Automatización de modo de bloqueo de rotación en un láser de fibra no lineal de polarización a través de mediciones de polarización de salida

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

Cuando un láser es de modo bloqueado, emite un tren de pulsos ultracortos a una tasa de repetición determinada por la longitud de la cavidad láser. En este artículo se describe un procedimiento nuevo y de bajo costo para forzar el modo de bloqueo en una polarización lineal láser de fibra giro pre-ajustado. Este procedimiento se basa en la detección de un cambio repentino en el estado de polarización de salida cuando se produce el modo de bloqueo. Este cambio se usa para comandar la alineación del controlador de polarización intra-cavidad a fin de encontrar condiciones del modo de bloqueo. Más específicamente, el valor del primer parámetro Stokes varía cuando se barre el ángulo del controlador de polarización y, por otra parte, se somete a una variación brusca cuando el láser entra en el estado de modo bloqueado. Monitoreo de esta variación brusca proporciona una señal práctica fácil de detectar que se puede utilizar para ordenar la alineación del controlador de polarización y conducir el láser hacia bloqueo de modo. Esta supervisión se consigue mediante la alimentación de una pequeña partede la señal a un analizador de polarización de medición del primer parámetro Stokes. Un cambio repentino en la lectura de este parámetro desde el analizador se producirá cuando el láser entra en el estado de modo bloqueado. En este momento, el ángulo requerido del controlador de polarización se mantiene fija. La alineación se ha completado. Este procedimiento proporciona una forma alternativa a los procedimientos de Automatización existentes que utilizan equipos tales como un analizador de espectro óptico, un analizador de espectro de RF, un fotodiodo conectado a un pulso-contador electrónico o un esquema de detección no lineal basado en la absorción de dos fotones o segunda generación de armónicos. Es adecuado para el modo de láser bloqueado por rotación de la polarización no lineal. Es relativamente fácil de implementar, requiere medios baratos, especialmente a una longitud de onda de 1550 nm, y reduce los costos de producción y operación incurridos en comparación con las técnicas antes mencionadas.

Introduction

El propósito de este artículo es presentar un procedimiento de alineación para conseguir la automatización de bloqueo de modo (ML) en la polarización no lineal láseres de fibra rotación. Este procedimiento se basa en dos pasos esenciales: detectar el régimen ML mediante la medición de la polarización de la señal de salida del láser, y luego poner en marcha un sistema de control de auto-arranque para llegar a ML.

Los láseres de fibra se han convertido en una herramienta importante en la óptica de hoy en día. Son una fuente eficiente de la luz del infrarrojo cercano coherente y que ahora se extiende dentro de la porción media del infrarrojo del espectro electromagnético. Su bajo costo y facilidad de uso que han hecho una atractiva alternativa a otras fuentes de luz coherente como el láser de estado sólido. Los láseres de fibra también pueden proporcionar pulsos ultracortos (100 fs o menos) cuando se inserta un mecanismo de ML en la cavidad de la fibra. Hay muchas maneras de diseñar este mecanismo ML tales como espejos de bucle no lineales y absorbentes saturables. Una de ellas, f ampliamente utilizadoo su simplicidad, se basa en rotación de la polarización no lineal (NPR) de la señal de 1,2. Se utiliza el hecho de que la elipse de polarización de la señal se somete a una rotación proporcional a su intensidad a medida que se propaga en las fibras de la cavidad láser. Mediante la inserción de un polarizador en la cavidad, este NPR conduce a pérdidas dependen de la intensidad durante una ida y vuelta de la señal.

El láser puede entonces ser forzado a ML mediante el control del estado de polarización. Efectivamente, las porciones de alta potencia de la señal serán sometidos a menores pérdidas (Figura 1) y esto llevará finalmente a la formación de pulsos ultracortos de luz cuando el láser se enciende y comienza a partir de una señal con ruido de baja potencia. Sin embargo, el inconveniente de este método es que el controlador de estado de polarización (PSC) debe alinearse correctamente para obtener ML. Por lo general, un operador encuentra el ML manualmente mediante la variación de la posición del PSC y el análisis de la señal de salida del láser con un rápido photodiode, un analizador de espectro óptico o un auto-correlador óptico no lineal. Tan pronto como se detecta la emisión de pulsos, el operador deja de variar la posición del PSC desde el láser es ML. Obviamente conseguir el láser para autoencendido conduce automáticamente a una ganancia importante en la eficiencia. Esto es especialmente cierto cuando el láser está sujeta a las perturbaciones que cambian la alineación o la configuración de la cavidad ya que el operador tiene que pasar por el procedimiento de alineación y otra vez. En la última década, se han propuesto diferentes métodos para lograr esta automatización. Hellwig y col. 3 utilizadas exprimidores piezoeléctricos para controlar la polarización en combinación con un análisis completo del estado de polarización de la señal con un polarímetro totalmente de fibra óptica de división de amplitud para detectar ML. Radnarotov et al. 4 utilizadas PSC placa de cristal líquido con un análisis basado en el espectro de RF para detectar ML. Shen et al. 5 utilizadas exprimidores piezoeléctricospara controlar la polarización y un sistema contador de fotodiodo / de alta velocidad para detectar ML. Más recientemente, se presentó una estrategia basada en un algoritmo evolutivo en el que la detección es proporcionada por un fotodiodo de gran ancho de banda en combinación con un autocorrelador de segundo orden intensimetric y un analizador de espectro óptico. El control se realiza a continuación, con dos PSCs accionados electrónicamente dentro de la cavidad 6.

En este artículo se describe una forma innovadora de detección de lavado de dinero y su aplicación a una técnica de automatización obligando al láser de fibra de ML. La detección de ML del láser se consigue mediante el análisis de cómo el estado de polarización de salida de la señal varía como se barre el ángulo de la PSC. Como se mostrará, la transición a ML se asocia con un cambio repentino en el estado de polarización detectable mediante la medición de uno de los parámetros de Stokes de la señal de salida. El hecho de que un pulso es más intenso que una señal de CW y se someterá a un exp NPR más importanteLains este cambio. Puesto que la salida del láser se encuentra inmediatamente antes de la polarizador en la cavidad, el estado de polarización de un pulso en este lugar es diferente del estado de polarización de una señal de CW (figura 2) y se utiliza para discriminar el estado ML. Aspectos teóricos de este procedimiento y su primera aplicación experimental se presentan en Olivier et al. 7. En este artículo, se hará hincapié en los aspectos técnicos del procedimiento, sus limitaciones y sus ventajas.

Esta técnica es relativamente simple de implementar y no requiere instrumentos de medición sofisticados para detectar el estado de ML y automatizar la alineación del láser para conseguir ML. Se necesita un PSC ajustable desde el exterior a través de una interfaz programable. Diferentes PSCs podrían utilizarse en principio: exprimidores piezoeléctricos, de cristal líquido, onda placas girar por un motor, cristales magneto-ópticos o una motorizado o totalmente de fibra óptica basado PSCn apretando y girando la fibra 8. En este artículo, se utiliza este último, una motorizada totalmente de fibra óptica de tipo Yao PSC. Para detectar el estado de polarización un costoso polarímetro comercial se puede utilizar. Sin embargo, puesto que se requiere sólo el valor del primer parámetro Stokes, un divisor de haz polarizante en combinación con dos fotodiodos será suficiente, como se muestra en este artículo.

Todos estos componentes son de bajo costo para los láseres de fibra dopada con erbio ampliamente usados. Un circuito de retroalimentación basado en este procedimiento puede encontrar ML en unos pocos minutos. Este tiempo de respuesta es adecuado para la mayoría de aplicaciones de los láseres de fibra y es comparable a las otras técnicas existentes. De hecho, el tiempo de respuesta está limitado por la electrónica que se utilizan para analizar la polarización de la señal. Por último, aunque el procedimiento se aplica aquí para un láser de fibra dopada con erbio similariton 9, que podría ser utilizado para cualquier láser de fibra basado NPR tan pronto como el equipo mencionado anteriormente o sus equivalenciadett se convierte en disponible en la longitud de onda de interés.

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Protocol

1. Configuración de un láser de fibra ML Fibra La inclusión de una PSC motorizado

  1. Reunir los siguientes componentes: una fibra dopada con erbio de modo único, un 980 / 1.550 nm de longitud de onda división multiplexor (WDM), una WDM-1550 nm aislador componente híbrido 980 / 1.550 nm, un acoplador 50/50 de fibra, un polarizador fibra, un PSC motorizado, dos diodos de bombeo láser 980 nm, un acoplador de fibra de 99/1 y un PSC en línea manual.
  2. Cortar la fibra dopada con erbio y todos los demás componentes de la fibra de la trenza-para encajar con el diseño de la cavidad deseada.
    NOTA: El procedimiento de automatización presentado es adecuado para los láseres de fibra a base de rotación de la polarización no lineal. Se debe trabajar para diferentes regímenes de funcionamiento, tales como el láser solitón, el láser de pulso-estirado, el láser de solitones disipativos y el láser similariton. Este último régimen se utiliza en este experimento.
  3. Para construir la cavidad láser, use un empalmador de fusión de la fibra para unirse a los componentes de la cavidad en el orden que se muestra en el diagrama (Figura 3 </ Strong>). Antes de realizar cada empalme de la fusión, las fibras limpias termina con alcohol isopropílico y se escinden con una cuchilla de fibra.
    NOTA: Los componentes internos del láser son, en orden a la derecha en la cavidad de anillo, un PSC motorizado, un WDM nm 980 / 1.550, una fibra dopada con erbio, un componente híbrido WDM aislador 980 / 1.550 nm, una salida de 50/50 acoplador y un polarizador fibra. Los componentes externos son un acoplador de fibra y una 99/1 PSC inline manual (como se discute en los pasos 1.7 y 1.8).
    NOTA: Un segmento de fibra de aproximadamente 30 cm se debe insertar en el PSC motorizado antes de que los empalmes se realizan con los otros componentes de la cavidad. A pesar de una fibra monomodo estándar va a funcionar, se recomienda el uso de fibra de poliamida-revestido de este segmento, ya que es más resistente a la presión ejercida por los tornillos del controlador y por lo tanto va a durar más tiempo.
  4. Unirse a los diodos láser de bombeo a los WDM utilizando el empalmador de fusión. Una vez más, las fibras limpias termina con isopropílico alCohol y cortarlos con un cuchillo de fibra antes de realizar cada empalme de la fusión.
  5. Conectar los diodos láser a sus respectivos controladores de temperatura y controladores actuales.
  6. Conectar el interior de la cavidad motorizados de tipo Yao fibra exprimidor de PSC (Figura 4) a su módulo de conducción y luego conectar el módulo de conducción al puerto USB de un ordenador.
    NOTA: Este puerto se identifica por el número "COM4" como se muestra en el "Administrador de dispositivos" de la computadora.
  7. En la salida del láser, es decir, el puerto de la 50/50 de acoplador no empalmado, sin embargo, empalmar un acoplador 99/1.
    NOTA: El puerto 99% es la salida utilizable. El puerto 1% se utiliza para supervisar el estado de polarización en el procedimiento de automatización.
  8. Insertar un manual de PSC largo de la fibra del puerto 1%. Para ello, quitar los tornillos y abra el PSC. Inserte la fibra en la ranura correspondiente y luego poner los tornillos en sus agujeros y atornillar en.
  9. Empalmar una fibra co-ángulo de pulidonnector (APC) en el extremo de la fibra puerto 1% (después de que el PSC manual). Limpia y escindir las fibras termina antes de realizar el empalme de la fusión.
  10. Conectar la salida de un 99% a un analizador de espectro óptico (OSA), utilizando un adaptador de fibra desnuda.
    Nota: Como se verá más adelante, el espectro óptico visto en la OSA proporcionará una forma alternativa de comprobar si el láser es ML.
  11. Asegure todas las fibras y los componentes en la cavidad correctamente con cinta de la película de poliimida.
    NOTA: Las fibras y los componentes deben ser impedidos de moverse en todas las condiciones, tales como cuando la mesa vibra o ventiladores soplan aire. La cinta de película de poliamida se utiliza con el fin de evitar daños en las fibras.
  12. Apriete los tornillos de presión del PSC dentro de la cavidad hasta que la fibra comienza a ser un poco apretado.
  13. Encienda los diodos láseres de bombeo y ajustar sus corrientes a sus valores máximos especificados por el fabricante del diodo láser.
  14. Iniciar la interfaz de comunicación de instrumentos. En el "Peripherals y la interfaz "la columna de la izquierda, elija" COM4 ". Haga clic en" Abrir panel de prueba VISA ". Haga clic en" Entrada / Salida ". A continuación, en" Seleccione o introduzca "tipo" de comandos de SM, 500,3000 n " y haga clic en el botón "consulta". Este ordena al PSC para girar en 3.000 pasos de 0,1125 ° en el sentido horario. al hacerlo, el PSC llega a un tope mecánico.
  15. En el cuadro "Seleccione o introduzca el comando" de la "COM4" panel de ensayo, tipo "SM, 500, -10 n" y haga clic en el botón "Consulta". El PSC gira entonces alrededor de 1 ° a la izquierda. Compruebe si ML se alcanza al ver el espectro óptico en la OSA. ML se alcanza cuando la anchura total a la mitad del máximo del espectro óptico es del orden de unas pocas decenas de nanómetros (Figura 5). Si se llega a ML, mantener la birrefringencia y el ángulo fijo y vaya al paso 1.18.
  16. Si no se alcanza ML, repetir hasta que o bien 1.15 ML o el ángulo máximo Attainable con el PSC se alcanza.
  17. Si se alcanza el ángulo máximo del PSC antes de que ocurra ML, aumentar la birrefringencia del PSC apretando los tornillos de presión ligeramente y repita los pasos de 1,14, 1,15 y 1,16 tantas veces como sea necesario para obtener ML.
  18. Una vez que se alcanza ML, disminuir las potencias de bombeo a su valor mínimo que permita ML de autoencendido. Para ello, reducir los poderes de la bomba hasta que se pierde ML. Entonces, traerlos de vuelta lentamente hacia el valor más pequeño que hará que el ML reaparecer. A su vez las bombas y vuelva a encenderla de nuevo y comprobar si las cerraduras modo láser por sí mismo. Aumentar las potencias de bombeo ligeramente más para asegurar la ML es estable y se auto-iniciar cada vez que el láser está encendido.

2. El análisis de la polarización de la señal de salida

  1. Vincular el grifo 1% a un polarímetro comercial.
  2. Conectar el polarímetro al ordenador mediante un puerto USB.
  3. En el cuadro "Seleccione o introduzca el comando" del panel de ensayo "COM4", tyPE "SM, 500,3000 n" y haga clic en el botón "Consulta".
  4. Ejecutar el software comercial polarímetro control e inicie la medición de polarización haciendo clic en el botón "Inicio".
  5. En el cuadro "Seleccione o introduzca el comando" de la "COM4" panel de ensayo, tipo "SM, 500, -10 n" y haga clic en el botón "Consulta". Observar el estado de polarización en el polarímetro.
  6. Repita el paso 2.5 tantas veces como sea necesario para cubrir toda la gama de ángulos permitidos por el PSC dentro de la cavidad. Observe que el estado de polarización varía muy suavemente con el ángulo excepto en los ángulos específicos donde ML se alcanza como se puede ver observando al mismo tiempo la anchura del espectro óptico en la OSA.
  7. Repita los pasos 2.3 a 2.6, pero esta vez, en lugar de simplemente observando el estado de polarización, registrar los valores de la Stokes parámetros S 1, S 2 y S 3 como funcións del ángulo de la PSC (Figura 6). Para ver estos valores claramente, elegir la opción "Medición- → osciloscopio" en el menú del software y buscar los valores medios de S 1, S 2 y S 3. Al mismo tiempo ver el espectro óptico y registrar los ángulos para los que el láser es ML.

3. Configuración de un circuito de realimentación para automatizar la alineación del PSC Usando las medidas comerciales Polarímetro

  1. Apaga la computadora.
  2. Conectar el puerto serie del polarímetro comercial al puerto serie "COM1" del ordenador. Reinicie el ordenador y el polarímetro.
  3. Iniciar la interfaz de lenguaje de programación gráfica (GPLI) que permitirá la lectura de un polarímetro a través de "COM1" y el control del PSC motorizado a través de "COM4".
  4. En el GPLI, haga clic en "VI en blanco". A continuación, seleccione "Ventana →Baldosas de izquierda y derecha ".
    NOTA: La pantalla se dividirá en dos partes. El diagrama de bloques se muestra a la derecha. Se utiliza para crear la secuencia de comandos con diferentes funciones asociadas con diferentes iconos. El panel frontal se muestra a la izquierda. Se utiliza para mostrar los comandos y las mediciones cuando el script se está ejecutando.
  5. En la ventana de diagrama de bloques de la GPLI, desarrollar una secuencia de comandos de automatización de ML para ser utilizado con el polarímetro comercial (véase la Figura 7).
    NOTA: Este script lee S 1 del polarímetro y utiliza su valor para proporcionar información y llegar a la alineación correcta del ángulo PSC lleva a ML. La detección de ML se consigue mediante la búsqueda de una discontinuidad en la variación de S 1 como el ángulo es variado.
    NOTA: Los comandos que se utilizan para controlar el PSC a través de "COM4" son los mismos que los que se presentan en los pasos 2.3 y 2.5. El comando para leer S 1
  6. Guarde el script haciendo clic en "Archivo → Guardar" y luego ejecutarlo haciendo clic en el botón "→". El PSC es llevado de nuevo a su tope mecánico, a continuación, se hace girar en pasos de aproximadamente 1 ° hasta que se alcance ML, que muestra el valor de S 1 a medida que evoluciona.

4. La construcción de una rudimentaria hecha en casa polarización Analizador

  1. Conectar un osciloscopio al ordenador mediante la interfaz GPIB.
  2. Ponga un cubo divisor de haz polarizante (PBS) en un banco de óptica.
  3. Establecer tres colimadores de puertos de fibra óptica FC / APC con PBS (Figura 8).
    NOTA: Uno de los puertos es la entrada. Las otras dos son las salidas para los componentes de polarización de X e Y de la señal.
  4. Conectar un fotodiodo PIN de InGaAs con fibras de la trenza a la primera salida.
  5. Conectar el fotodiodo a un trans-impedacircuito NCE (Figura 9).
  6. Conectar la salida eléctrica del circuito al canal 1 del osciloscopio.
  7. Active el circuito de trans-impedancia.
  8. En el GPLI, leer el valor promedio de la tensión en el canal 1 del osciloscopio a través de la conexión GPIB mediante el uso de los comandos "Measu: IMM: SOU CH1;" para seleccionar el canal 1 del osciloscopio, "Measu: IMM: TIPO media;" para definir que la medida sea un voltaje medio, "Measu: IMM:? VAL" para obtener el valor y finalmente "Measu: IMM: UNI?" para obtener las unidades de la medición. Guarde el script haciendo clic en "Archivo → Guardar" y luego ejecutarlo haciendo clic en el botón "→".
  9. Conectar la salida 1% del láser en el puerto de entrada de la PBS y gire el láser en a una potencia de bomba arbitraria. Esto envía una señal óptica de 1.550 nm a la entrada.
  10. Medir la tensión promedio en la primera salida. A continuación, desconecte el fotodiodo fibra de la trenza y reemplazarque por un poder-metro comercial. Medir la potencia óptica a esta salida.
  11. Repita el paso 4.10, mientras que la variación de la potencia de la señal óptica de entrada. La tensión debe variar linealmente con la potencia óptica. Encontrar los coeficientes de esta relación lineal.
    NOTA: Esta relación se usa en la etapa 4.20 para obtener P x de la tensión medida.
  12. Conectar un segundo fotodiodo PIN de InGaAs con fibras de la trenza a la segunda salida de la PBS.
  13. Conectar el fotodiodo a un segundo circuito de trans-impedancia.
  14. Conectar la salida eléctrica del circuito al canal 2 del osciloscopio.
  15. Active el circuito de trans-impedancia.
  16. En el GPLI, leer el valor promedio de la tensión en el canal 2 del osciloscopio a través de la conexión GPIB mediante el uso de los comandos "Measu: IMM: SOU CH2;" para seleccionar el canal 2 del osciloscopio, "Measu: IMM: TIPO media;" para definir la medida a un voltaje medio, "Measu: IMM: VAL?4; para obtener el valor y finalmente "Measu: IMM: UNI?" para obtener las unidades de la medición. Guarde el script haciendo clic en "Archivo → Guardar" y luego ejecutarlo haciendo clic en el botón "→".
  17. Encienda el láser con una potencia de la bomba arbitraria.
  18. Medir la tensión media en la segunda salida. A continuación, desconecte el fotodiodo fibra de la trenza y sustituirla por una potencia comercial metros. Medir la potencia óptica a esta salida.
  19. Repita el paso 4.18, mientras que la variación de la potencia de la señal óptica de entrada. Asegúrese de que la tensión varía linealmente con la potencia óptica.
    NOTA: Encontrar los coeficientes de esta relación lineal. Esta relación se usa en la etapa 4.20 para obtener P y de la tensión medida.
  20. Después de configurar el segundo detector para medir P y, utilice el GPLI para calcular el primer parámetro de Stokes S 1 se define como S 1 = ( x - P y) / (P x P + y). El analizador de polarización rudimentaria hecha en casa ya está listo para usar.

5. Sustitución del polarímetro Comercial por el hecho en casa polarización Analizador en la automatización de procesos

  1. Conectar la salida 1% del láser a la entrada del analizador de polarización hecho en casa (como se hizo en el paso 4.9).
  2. Medir la primera Stokes parámetro S 1 como una función del ángulo de la PSC (Figura 10) repitiendo el paso 2.7 utilizando el analizador de polarización casera (en lugar de la polarímetro comercial). Observe el gráfico 1 S actualizar automáticamente en cada paso. Observar un salto discontinuo en el valor de S 1 cuando se produce ML (este es el caso durante el uso de la polarímetro comercial).
    NOTA: Utilice un guión GPLI para realizar esta tarea autómatacamente. Este guión está basado en un bucle que varía el ángulo del PSC en pasos de 1 ° (con el comando "SM, 500, -10 n" enviado a "COM4") y lee el valor de S 1 de la casera analizador de polarización en cada paso.
  3. Modificar el script desarrollado en 3,5 de modo que, en lugar de utilizar el valor dado por el polarímetro comercial, se obtiene P x y P y desde el analizador de polarización casera y calcula entonces S = 1 (P x P y) / (P + x P y).
  4. Utilizar el nuevo guión basado en el analizador de polarización hecho en casa con el lavado del láser automáticamente de una manera similar a la etapa 3.6.

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Representative Results

NPR láseres de fibra de modo bloqueado se sabe que proporcionan una gran variedad de regímenes pulsantes, tales como pulsos de conmutación de Q 10, legumbres ML coherentes, legumbres similares al ruido, los estados unidos de pulsos ml, armónica ML y estructuras complejas de interacción ML impulsos de 11. En el láser descrito aquí, después de la birrefringencia de la PSC se fijó a ser capaz de obtener ML, la potencia de la bomba se ajusta para que sea relativamente cerca del umbral de un solo pulso de ML. De este modo, el número de regímenes de la competencia se redujo a un mínimo. En este potencia de la bomba y en función del ángulo de la PSC, el láser presenta diferentes regímenes (Figura 5), pero ningún régimen multi-pulso. Impulsos de ruido similares a 12,13 se evitaron debido a la pre-ajuste de las fibras de cavidad que se mantuvieron fijos una vez que se ha encontrado un solo pulso estándar ML. De hecho, el diseño de la cavidad es probablemente importante en este sentido también, pero este aspecto no se ha investigado a fondo hantes de. En consecuencia, los regímenes restantes sólo fueron emisión de onda continua (CW), emisión Q-switched y un ML estable con un solo pulso coherente. En la onda continua (CW) y los regímenes Q-switched, líneas estrechas (1 nm o menos, a veces limitada por la resolución del analizador de espectro óptico) se ven. Estos espectros son comparables con el amplio espectro del régimen ML con una anchura total a la mitad del máximo del orden de 30 nm o incluso más. En el fotodiodo rápido, CW casi no muestra variaciones, Q-conmutación muestra un tren de impulsos con una frecuencia de repetición del orden de unos pocos microsegundos (3,5 microsegundos aquí) y ML aparece como un tren de impulsos mucho más rápido con una frecuencia de repetición de unos pocos decenas de nanosegundos (nseg 12.2 aquí) correspondientes al tiempo de ida y vuelta de la cavidad láser. Cuando se utiliza una traza de autocorrelación, sólo el régimen ML muestra la presencia de impulsos porque el régimen de conmutación de Q genera impulsos que tienen una duración mucho más larga y una potencia de pico mucho más bajo. La traza de autocorrelaciónen el régimen de ML muestra un único pico con una anchura de 156 fs de la que hemos deducido que sólo un único impulso ML coherente está presente con una duración FWHM cerca de 100 fs (110 asumiendo una forma de impulso gaussiana fs y 101 fs suponiendo hiperbólica secante cuadrado forma del pulso).

La medición de la Stokes parámetros como una función del ángulo de la PSC intra-cavidad (Figura 6) produjo un resultado típico como se esperaba en teoría 7. Observe que cada parámetro de Stokes cambia abruptamente cuando se alcanza ML. En consecuencia, una medida de sólo uno de ellos, por ejemplo S 1, se requiere para detectar ML. Tenga en cuenta que una discontinuidad en el valor de un parámetro dado que no coincide con ML estable veces se observa. De hecho, el láser podría a veces llegar a un régimen inestable en la que se desplaza muy rápidamente entre CW, de conmutación de Q y los regímenes de LD de una manera caótica. En estas situaciones, el valors de los parámetros de Stokes pueden variar sustancialmente en el tiempo. Estas variaciones aparecen como barras de error en el gráfico. Se puede observar que las variaciones son más importantes en algunas regiones que en otras. Sin embargo, en los regímenes de LD estables, las variaciones son muy pequeñas. Esto sugiere que la variación temporal de los parámetros de Stokes se podría utilizar como criterio complementario para verificar si ML es realmente alcanza o no después de que se ha detectado un salto discontinuo.

El análisis anterior conduce a la conclusión de que la automatización del láser puede estar basado en la búsqueda de una discontinuidad de un parámetro de Stokes dado. S 1 fue elegido aquí. La variación de S 1 que se define como una "discontinuidad" es una arbitraria priori. Sobre la base de las mediciones (Figura 6), se encuentra que S 1 por lo general varía por pasos más pequeños que 0,1 comoel ángulo es variada por 1 °. La única excepción es cuando se alcanza ML donde este varía en 0,6. Así pues, se decidió fijar el umbral de la discontinuidad a 0,3. El procedimiento de automatización que aquí se presenta (Figura 7) se basa en esa condición. El láser no debe estar en una condición de ML cuando la rutina comienza de otro modo la rutina se detendrá cuando se encuentra la discontinuidad que conduce de ML para CW y el láser va a terminar emisor de CW. Esta limitación no es problemático porque la gama de ángulos dando ML es pequeña en comparación con la gama completa del PSC. Por tanto, es fácil de posicionar el PSC en un ángulo muy lejos de ML cuando se activa la rutina. Aquí, el PSC fue llevado a su ángulo mínimo en caso de un tope mecánico impide que se mueva más. En esta posición, el láser no era ML. En estas condiciones, la rutina funciona muy bien. Se encuentra ML dentro de unos pocos minutos. En este caso, la velocidad está limitada por el tiempo de comunicación requerida entre el p comercialolarimeter y el equipo que el ángulo se barre.

Cuando se mide con el analizador de polarización casera (Figura 10), la curva de S 1 como una función del ángulo de la PSC es diferente de la curva de medida con el polarímetro comercial (Figura 6). Esto es debido al hecho de que los ejes X e Y de los dos instrumentos no necesariamente coinciden. Sin embargo, la transición abrupta en S 1 cuando se alcanza ML se ve claramente en ambos casos. De hecho, el comportamiento de S 1, S 2 y S 3 medido con un polarímetro comercial mostró que los tres parámetros no se sometieron a la misma discontinuidad cuando se alcanzó ML. Se indica que un cambio en la orientación del divisor de haz de polarización o, de manera equivalente, la inserción de un PSC manual de justo antes de la polarizatanalizador de iones podría ayudar a hacer la transición más abrupta y más fácil de detectar. De hecho, esto es exactamente lo que pasó aquí, la transición a la ML es más fácil de ver con el analizador de polarización hecho en casa porque el PSC se ajustó el manual para hacer la transición aparece con mayor claridad. El procedimiento de la automatización es entonces más fácil de lograr.

La automatización con el analizador de polarización casera funciona muy bien. ML se encuentra dentro de unos pocos minutos. De hecho, debido a que las lecturas de los voltajes de fotodiodos son más rápidas que las lecturas de la polarímetro comercial, el analizador de polarización casera funciona mejor.

Figura 1
Figura 1:. ML basado en rotación de la polarización no lineal La señal es primero linealmente polarizada por el polarizador y luego se transformó en un estado de polarización elíptica por The PSC. Debido a la no linealidad Kerr de la fibra en la cavidad del láser, la elipse de polarización se somete a una rotación de su eje principal proporcional a la potencia de la señal. Desde el polarizador al final sólo transmite la componente vertical de la polarización, la transmisión dependerá de la potencia de la señal y podría favorecer la formación de un pulso de ruido si el ángulo PSC está ajustado correctamente. Por favor, haga clic aquí para ver una mayor versión de esta figura.

Figura 2
Figura 2:. Posición del analizador de polarización para una potencia media dada, un pulso tendrá una potencia de pico más grande que una señal de onda continua (CW) y se someterá a una rotación de la polarización no lineal más grande. Mediante la colocación del analizador justo antes del polarizador, la discriminación entre los estados de polarización permitirán la detección de la presencia de un impulso en la cavidad. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3:. La cavidad de anillo de fibra de láser El láser debe ser una cavidad de anillo que incluye fibras ópticas monomodo (azul), una fibra de ganancia (verde), un aislador, un polarizador, un PSC ajustable a través de un interfaz de la computadora. El acoplador de salida debe estar situada justo antes del polarizador. Finalmente, 1% de la señal de salida se golpea ligeramente con el fin de controlar el estado de polarización de la señal y 99% de la señal de salida permanece disponible. El analizador de polarización proporciona retroalimentación a un bucle de control programada en un equipo que ajusta el ángulo del PSC motorizado (rojo claro) a través de un cable eléctrico (negro).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4:. Un motorizado PSC fibra exprimidor de la birrefringencia del PSC se fija por la presión de los tornillos de la izquierda. El ángulo de la PSC se ajusta con el motor controlado electrónicamente que está a la derecha. El cable eléctrico se conecta el sistema a una interfaz de la computadora. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5: Detección de ML con un analizador de espectros ópticos diferentes regímenes del láser observada en el espectro óptico.analizador de la izquierda, en un fotodiodo rápido en el medio y en una autocorrelador a la derecha (en su caso): cuasi-CW con múltiples longitudes de onda (azul), Q-switched CW (verde) y ML (rojo). El espectro en el régimen ML es mucho más amplio que los otros y su dechirped trazas de autocorrelación muestra un pico único con FWHM de 156 fs y un pedestal relativamente estrecho. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6:. El valor de los parámetros de Stokes como funciones del ángulo de PSC y regiones de LD Las curvas azules son el valor medio de cada parámetro de Stokes más de 5 mediciones tomadas a intervalos de 0,2 seg para un caso típico. Las barras de error representan la desviación estándar de las mediciones y demuestran la estabilidad de la láser para un ángulo de PSC dado. A medida que el ángulo de la PSC es variada, los valores de los parámetros de Stokes cambian de una manera continua, excepto cuando se alcanza ML (zonas de color rojo en la figura). En esta situación, sus valores se someten a una variación brusca que se puede utilizar para detectar el lavado de dinero. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7
Figura 7:.. Una rutina para alinear automáticamente el PSC para obtener ML Este diagrama de flujo que muestra la rutina simple que se usa para automatizar la alineación del controlador de estado de polarización (PSC) para obtener ML Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 8: analizador de polarización Casera medición S-1 Un espacio libre polarizante divisor de haz divide los componentes X e Y de polarización de la señal.. Estos componentes se envían por separado a dos fotodiodos de medición así la potencias P x y P y en cada polarización, lo que permite calcular la primera Stokes parámetro S 1 =. (P x - P y) / (P x + P y) Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9
Figura 9: Transcircuito amplificador -impedance para cada fotodiodo. El fotodiodo InGaAs detecta la señal de 1550 nm. Está conectado con un amplificador operacional, una resistencia y un condensador. La función del condensador es para reducir el ancho de banda del circuito reduciendo así el riesgo de contraer una oscilación eléctrica del circuito en sí. El valor de la tensión será promediado a cabo por el osciloscopio como el valor medio será leído de ella y se transforma en una potencia media óptica a través de la calibración con una potencia metros óptica comercial. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10
Figura 10: El valor del primer parámetro Stokes como una función del ángulo de PSC utilizando el analizador de polarización casera El comportamiento de S.1 muestra la transición abrupta típico en el ángulo en el que el láser alcanza ML para un caso típico. Esto también se vio con el polarímetro comercial. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Se ha demostrado que es posible automatizar el ML de NPR láseres anillo de fibra mediante el uso de un circuito de retroalimentación basado en mediciones de polarización de salida. Para llevar a cabo esta tarea es fundamental para insertar un PSC ajustable en la cavidad. El acoplador de salida de la cavidad debe estar ubicado justo antes del polarizador con el fin de ver una diferencia entre el estado de polarización de una señal CW y una señal de impulso (Figura 2). La birrefringencia del PSC debe ser pre-ajustado de manera que ML se puede encontrar y la potencia de bombeo debe establecerse cerca de solo pulso ML el umbral con el fin de obtener un solo impulso en la cavidad y minimizar el número de regímenes de la competencia que pueden ocurrir. Esto explica por qué el régimen ML encontró de forma automática mediante el barrido del ángulo en una determinada dirección fue siempre la misma durante el experimento. El parámetro medido en la salida para detectar ML es S 1. Este parámetro cambia continuamente a medida que el ángulo de la PSC intra-cavidad es swEPT. La única excepción a esto es cuando se alcanza ML, el valor de S 1 a continuación, se somete a una discontinuidad. La posibilidad de realizar incrementos angulares pequeños es importante aquí. Si se utilizan grandes incrementos que podría llegar a ser difícil discriminar entre un salto repentino y una variación "normal". La pequeña gama de ángulos que conducen a ML se pudo también pasó por encima sin darse cuenta. El pequeño incremento también asegura que el estado de ML es siempre el mismo, porque el sistema no caer en cualquier lugar en el rango de ML pero siempre detecta el borde de esta región en la que los pulsos tienen siempre el mismo espectro óptico. Esta es la única manera obvia de asegurar la repetibilidad del procedimiento y los parámetros de los impulsos generados.

Suponiendo que los puntos críticos anteriores se han considerado, es posible construir un analizador de polarización casera que proporciona un valor de S 1 y permitir la detección y la automatización de laML. La configuración que aquí se propone se compone de un espacio libre de la polarización del haz de cubo divisor en combinación con dos fotodiodos. Una alternativa sería el uso de un divisor de haz de polarización a base de fibras. No alineación sería necesario y sería una configuración totalmente de fibra óptica. Tenga en cuenta también que un osciloscopio se utilizó para obtener los voltajes de los fotodiodos con el fin de comunicarse con él fácilmente a través de un puerto de GPIB. El uso de un voltímetro de USB o un circuito electrónico casera podría reducir el coste del aparato.

La técnica que aquí se presenta está destinado a trabajar por fibra NPR rayos láser de modo bloqueado. Para aplicarlo, hay que trabajar con un diseño de cavidad relativamente estable que fue pre-ajustado para ser capaz de obtener ML. El hecho de que sólo un único parámetro se varía para buscar ML limita la generalidad de la técnica. Si la cavidad es perturbado por, por ejemplo, la introducción de una birrefringencia en las fibras, el sistema será capaz de compensar y encontrar ML cuando la perturbación es pequeña. MARIDOin embargo, el PSC no será capaz de compensar un gran modificación de la birrefringencia de la cavidad debido a que su birrefringencia es fijo 7. En ese sentido, esta técnica no se puede considerar tan general como la presentada en Hellwig et al. 3. Además, el simple caracterización de S 1 en la salida se usa aquí en combinación con el control de un ángulo de PSC único no permite la exploración de todas las posibles regímenes de emisión del láser como se comenta por Andral et al. 6, por ejemplo. Por otra parte, la técnica de detección ML presenta aquí no puede discriminar entre impulsos de ruido similar a 11, legumbres ML coherentes y regímenes de múltiples pulsos. El pre-ajuste de las fibras de cavidad, la potencia de la bomba y la birrefringencia PSC por lo tanto debe hacerse con cuidado para asegurar que los pulsos individuales ML coherentes formarán en lugar de pulsos similares al ruido o los regímenes de múltiples pulsos.

Como se ha mencionado en elintroducción, existen otros mecanismos de LD y algunos de ellos no requieren la alineación. Todos ellos tienen algunas ventajas y desventajas. ML basada en un lazo no lineal refleja 14 requiere una longitud adicional de fibra dentro de la cavidad y podría no ser adecuado para los láseres de alta tasa de repetición 15. ML basado en absorbedores saturables espejos 16 requiere el diseño de encargo refleja apropiado para la potencia y las características espectrales del láser bajo consideración. El mecanismo NPR ML sigue siendo el más utilizado debido a su simplicidad, su eficacia e implementación de bajo costo.

La automatización de su alineación hace NPR una opción aún más interesante, ya que ahora se puede utilizar en sistemas comerciales sin requerir la intervención del usuario para asegurar ML se produce. La técnica para automatizar su alineamiento presenta aquí es suficiente para conseguir ML en condiciones normales y es fácil de implementar. Se requiere unos pocos componentes de bajo costo y sin instr carodocu- tales como un analizador de espectro óptico o un analizador de espectro de RF. El diseño de la cavidad no tiene que ser modificado ya que se basa en mediciones de polarización de salida. De hecho, sólo una fracción de la salida es aprovechado para el seguimiento y la parte restante se puede utilizar para la aplicación en curso.

En otras palabras, el láser no tiene que ser desconectado para proceder con el procedimiento de alineación. En segundo lugar, la potencia media necesaria es tan pequeña que un grifo de vigilancia 1% es suficiente. Esto está en contraste con las técnicas de detección de LD sobre la base de procesos no lineales tales como segunda generación de afinación o la absorción de dos fotones que requieren una fracción significativamente mayor para el seguimiento para ser eficiente. Por último, ya que esta técnica requiere sólo la primera Stokes parámetro S 1 a medir, no hay necesidad de una caracterización completa del estado de polarización y esto hace que el sistema mucho más sencillo y más baratodiseñar y construir.

Esta técnica está bien adaptado para los láseres de fibra comerciales y, con ese objetivo en mente, podría seguir desarrollándose para mejorar su rendimiento. Será interesante también para aplicarlo a los láseres de fibra en diferentes longitudes de onda. Aquí se utiliza en un láser de fibra dopada con erbio pero es fácilmente transferible a los láseres de fibra de iterbio dopado ya que todo el equipo necesario es fácilmente disponible. Podría ser más difícil para los láseres que operan en longitudes de onda no convencionales pero sin duda es factible. Se requieren más pruebas para verificar su aplicabilidad a diferentes regímenes de dispersión tales como el láser solitón, el láser de pulso-estirado, el láser y el láser similariton solitones disipativos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

Los autores desean agradecer a Olivier y Cristiano Philippe Chrétien de valiosa ayuda en relación con la electrónica, Éric Girard en GiGa Concepto Inc. para soporte con el controlador de polarización motorizado, profesor de Propiedad Vallée para el préstamo de un polarímetro comercial y profesor Michel Piché por muchas discusiones fructíferas .

Este trabajo fue apoyado por el Fonds de recherche du Québec - Nature et tecnologías (FRQNT), las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC) y Canadá trabajos de verano.

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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