tillstånds är alltid densamma, eftersom systemet inte faller någonstans i ML intervallet men alltid detektera kanten av denna region där pulserna alltid har samma optiska spektrumet. Detta är det enda självklara sättet att säkerställa repeterbarhet av förfarandet och parametrarna för pulser som genereras.

Förutsatt att de ovan nämnda kritiska punkterna har beaktats, är det möjligt att bygga en hemmagjord polarisationsanalysator som ger ett värde på S 1 och tillåta detektering och automatisering avML. Inställnings föreslås här bestod av en fri-utrymme polariserande stråldelare kub i kombination med två fotodioder. Ett alternativ skulle vara att använda ett fiberbaserat polarisationsstråldelare. Ingen anpassning skulle behövas och det skulle vara en all-fiber setup. Notera också att ett oscilloskop användes för att få spänningarna hos fotodiod för att kommunicera med den lätt via en GPIB-port. Användningen av en USB-voltmeter eller en hemmagjord elektronisk krets skulle kunna minska kostnaden för anordningen.

Tekniken som presenteras här är avsedd att arbeta för NPR fiber modlåsta lasrar. Om du vill använda det, måste man arbeta med en relativt stabil cavity design som var pre-justeras för att kunna få ML. Det faktum att endast en enda parameter varieras för att söka efter ML begränsar det generella i den teknik. Om kaviteten störs genom, till exempel, att införa en dubbelbrytning i fibrerna, kommer systemet att vara i stånd att kompensera och hitta ML när störningen är liten. However kommer PSC inte att kunna kompensera för en stor ändring av dubbelbrytningen hos kaviteten eftersom dess dubbelbrytning är fixerad 7. I den meningen kan denna teknik inte betraktas som allmän som den som presenteras i Hellwig et al. 3. Dessutom gör det enkla karakterisering av S 1 vid utgången används här i kombination med reglering av en unik PSC vinkel inte tillåta utforskning av alla de möjliga regimer av utsläpp av lasern såsom diskuteras av Andral et al. 6 till exempel. Dessutom presenterade ML detekteringstekniken här kan inte diskriminera mellan brusliknande pulser 11, sammanhängande ML pulser och flera pulser regimer. Pre-justering av hålrumsfibrer, pumpeffekten och PSC dubbelbrytning måste därför noggrant göras för att se till att enda sammanhängande ML pulser bildar i stället för brusliknande pulser eller flera pulser regimer.

Som nämndes iintroduktion finns andra ML mekanismer och vissa av dem inte kräver anpassning. De har alla en del fördelar och nackdelar. ML baserad på ickelinjära slinga speglar 14 kräver en extra längd av fiber i kaviteten och kanske inte lämpar sig för hög repetitionsfrekvens lasrar 15. ML baserat på mättningsbara absorbatorer speglar 16 kräver utformningen av anpassade speglar lämplig för den kraft och spektrala egenskaper hos lasern under övervägande. NPR ML Mekanismen är fortfarande den mest använda på grund av dess enkelhet, effektivitet och genomförande låg kostnad.

Automatiseringen av sin placering gör NPR en ännu mer intressant alternativ eftersom det nu kan användas i kommersiella system utan att kräva ingripande av användaren för att säkerställa ML inträffar. Tekniken för att automatisera sin placering som presenteras här är tillräckligt för att få ML under normala förhållanden och är enkel att genomföra. Det kräver några lågkostnadskomponenter och inga dyra instrment såsom en optisk spektrumanalysator eller en RF-spektrumanalyserare. Hålrummet konstruktion behöver inte ändras eftersom det bygger på utgång polariseringsmätningar. I själva verket är bara en bråkdel av produktionen utnyttjas för övervakning och den återstående delen kan användas för den pågående ansökan.

Med andra ord, inte lasern behöver inte kopplas ifrån för att gå vidare med inriktningsproceduren. För det andra är den erforderliga medeleffekten så liten att en övervaknings kran 1% är tillräcklig. Detta skall jämföras med ML detekteringsteknik som bygger på icke-linjära processer som andra -harmonic generation eller två-foton absorption som skulle kräva en betydligt större andel för övervakning ska vara effektiv. Slutligen, eftersom denna teknik kräver endast den första Stokes parametern S 1 som skall mätas, finns det inget behov av en fullständig karakterisering av polarisationstillståndet och detta gör systemet mycket enklare och billigare attkonstruera och bygga.

