Automatisering van Mode Locking in een lineaire Polarisatie Rotatie Fiber Laser tot Uitvoer Polarisatie Metingen

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

Wanneer een laser geblokkeerde modus zendt een trein van ultrakorte pulsen met een herhalingsfrequentie wordt bepaald door de laser holtelengte. Dit artikel beschrijft een nieuwe en goedkope procedure tot stand vergrendelende kracht in een vooraf ingestelde lineaire polarisatiedraaiing vezellaser. Deze procedure is gebaseerd op de detectie van een plotselinge verandering in de output polarisatietoestand bij wijze vergrendeling optreedt. Deze verandering wordt gebruikt om de uitlijning van het binnenholtetoedienorgaan polarisatie controller opdracht om mode locking jasje. Meer specifiek is de waarde van de eerste parameter Stokes varieert wanneer de hoek van de polarisatie controller wordt geveegd en bovendien ondergaat een abrupte verandering zonder dat de laser gaat de modus vergrendelde toestand. Monitoring deze abrupte verandering een praktische eenvoudig te detecteren signaal dat kan worden gebruikt om de uitlijning van de polarisatie controller opdracht en drijven de laser richting modus vergrendeling. Deze controle wordt bereikt door het toevoeren van een klein deelvan het signaal naar een polarisatieanalysator meting Stokes de eerste parameter. Een plotselinge verandering in de uitgelezen deze parameter uit de analysator in werking wanneer de laser gaat de modus vergrendelde toestand. Op dit moment is de gewenste hoek van de polarisatie controller vast blijft. De uitlijning is voltooid. Deze procedure verschaft een alternatieve manier om bestaande automatiseren procedures apparatuur zoals een optische spectrumanalysator, een HF-spectrum analyser, een fotodiode verbonden met een elektronische puls-teller of een lineaire detectie regeling op basis van twee-foton absorptie of frequentieverdubbeling. Het is geschikt voor lasers stand vergrendeld door lineaire polarisatie draaien. Het is relatief eenvoudig te implementeren, vereist goedkope middelen, in het bijzonder bij een golflengte van 1550 nm, en het verlaagt de productie en exploitatie kosten in vergelijking met de bovengenoemde technieken.

Introduction

Het doel van dit artikel is om een ​​automatiseringssysteem alignment procedure tot stand vergrendeling (ML) in niet-lineaire polarisatie rotatie fiber lasers komen presenteren. Deze procedure is gebaseerd op twee essentiële stappen: detecteren van de ML regime door meting van de polarisatie van het uitgangssignaal van de laser en het opzetten van een zelf-start controlesysteem om ML te komen.

Fiber lasers hebben een belangrijk instrument in de optica tegenwoordig geworden. Ze zijn een efficiënte bron van coherente nabij-infrarood licht en ze nu uitstrekt in het midden-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum. Hun lage kosten en gebruiksgemak hebben ze maakte een aantrekkelijk alternatief voor andere bronnen van coherent licht, zoals solid-state lasers. Vezellasers Ook kunnen ultrakorte pulsen (100 FSEC of minder) wanneer een ML mechanisme de vezels holte wordt ingebracht. Er zijn vele manieren om dit mechanisme ML te ontwerpen, zoals niet-lineaire loop spiegels en verzadigbaar absorbers. Een daarvan, gebruikte fof zijn eenvoud, is niet-lineair polarisatiedraaiing (NPR) van het signaal 1,2. Het maakt gebruik van het feit dat de polarisatie-ellips van het signaal ondergaat een rotatie evenredig toenam naarmate hij zich voortplant in de vezels van de laserholte. Door een polarisator in de holte, het NPR leidt tot intensiteitsafhankelijke verliezen tijdens een rondreis van het signaal.

De laser kan vervolgens worden gedwongen ML door regeling van de polarisatietoestand. In feite zal de hoogvermogen gedeelten van het signaal worden onderworpen aan lagere verliezen (figuur 1) en dit leidt uiteindelijk tot de vorming van ultrakorte lichtpulsen wanneer de laser wordt ingeschakeld en gaat uit van een laagvermogen ruissignaal. Echter, het nadeel van deze methode is dat de polarisatietoestand controller (PSC) correct worden uitgelijnd ML krijgen. Gewoonlijk exploitant vindt de ML handmatig door het variëren van de positie van het PVC en analyseren van het uitgangssignaal van de laser met een snelle photodiode een optische spectrum analyser of een niet-lineair optisch autocorrelator. Zodra de emissie van pulsen wordt gedetecteerd, stopt de aandrijving variëren van de positie van het PVC omdat de laser ML. Uiteraard krijgen de laser self-start automatisch leidt tot een belangrijke winst in efficiëntie. Dit is vooral het geval wanneer de laser is onderhevig aan verstoringen wijziging van het tracé of de holte configuratie, omdat de exploitant moet opnieuw en opnieuw door de alignment procedure. In het afgelopen decennium zijn verschillende werkwijzen voorgesteld om deze automatisering. Hellwig et al. 3 gebruikte piëzo-elektrische squeezers polarisatie in combinatie bedienen met een volledige analyse van de polarisatietoestand van het signaal met een all-fiber-divisie van amplitude polarimeter ML detecteren. Radnarotov et al. 4 gebruikt liquid-crystal plaat PSC's met een analyse op basis van de RF-spectrum te ML detecteren. Shen et al. 5 gebruikt piëzo-elektrische Squeezerspolarisatie en een fotodiode / high-speed teller systeem ML detecteren beheersen. Recenter een strategie gebaseerd op een evolutionair algoritme gepresenteerd waarin de detectie wordt verschaft door een hoge-bandbreedte fotodiode in combinatie met een tweede-orde intensimetric autocorrelator en een optische spectrumanalysator. De controle wordt dan uitgevoerd met twee elektrisch aangedreven PSC binnenin de holte 6.

Dit artikel beschrijft een innovatieve manier van opsporen ML en de toepassing ervan op een automatiseringssysteem techniek waardoor de fiber laser ML. De detectie van ML van de laser wordt bereikt door te analyseren hoe de uitvoer polarisatietoestand van het signaal varieert de hoek van de PSC wordt geveegd. Zoals zal worden aangetoond, wordt de overgang naar ML wijst op een plotselinge verandering in de polarisatietoestand gedetecteerd door het meten van een van de Stokes parameters van het uitgangssignaal. Dat is een puls intenser dan een CW-signaal en een belangrijkere NPR exp ondergaanLains deze verandering. Aangezien de uitgang van de laser direct geplaatst voor de polarisator in de holte, de polarisatietoestand van een puls op deze locatie verschilt van de polarisatietoestand van een CW-signaal (figuur 2) en wordt gebruikt om de toestand ML discrimineren. Theoretische aspecten van deze procedure en de eerste experimentele toepassing werden in Olivier et al. 7. In dit artikel zal de nadruk liggen op de technische aspecten van de procedure, de beperkingen en de voordelen ervan.

Deze techniek is relatief eenvoudig uit te voeren en vereist geen geavanceerde meetinstrumenten de ML toestand detecteren en automatiseren van de uitlijning van de laser ML krijgen. Een PSC instelbaar extern via een programmeerbare interface nodig. Verschillende PSC kunnen worden gebruikt in principe: piëzo-elektrische squeezers, vloeibaar kristal, wave-platen geroteerd door een motor, magneto-optische kristallen of gemotoriseerde alle vezels PSC geban knijpen en verdraaien van de vezel 8. In dit artikel wordt deze gebruikt, all-fiber gemotoriseerde Yao-type PSC. De polarisatietoestand een dure commerciële polarimeter kan worden gedetecteerd. Omdat slechts de waarde van de eerste parameter Stokes vereist, een polariserende bundelsplitser in combinatie met twee fotodiodes voldoende zijn zoals in dit artikel.

Al deze componenten zijn goedkoop voor de veelgebruikte erbium gedoopte fiber lasers. Een terugkoppellus basis van deze procedure ML vinden in enkele minuten. Deze reactietijd is geschikt voor de meeste toepassingen van vezellasers en is vergelijkbaar met de andere technieken. In feite is de responstijd beperkt door de elektronica die de polarisatie van het signaal te analyseren. Tot slot, hoewel bovenstaande werkwijze wordt toegepast op een similariton 9 erbium gedoopte fiber laser, kan worden zodra gebruikt voor NPR gebaseerd vezellaser zoals de bovengenoemde machine zijn equivalent beschikbaar is bij de golflengte van belang.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Opzetten van een Fiber ML Fiber Laser Inclusief een Gemotoriseerde PSC

  1. Verzamel de volgende componenten: een single-mode-erbium gedoteerde vezel, een 980/1550 nm wavelength division multiplexer (WDM), een 980/1550 nm WDM-1550 nm isolator hybride component, een 50/50 vezel koppelaar, een vezel polarisator, een gemotoriseerde PSC, twee 980 nm laser pomp diodes, een 99/1 vezel koppelaar en een handleiding inline PSC.
  2. Snijd de erbium-gedoteerde glasvezel en alle andere fiber-pigtailed componenten aan te passen met de gewenste cavity ontwerp.
    NB: De gepresenteerde automatisering procedure is geschikt voor fiber lasers op basis van niet-lineaire polarisatie rotatie. Het zou moeten werken voor verschillende operationele regimes zoals de soliton laser, de uitgerekte puls laser, de verdwijnende soliton laser en de similariton laser. De laatste regeling wordt gebruikt in dit experiment.
  3. Om de laser holte op te bouwen, gebruik dan een vezel fusie splicer aan de holte componenten mee in de aangegeven in het diagram (figuur 3 order </ Strong>). Voor het uitvoeren van elke fusie splice, het reinigen van de vezels eindigt met isopropylalcohol en klieven ze met een vezelmes.
    OPMERKING: De interne componenten van de laser zijn de klok mee in de ring holte, een gemotoriseerde PSC, een 980/1550 nm WDM, een met erbium gedoteerde vezel, een 980/1550 nm WDM isolator hybride component, een 50/50 uitgang koppeling en een vezel polarisator. De externe componenten zijn een 99/1 vezel koppelaar en een handmatige inline PSC (zoals in stappen 1,7 en 1,8).
    OPMERKING: Een vezelsegment van ongeveer 30 cm moet de gemotoriseerde PSC toegevoegd voor het lassen wordt uitgevoerd met de andere componenten van de holte. Hoewel een standaard single-mode fiber werkt, wordt het gebruik van polyimide beklede vezels aanbevolen voor dit segment omdat het beter bestand is tegen de druk van de schroeven van de controller en zal dus langer duren.
  4. Doe mee aan de pomp laser diodes de WDMS met behulp van de fusie splicer. Nogmaals, het reinigen van de vezels eindigt met isopropyl alin alcohol en klieven ze met een vezelmes voordat elke fusie splice.
  5. Sluit de laserdiodes aan hun respectieve temperatuurregelaars en de huidige drivers.
  6. Sluit de intra-cavity gemotoriseerde Yao-type fiber-knijper PSC (figuur 4) aan zijn rij-module en sluit vervolgens de rij-module aan op de USB-poort van een computer.
    LET OP: Deze poort wordt aangeduid met nummer "COM4" zoals weergegeven in de "Device Manager" van de computer.
  7. Aan de uitgang van de laser, dat wil zeggen de poort 50/50 koppeling is nog niet gesplitst, splitsen een koppelaar 99/1.
    NB: De 99% poort is de bruikbare output. De 1% poort wordt gebruikt om de polarisatietoestand in de automatisering procedure volgen.
  8. Plaats een handleiding PSC langs de vezels van de 1% poort. Om dit te doen, verwijder de schroeven en open de PSC. Steek de vezel in de juiste sleuf en zet de schroeven terug in hun gaten en schroef ze in.
  9. Splice een hoek gepolijste fiber connector (APC) aan het einde van de 1% poort vezel (na handmatige PVC). Schoon en klieven de vezels eindigt voordat het uitvoeren van de fusie splice.
  10. Sluit de 99% opbrengst met een optische spectrumanalysator (OSA) met een blote glasvezel adapter.
    OPMERKING: Zoals later besproken, zal de optische spectrum te zien op de OSA een alternatieve manier om te controleren of de laser ML bieden.
  11. Verzeker alle vezels en de componenten in de holte correct mee polyimide filmband.
    LET OP: De vezels en componenten moeten worden voorkomen dat het verplaatsen van onder alle omstandigheden, zoals wanneer de tafel trilt of ventilatoren blazen lucht. De polyimide tape wordt gebruikt om beschadiging van de vezels.
  12. Draai de druk schroeven van de intra-cavity PSC totdat de vezel begint te licht worden geperst.
  13. Schakel de pomp lasers diodes en de stromingen passen aan hun maximale waarden zoals gespecificeerd door de fabrikant laserdiode.
  14. Start het instrument communicatie-interface. In de "Peripherals en Interface "kolom aan de linkerkant, kies" COM4 ". Klik op" Open VISA testpanel ". Klik op" Input / Output ". Dan, in" Selecteer of typ opdracht "type" SM, 500,3000 n " en klik op de knop "Query". Dit commando's het PVC om te draaien met 3.000 stappen van 0,1125 ° met de klok mee. Terwijl u dit doet, de PSC bereikt een mechanische stop.
  15. In de "Selecteer of typ bevel" van de "COM4" test panel, type "SM, 500, -10 n" en klik op de knop "Query". Het PVC draait dan ongeveer 1 ° tegen de klok in. Controleer of ML wordt bereikt door te kijken naar de optische spectrum op de OSA. ML wordt bereikt wanneer de volledige breedte op halve hoogte van het optische spectrum van de orde van enkele tientallen nanometers (figuur 5). Als ML wordt bereikt, houdt de dubbele breking en de vaste hoek en ga naar stap 1.18.
  16. Als ML niet wordt bereikt, herhaal 1.15 totdat ML of de maximale hoek Attainable met de PSC is bereikt.
  17. Als de maximale hoek van de PSC wordt bereikt voordat ML optreedt, verhoging van de dubbele breking van de PSC door iets aandraaien van de druk schroeven en herhaal de stappen 1.14, 1.15 en 1.16 zo vaak als nodig is om ML krijgen.
  18. Zodra ML is bereikt, verminderen de pomp bevoegdheden om hun minimale waarde waardoor ML zelf-start. Om dit te doen, het verminderen van de pomp bevoegdheden tot ML is verloren. Dan, breng ze langzaam terug in de richting van de kleinste waarde die ervoor zorgt dat de ML verschijnen. Schakel de pomp uit en weer aan en controleer of de laser-modus sloten door zelf. Verhoog de pomp bevoegdheden iets te zorgen voor de ML stabiel en zelf-start telkens wanneer de laser wordt ingeschakeld.

2. Het analyseren van de polarisatie van het uitgangssignaal

  1. Koppel de 1% kraan naar een commerciële polarimeter.
  2. Sluit de polarimeter op de computer met een USB-poort.
  3. In de "Selecteer of typ bevel" van de "COM4" test panel, tyPE "SM, 500,3000 n" en klik op de knop "Query".
  4. Voer de commerciële polarimeter beheersen van software en start de polarisatie meting door te klikken op de knop "Start".
  5. In de "Selecteer of typ bevel" van de "COM4" test panel, type "SM, 500, -10 n" en klik op de knop "Query". Let op de polarisatietoestand van de polarimeter.
  6. Herhaal stap 2,5 zo vaak als nodig is om het hele bereik van hoeken toegestaan ​​door de binnenholtetoedienorgaan PSC dekken. Op dat de polarisatietoestand varieert zeer gelijkmatig aan de hoek behalve aan de specifieke hoeken waarin ML bereikt zoals blijkt door gelijktijdig kijken naar de breedte van het optische spectrum van de OSA.
  7. Herhaal stap 2,3-2,6 maar deze keer, in plaats van alleen kijken naar de polarisatietoestand, noteer de waarden van de Stokes parameters S 1, S2 en S3 als functies de hoek van het PVC (figuur 6). Om deze waarden duidelijk te zien, kies "Meet- → Oscilloscoop" in het menu van de software en kijk voor de gemiddelde waarden van S1, S2 en S3. Tegelijkertijd kijken naar de optische spectrum en de hoeken waarvoor de laser ML opnemen.

3. Opzetten van een terugkoppellus om de uitlijning van de PSC automatiseren met behulp van de Commercial polarimeter Metingen

  1. Zet de computer uit.
  2. Sluit de seriële poort van de commerciële polarimeter op de seriële poort "COM1" van de computer. Herstart de computer en de polarimeter.
  3. Start de grafische programmeertaal interface (GPLI) dat het lezen van de polarimeter via "COM1" en de controle van de gemotoriseerde PSC via "COM4" zal toestaan.
  4. In de GPLI, klik op "Blank VI". Selecteer vervolgens "Window →Tegel links en rechts ".
    NB: Het scherm zal dan worden verdeeld in twee delen. Het blokschema wordt getoond aan de rechterkant. Het wordt gebruikt om het script met verschillende functies geassocieerd met verschillende iconen. Het frontpaneel wordt weergegeven aan de linkerkant. Het wordt gebruikt om de opdrachten en de afmetingen wanneer het script wordt uitgevoerd geven.
  5. In het blokschema raam van de GPLI ontwikkelen een ML script hiertoe gebruik met commerciële polarimeter (zie figuur 7).
    LET OP: Dit script leest S 1 van de polarimeter en maakt gebruik van zijn waarde om feedback te geven en te bereiken van de juiste uitlijning van de PSC hoek leidt tot ML. De detectie van ML wordt bereikt door te zoeken naar een discontinuïteit in de variatie van S 1 als de hoek wordt gevarieerd.
    Opmerking: Het commando gebruikt om het PVC te bedienen via "COM4" zijn dezelfde als die welke zijn uiteengezet in stappen 2,3 en 2,5. Het commando om te lezen S 1
  6. Sla het script door te klikken op "File → Save" en start het daarna door te klikken op de "→" toets. De PSC is terug naar zijn mechanische aanslag gebracht, dan is het draaien met stappen van ongeveer 1 ° tot ML is bereikt, waarin de waarde van S 1 zoals het evolueert.

4. Het bouwen van een rudimentaire Homemade Polarisatie Analyzer

  1. Sluit een oscilloscoop aan op de computer met behulp van de GPIB interface.
  2. Zet een polariserende straaldelerkubus (PBS) op een optische bank.
  3. Opgezet drie FC / APC fiber optics poort collimatoren met PBS (Figuur 8).
    OPMERKING: Eén van de havens is de input. De andere twee zijn de uitgangen voor de x- en y-polarisatie componenten van het signaal.
  4. Sluit een fiber-pigtailed InGaAs PIN fotodiode om de eerste uitgang.
  5. Sluit de fotodiode een trans-impedance schakeling (figuur 9).
  6. Sluit de elektrische uitgang van de schakeling op kanaal 1 van de oscilloscoop.
  7. Schakel de trans-impedantie circuit.
  8. In de GPLI, lees de gemiddelde waarde van de spanning op kanaal 1 van de oscilloscoop via de GPIB aansluiting met behulp van de commando's "measu: IMM: SOU ch1;" kanaal 1 van de oscilloscoop te selecteren, "measu: IMM: TYPE gemiddelde;" het meten definiëren een gemiddelde spanning, worden ": IMM: measu? VAL ' om de waarde te krijgen en tot slot "measu: IMM: UNI? ' de eenheden van de meting te verkrijgen. Sla het script door te klikken op "File → Save" en start het daarna door te klikken op de "→" toets.
  9. Sluit de 1% output van de laser op de ingangspoort van de PBS en zet de laser op een willekeurig pompvermogen. Dit gaf een 1550 nm optische signaal aan de ingang.
  10. Meet de gemiddelde spanning aan de eerste uitgang. Vervolgens koppelt u de fiber-pigtailed fotodiode en vervangdoor een commercieel power-meter. Meet de optische vermogen bij deze uitgang.
  11. Herhaal stap 4,10 onder variatie van de kracht van het optisch ingangssignaal. De spanning moet lineair variëren met de optisch vermogen. Zoek de coëfficiënten van deze lineair verband.
    LET OP: Deze relatie zal in stap 4.20 worden gebruikt om P x te verkrijgen van de gemeten spanning.
  12. Sluit een tweede vezel-pigtailed InGaAs PIN fotodiode met de tweede uitgang van de PBS.
  13. Sluit de fotodiode om een ​​tweede trans-impedantie circuit.
  14. Sluit de elektrische uitgang van de schakeling op kanaal 2 van de oscilloscoop.
  15. Schakel de trans-impedantie circuit.
  16. In de GPLI, lees de gemiddelde waarde van de spanning op kanaal 2 van de oscilloscoop via de GPIB aansluiting met behulp van de commando's "measu: IMM: SOU ch2;" kanaal 2 van de oscilloscoop te selecteren, "measu: IMM: TYPE gemiddelde;" het meten definiëren een gemiddelde spanning, "measu zijn: IMM VAL?4; om de waarde te krijgen en tot slot "measu: IMM: UNI? ' de eenheden van de meting te verkrijgen. Sla het script door te klikken op "File → Save" en start het daarna door te klikken op de "→" toets.
  17. Draai de laser op een willekeurig pompvermogen.
  18. Meet de gemiddelde spanning aan de tweede uitgang. Vervolgens koppelt u de fiber-pigtailed fotodiode en te vervangen door een commerciële power-meter. Meet de optische vermogen bij deze uitgang.
  19. Herhaal stap 4,18 onder variatie van de kracht van het optisch ingangssignaal. Zorg ervoor dat de spanning lineair varieert met de optisch vermogen.
    OPMERKING: Zoek de coëfficiënten van deze lineair verband. Deze relatie wordt in stap 4,20 tot Py verkrijgen van de gemeten spanning.
  20. Na het opzetten van de tweede detector P y te meten, gebruikt u de GPLI om de eerste Stokes parameter S 1 gedefinieerd als S 1 = berekenen ( x - P y) / (P x + P y). De zelfgemaakte rudimentaire polarisatie analyser is nu klaar voor gebruik.

5. Het vervangen van de Commercial polarimeter door de Homemade Polarisatie Analyzer in de Automatisering

  1. Sluit de 1% output van de laser om de zelfgemaakte polarisatieanalysator ingang (zoals bij stap 4,9).
  2. Meet de eerste Stokes parameter S 1 als functie van de hoek van de PSC (figuur 10) door het herhalen van stap 2.7 met de zelfgemaakte polarisatieanalysator (in plaats van de commerciële polarimeter). Let op de S 1 grafiek automatisch updaten bij elke stap. Zich aan een discontinue sprong in de waarde van S 1 wanneer ML optreedt (dit is het geval bij gebruik van de commerciële polarimeter).
    LET OP: Gebruik een GPLI script om deze taak uit te voeren automattisch. Dit script is gebaseerd op een lus die de hoek van de PSC verschilt per stappen van 1 ° (met de opdracht "SM, 500, -10 n" naar "COM4") en leest de waarde van S 1 van de zelfgemaakte polarisatieanalysator bij elke stap.
  3. Het script ontwikkeld in 3,5 zodat, in plaats van de waarde gegeven door de commerciële polarimeter wijzigen, wordt het Px en Py de zelfgemaakte polarisatieanalysator en berekent dan S 1 = (P x P y) / (Px + Py).
  4. Met het nieuwe script op basis van de zelfgemaakte polarisatieanalysator de laser automatisch ml in een wijze zoals in stap 3,6.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

NPR modusvergrendelde fiber lasers is bekend dat een groot aantal pulsen regimes als Q-geschakelde pulsen 10, coherente ML pulsen, ruisachtige pulsen, gebonden toestanden van ML pulsen, harmonisch ML en complexe structuren interactie ML pulsen 11 leveren. In de hier beschreven laser, na de dubbele breking van de PSC vastgesteld kunnen ML krijgen, werd de pompkracht toe die relatief dichtbij de drempel van enkele puls ML. Daarbij het aantal concurrerende regimes werd geminimaliseerd. Dit pompvermogen en afhankelijk van de hoek van het PVC, de laser gepresenteerd verschillende regimes (figuur 5) maar geen multipuls regime. Ruisachtige pulsen 12,13 vermeden door de voorinstelling van de holle vezels die vast werden gehouden eenmaal bij een standaard ML puls gevonden. In feite is de cavity ontwerp is waarschijnlijk belangrijk in dat opzicht ook, maar dit aspect werd niet grondig onderzocht hEre. Bijgevolg is de enige overgebleven regimes waren continue-wave emissie (CW), Q-switched emissie en een stabiele ML met één samenhangend puls. In de continue-wave (CW) en Q-switched regimes, smalle lijnen (1 nm of zo, soms beperkt door het spectrum analyzer resolutie optische) worden gezien. Deze spectra worden vergeleken met het brede spectrum van de ML regime met een breedte op halve hoogte in de orde van 30 nm of meer. Op het snelle fotodiode, CW toont bijna geen schommelingen, Q-switch toont een puls trein met een herhalingssnelheid van de orde van enkele microseconden (3,5 usec hier) en ML verschijnt als een veel snellere puls trein met een herhalingssnelheid van een paar tientallen nanoseconden (12,2 nsec hier) gevonden volgens de retourtijd van de laserholte. Wanneer een autocorrelatie spoor wordt gebruikt, alleen de ML regime toont de aanwezigheid van pulsen omdat de Q-geschakelde regime genereert pulsen die een veel langere duur en veel lager piekvermogen hebben. De autocorrelatie tracein de ML regime toont een enkele piek met een breedte van 156 FSEC waaruit we afleiden dat slechts één coherente ML puls aanwezig met een FWHM duur dichtbij 100 FSEC is (110 FSEC uitgaande van een Gauss pulsvorm en 101 FSEC uitgaande hyperbolische secans kwadraat pulsvorm).

De meting van de Stokes parameters als functie van de hoek van het binnenholtetoedienorgaan PSC (figuur 6) leverde een typisch resultaat zoals verwacht in theorie 7. Merk op dat elke Stokes parameter verandert abrupt wanneer ML is bereikt. Bijgevolg is een meting van slechts één van hen, zeg S 1, moet ML detecteren. Merk op dat een discontinuïteit in de waarde van een parameter die niet samenvalt met stabiele ML soms waargenomen. In feite zou de laser soms tot een instabiel regime waar het verschuift heel snel tussen CW, Q-switched en ML regimes in een chaotische manier. In deze situaties, de waardes van de Stokes parameters kan sterk variëren in de tijd. Deze variaties verschijnen als fout bars op de grafiek. Te zien is dat de verschillen belangrijker zijn in sommige gebieden dan anderen. In de stal ML regimes variaties zijn erg klein. Dit suggereert dat de temporele variatie van de Stokes parameters kan worden gebruikt als een aanvullend criterium te verifiëren of ML werkelijk wordt bereikt indien na een discontinue sprong is gedetecteerd.

De voorgaande analyse leidt tot de conclusie dat de automatisering van de laser kan worden gebaseerd op het zoeken naar een discontinuïteit van een gegeven parameter Stokes. S 1 is hier gekozen. De variatie van S 1 die is gedefinieerd als een "discontinuïteit" is a priori willekeurig. Op basis van de metingen (figuur 6), blijkt dat S 1 varieert gewoonlijk door stappen kleiner dan 0,1 alsDe hoek wordt gevarieerd door 1 °. De enige uitzondering is wanneer ML wordt bereikt, waar het varieert van 0,6. Daarom werd besloten om de drempel van discontinuïteit vast te stellen tot 0,3. De automatisering procedure hier gepresenteerde (figuur 7) is gebaseerd op die voorwaarde. De laser mag niet in een ML conditie als de routine verder gaat de routine stopt wanneer de discontinuïteit leidt van ML CW wordt gevonden en de laser zal uiteindelijk emitterende CW. Deze beperking is niet problematisch, omdat het bereik van de hoeken geven ML is klein in vergelijking met het volledige gamma van de PSC. Het is dus gemakkelijk om het PVC te positioneren onder een hoek erg ver van ML wanneer de routine wordt ingeschakeld. Hier werd het PVC om de minimale hoek waar een mechanisch stop voorkomt dat het verder bewegen gebracht. Op deze positie, de laser niet ML. Onder deze omstandigheden, de routine werkt echt goed. Het vindt ML binnen een paar minuten. In dit geval wordt de snelheid meestal beperkt door de communicatietijd nodig tussen de commerciële polarimeter en de computer als de hoek wordt geveegd.

Gemeten met de zelfgemaakte polarisatieanalysator (figuur 10), de curve van S 1 als functie van de hoek van de PSC verschilt van de curve gemeten met de commerciële polarimeter (figuur 6). Dit komt door het feit dat de x- en y-assen van beide instrumenten niet noodzakelijk samen. Echter, de abrupte overgang in S 1 wanneer ml bereikt duidelijk te zien in beide gevallen. In feite is het gedrag van S 1, S2 en S3, gemeten met de commerciële polarimeter toonde dat de drie parameters niet dezelfde discontinuïteit ondergingen toen ml bereikt. Het suggereert dat een verandering in de oriëntatie van de polariserende bundelsplitser of, equivalent, het inbrengen van een handmatige PSC vlak voor de polarization analysator kan helpen bij de overgang meer abrupt en beter detecteerbaar. In feite is dit precies wat hier is gebeurd, de overgang naar ML beter zichtbaar en de zelfgemaakte polarisatieanalysator omdat de handleiding PSC werd op de overgang duidelijker weergegeven. Automatisering werkwijze is dan gemakkelijker.

De automatisering met de zelfgemaakte polarisatie-analysator werkt echt goed. ML wordt gevonden binnen een paar minuten. In feite, omdat de metingen van de fotodiode spanningen sneller dan de metingen van de commerciële polarimeter, de zelfgemaakte polarisatieanalysator beter presteert.

Figuur 1
Figuur 1:. ML niet-lineair polarisatiedraaiing Het signaal wordt eerst lineair gepolariseerd door de polarisator en dan omgezet in een elliptische polarisatietoestand door The PSC. Door de Kerr-lineariteit van de vezel in de laserholte, de polarisatie-ellips ondergaat een rotatie van de hoofdas evenredig vermogen van het signaal. Aangezien de polarisator aan het einde zendt alleen de verticale component van de polarisatie, zal de transmissie afhankelijk van het vermogen van het signaal, kan de vorming van een puls van lawaai voordeel indien het PVC hoek correcte instelling. Klik hier om een vergroting versie van deze figuur.

figuur 2
Figuur 2:. Standpunt van de polarisatieanalysator Voor een gegeven gemiddeld vermogen, zal een puls een piekvermogen groter dan een continue golf (CW) signaal en een grotere lineaire polarisatie draaiing ondergaan. Door het zo analysator net vóór de polarisator, onderscheid tussen de polarisatie toestanden zal detectie van de aanwezigheid van een puls in de holte mogelijk te maken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3:. De vezel laser cavity ring De laser moet ring holte zoals single-mode optische vezels (blauw), een versterking vezel (groen), een isolator, een polarisator, een PSC instelbaar via een computer interface. De uitgangskoppelaar moet zich net voor de polarisator. Tenslotte wordt 1% van het uitgangssignaal getikt om de polarisatietoestand van het signaal en 99% van het uitgangssignaal te controleren beschikbaar blijft. De polarisatieanalysator feedback aan een regellus geprogrammeerd in een computer die de hoek van de gemotoriseerde PSC (licht rood) regelt via een elektrische kabel (zwart).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4:. Een gemotoriseerde fiber-squeezer PSC De dubbele breking van het PVC wordt vastgesteld door de druk van de schroeven links. De hoek van de PSC is ingesteld met de elektronisch gestuurde motor, die is aan de rechterkant. De elektrische kabel verbindt het systeem naar een computer interface. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: opsporen ML met een optische spectrumanalysator verschillende regimes van de laser waargenomen op het optische spectrum.analyzer links, op een snelle fotodiode in het midden en een autocorrelator rechts (indien van toepassing): quasi-CW met meerdere golflengten (blauw), Q-geschakelde CW (groen) en ML (rood). Het spectrum in de ML regime is veel breder dan de anderen en haar dechirped autocorrelatie trace toont een enkele piek met FWHM van 156 FSEC en een relatief smalle voetstuk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6:. De waarde van de Stokes parameters als functie van de PSC hoek ML regio De blauwe curven van de gemiddelde waarde van elke parameter Stokes dan 5 metingen met intervallen van 0,2 seconden voor een typisch geval. De foutbalken geven de standaardafwijking van de metingen en demonstreren de stabiliteit van de laser voor een bepaalde PSC hoek. Als de hoek van het PVC is gevarieerd, de waarden van de Stokes parameters veranderen op een continue wijze tenzij ml bereikt (rode gebieden op de figuur). In deze situatie, hun waarden ondergaan een abrupte variatie die kan worden gebruikt om de ML te detecteren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7:.. Een routine om het PVC ML krijgen automatisch uitlijnen Dit stroomschema toont de eenvoudige routine gebruikt om de uitlijning van de polarisatietoestand controller (PVC) ML krijgen automatiseren Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

8 "src =" / files / ftp_upload / 53679 / 53679fig8.jpg "/>
Figuur 8: Zelf polarisatieanalysator meting S 1 A vrijeruimtegebieden polariserende bundelsplitser splitst de x- en y-polarisatie componenten van het signaal.. Deze componenten worden apart verzonden naar twee fotodiodes dus het meten van de krachten P x en P y in elke polarisatie, het mogelijk maakt om de eerste Stokes parameter S 1 = berekenen. (P x - P y) / (P x + P y) Klik hier voor een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 9
Figuur 9: Trans-Impedantie versterkerschakeling voor elke fotodiode. De InGaAs fotodiode detecteert het 1550 nm-signaal. Het is verbonden met een operationele versterker, een weerstand en een condensator. De rol van de condensator is om de bandbreedte van het circuit waardoor het risico op een elektrische oscillatie van het circuit zelf verminderen verminderen. De spanning waarde zal door de oscilloscoop worden gemiddeld als de gemiddelde waarde wordt gelezen uit het en omgetoverd tot een optische gemiddeld vermogen door middel van kalibratie met een commerciële optische power-meter. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 10
Figuur 10: De waarde van de eerste Stokes als functie van de PSC hoek met de zelfgemaakte polarisatieanalysator Het gedrag van S.1 toont de typische abrupte overgang in de hoek waar de laser bereikt ML voor een typisch geval. Dit werd ook gezien met de commerciële polarimeter. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het is aangetoond dat het mogelijk is de ML van NPR vezels ringlasers automatiseren met een terugkoppellus op output polarisatiemetingen. Om deze taak te realiseren is het cruciaal om een ​​verstelbare PSC in de holte in te voegen. De uitgangskoppelaar van de holte moet zich net vóór de polarisator om een verschil tussen de polarisatietoestand van een CW signaal en een pulssignaal (Afbeelding 2) zien. De dubbele breking van de PSC moet vooraf worden ingesteld dat ML te vinden en het pompvermogen worden ingesteld nabij enkele puls ML de drempel om een ​​afzonderlijke puls in de holte komen en het aantal concurrerende regimes die kunnen optreden minimaliseren. Dit verklaart waarom de ML regeling automatisch door het vegen van de hoek in een bepaalde richting is altijd dezelfde tijdens het experiment gevonden. De parameter gemeten aan de uitgang ML detecteren S 1. Deze parameter continu verandert als de hoek van het binnenholtetoedienorgaan PSC swept. De enige uitzondering hierop is wanneer ML wordt bereikt, wordt de waarde van S 1 ondergaat vervolgens een discontinuïteit. De mogelijkheid om stappen van kleine hoek maken, is hier belangrijk. Als grote stappen worden gebruikt kan het moeilijk onderscheid te maken tussen een plotselinge sprong en een "normale" variation. De kleine reeks van hoeken die leiden tot ML kan ook meer dan worden opgevoerd zonder het te merken. De kleine uitbreiding verzekert ook dat de ML toestand altijd hetzelfde omdat het systeem niet overal in de ML bereik valt, maar altijd de rand van het gebied waar de pulsen altijd dezelfde optische spectrum te detecteren. Dit is de enige duidelijke manier om de herhaalbaarheid van de procedure en de parameters van pulsen.

Aannemende dat de bovengenoemde kritische punten werden gebruikt, is het mogelijk om een zelfgemaakte polarisatieanalysator met de waarde S1 bepaalt bouwen en laat de detectie en automatisering van deML. De hier voorgestelde opstelling bestond uit een vrije ruimte polariserende bundelsplitser kubus in combinatie met twee fotodiodes. Een alternatief zou zijn om een ​​op vezels gebaseerde polarisatiebundelsplitser gebruiken. Geen aanpassing nodig zou zijn en het zou een all-vezel setup. Merk ook op dat een oscilloscoop gebruikt om de spanningen van de fotodiodes krijgen om gemakkelijk te kunnen communiceren via een GPIB poort. Het gebruik van een USB voltmeter of een zelfgemaakte elektronische schakeling kunnen de kosten van de inrichting te verminderen.

De hier gepresenteerde techniek is bedoeld om te werken voor NPR fiber-modus vergrendeld lasers. Toe te passen, moet men werken met een relatief stabiele cavity, die werd vooraf ingesteld kunnen ML krijgen. Het feit dat slechts één parameter gevarieerd om te zoeken naar ML beperkt de algemeenheid van de techniek. Indien de holte wordt verstoord door bijvoorbeeld inbrengen van een dubbele breking in de vezels, zal het systeem kunnen compenseren en te ML wanneer de storing klein is. HHof toevoegde, de PSC zal niet in staat om te compenseren voor een grote wijziging van de dubbele breking van de holte, omdat de dubbele breking is vast 7. In die zin kan deze techniek niet worden beschouwd als algemene als degene die in Hellwig et al. 3. Ook is de eenvoudige karakterisering van S1 aan de uitgang hier gebruikt in combinatie met een regeling van een unieke PSC hoek niet verkenning van alle mogelijke regimes van emissie van de laser mogelijk zoals besproken door Andral et al. 6 bijvoorbeeld. Bovendien is de ML detectietechniek gepresenteerd hier kan geen onderscheid maken tussen noise-achtige pulsen 11, coherent ML peulvruchten en multiple-pulsen regimes. De pre-aanpassing van de holte vezels, het pompvermogen en het PVC dubbele breking moet dus zorgvuldig worden gedaan om ervoor te zorgen dat één samenhangend ML impulsen zal vormen in plaats van noise-achtige pulsen of meerdere pulsen regimes.

Zoals vermeld in deinleiding, andere ML mechanismen bestaan ​​en een aantal van hen niet afstemming nodig. Ze hebben allemaal een aantal voor- en nadelen. ML op basis van niet-lineaire loop spiegels 14 vergt een extra lengte van de vezels in de holte en misschien niet geschikt voor high-herhalingsfrequentie lasers 15 zijn. ML gebaseerd op verzadigbaar absorbers weerspiegelt 16 vereist het ontwerp van aangepaste geschikt is voor de kracht en de spectrale eigenschappen van de laser in kwestie weerspiegelt. De NPR ML mechanisme is nog steeds de meest algemeen gebruikt vanwege zijn eenvoud, de effectiviteit en uitvoering goedkoop.

Het automatiseren van zijn opstelling maakt een NPR helemaal interessant omdat het nu kan worden gebruikt in commerciële systemen zonder tussenkomst van de gebruiker te garanderen ML optreedt. De techniek om de afstelling te automatiseren hier wordt gepresenteerd is voldoende om ML krijgen in normale omstandigheden en is eenvoudig te implementeren. Het vereist een paar componenten tegen lage kosten en geen dure instrmenten zoals een optische spectrum analyser of een HF-spectrum analyser. De holte ontwerp niet te worden gewijzigd aangezien het berust op uitgang polarisatiemetingen. In feite is slechts een fractie van de output afgetapt bewaken en het resterende deel kan worden gebruikt voor de verdere applicatie.

Met andere woorden, de laser niet te worden losgekoppeld te gaan met de uitlijningsprocedure. Ten tweede, de vereiste gemiddelde vermogen is zo klein dat een 1% controle tap voldoende. Dit is in contrast met ML detectietechnieken gebaseerd op niet-lineaire processen zoals -harmonic tweede generatie of twee-foton absorptie die een significant grotere fractie van de controle zou vereisen efficiënt. Tenslotte, aangezien deze techniek is alleen de eerste Stokes parameter S 1 te meten, is het niet nodig voor een volledige karakterisering van de polarisatietoestand en dit maakt het systeem veel eenvoudiger en goedkoperontwerpen en bouwen.

Deze techniek is zeer geschikt voor commerciële fiber lasers en, met dat doel in het achterhoofd, kunnen verder worden ontwikkeld om de prestaties te verbeteren. Het zal interessant ook toe te passen op vezellasers bij verschillende golflengten. Hier werd gebruikt in een erbium gedoteerde vezellaser maar het kan gemakkelijk worden overgedragen naar ytterbium gedoteerde fiber lasers aangezien alle benodigde apparatuur beschikbaar. Het zou meer uitdagend voor lasers werkend met onconventionele golflengtes maar zeker haalbaar. Meer onderzoek nodig is om de toepasbaarheid op verschillende dispersie regimes te controleren, zoals de soliton laser, de uitgerekte puls laser, de similariton laser en de dissipatieve soliton laser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

De auteurs willen graag Christian Olivier en Philippe Chrétien bedanken voor waardevolle hulp met betrekking tot elektronica, Éric Girard bij GiGa Concept Inc. voor ondersteuning bij de gemotoriseerde polarisatie controller, professor Réal Vallée voor de lening van de commerciële polarimeter en professor Michel Piché voor vele vruchtbare discussies .

Dit werk werd ondersteund door het Fonds de recherche du Québec - Nature et technologieën (FRQNT), het Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada (NSERC) en Canada 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.

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