Denna teknik är väl lämpad för kommersiella fiberlasrar och med detta mål i åtanke, skulle kunna utvecklas ytterligare för att förbättra dess prestanda. Det ska bli intressant också att tillämpa den på fiberlasrar vid olika våglängder. Här användes det i en erbiumdopad fiberlaser, men det är lätt att överföra till ytterbium-dopade fiberlasrar eftersom all den nödvändiga utrustningen är lätt tillgänglig. Det kan bli svårare för lasrar som arbetar vid icke-konventionella våglängder men det är verkligen möjligt. Fler tester krävs för att verifiera dess tillämpbarhet till olika spridningsregimer såsom Soliton laser, den sträckta pulslaser, den similariton lasern och avledande soliton laser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgements

Författarna vill tacka Christian Olivier och Philippe Chrétien för värdefull hjälp om elektronik, Éric Girard på Giga Concept Inc. för stöd med den motoriserade polarisering controller, professor Réal Vallée för lån på kommersiella polarimeter och professor Michel Piche för många givande diskussioner .

Detta arbete stöddes av Fonds de recherche du Québec - Nature et teknik (FRQNT), naturvetenskap och teknisk forskning Council of Canada (NSERC) och Kanada sommarjobb.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hofer, M., Fermann, M. E., Haberl, F., Ober, M. H., Schmidt, A. J. Mode locking with cross-phase and selfphase modulation. Opt. Lett. 16, (7), 502-504 (1991).
  2. Haus, H. A., Ippen, E. P., Tamura, K. Additive-pulse modelocking in fiber lasers. IEEE J. Quantum Electron. 30, (1), 200-208 (1994).
  3. Hellwig, T., Walbaum, T., Groß, P., Fallnich, C. Automated characterization and alignment of passively mode-locked fiber lasers based on nonlinear polarization rotation. Appl. Phys. B. 101, (3), 565-570 (2010).
  4. Radnatarov, D., Khripunov, S., Kobtsev, S., Ivanenko, A., Kukarin, S. Automatic electronic-controlled mode locking self-start in fibre lasers with non-linear polarization evolution. Opt. Express. 21, (18), 20626-20631 (2013).
  5. Shen, X., Li, W., Yan, M., Zeng, H. Electronic control of nonlinear-polarization-rotation mode locking in Yb-doped fiber lasers. Opt. Lett. 37, (16), 3426-3428 (2012).
  6. Andral, U., Si Fodil, R., Amrani, F., Billard, F., Hertz, E., Grelu, P. Fiber laser mode locked through an evolutionary algorithm. Optica. 2, (4), 275-278 (2015).
  7. Olivier, M., Gagnon, M. D., Piché, M. Automated mode locking in nonlinear polarization rotation fiber lasers by detection of a discontinuous jump in the polarization state. Opt. Express. 23, (5), 6738-6746 (2015).
  8. Ulrich, R., Simon, A. Polarization optics of twisted single-mode fibers. Appl. Opt. 18, (13), 2241-2251 (1979).
  9. Chong, A., Logan, L. R., Wise, F. Ultrafast fiber lasers based on self-similar pulse evolution: a review of current progress. Rep. Prog. Phys. 78, (11), 113901 (2015).
  10. Komarov, A., Leblond, H., Sanchez, F. Theoretical analysis of the operating regime of a passively-mode-locked fiber laser through nonlinear polarization rotation. Phys. Rev. A. 72, 063811 (2005).
  11. Kobtsev, S., Smirnov, S., Kukarin, S., Turitsyn, S. Mode-locked fiber lasers with significant variability of generation regimes. Optical Fiber Technology. 20, (6), 615-620 (2014).
  12. Kobtsev, S., Kukarin, S., Smirnov, S., Turitsyn, S., Latkin, A. Generation of double-scale femto/pico-second optical lumps in mode-locked fiber lasers. Opt. Express. 17, (23), 20707-20713 (2009).
  13. Churkin, D. V., Sugavanam, S., Tarasov, N., Khorev, S., Smirnov, S. V., Kobtsev, S. M., Turitsyn, S. K. Stochasticity periodicity and localized light structures in partially mode-locked fibre lasers. Nat. Commun. 6, 7004 (2015).
  14. Duling, I. N. III, Chen, C. J., Wai, P. K. A., Menyuk, C. R. Operation of a nonlinear loop mirror in a laser cavity. IEEE J. Quantum Electron. 30, (1), 194-199 (1994).
  15. Krempzek, K., Grzegorz, S., Kaczmarek, P., Abramski, K. M. A sub-100 fs stretched-pulse 205 MHz repetition rate passively mode-locked Er doped all-fiber laser. Laser Phys. Lett. 10, 105103 (2013).
  16. Shtyrina, O., Fedoruk, M., Turitsyn, S., Herda, R., Okhotnikov, O. Evolution and stability of pulse regimes in SESAM-mode-locked femtosecond fiber lasers. J. Opt. Soc. Am. B. 26, (2), 346-352 (2009).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats