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

Resumo

A protocol to detect and automate mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser is presented. The detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs is used to command the alignment of an intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions.

Resumo

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

Introdução

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

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

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

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

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

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

Protocolo

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

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

2. Analisando a polarização do sinal de saída

1. Ligar a torneira 1% a um polarímetro comercial.
2. Ligue o polarímetro para o computador usando uma porta USB.
3. No "Selecione ou digite o comando" do painel de teste "COM4", type "SM, 500,3000 n" e clique no botão "consulta".
4. Execute o polarímetro controlar software comercial e iniciar a medição de polarização, clicando no botão "Iniciar".
5. No "Selecione ou digite o comando" do "COM4" painel de teste, escreva "SM, 500, -10 n" e clique no botão "consulta". Observe o estado de polarização no polarímetro.
6. Repita o passo 2,5 quantas vezes forem necessárias para cobrir toda a gama de ângulos permitidos pelo PSC intra-cavidade. Observe-se que o estado de polarização varia muito suavemente com o ângulo excepto nos ângulos específicos em que ML é alcançado como pode ser visto, observando ao mesmo tempo a largura do espectro óptico no OSA.
7. Repita os passos de 2,3 a 2,6 mas, desta vez, em vez de apenas observar o estado de polarização, gravar os valores dos parâmetros de Stokes S _1, S _2, S ₃ e como funçãos do ângulo do PSC (Figura 6). Para ver esses valores claramente, escolha "Measurement- → Oscilloscope" no menu do software e olhar para os valores médios de S _1, S ₂ e S _3. Simultaneamente assistir o espectro óptico e registrar os ângulos para os quais o laser é ML.

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

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

4. Construção de um rudimentar caseiro Polarização Analyzer

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

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

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

Resultados

NPR lasers de fibra mode-locked são conhecidos por oferecer uma grande variedade de regimes pulsantes como pulsos Q-switched ^10, leguminosas ML coerentes, pulsos de ruído semelhante, estados ligados de pulsos mL, harmônica ML e estruturas complexas de interagir ML pulsa ^11. Em que o laser descrito aqui, após o birrefringência do CPS foi fixado para ser capaz de obter ML, a potência da bomba foi ajustada para ser relativamente perto do limiar de ML-pulso único...

Discussão

Tem sido demonstrado que é possível automatizar o ml de lasers anel de fibra NPR usando um ciclo de feedback com base nas medições de polarização de saída. Para realizar esta tarefa é crucial para inserir um PSC ajustável na cavidade. O acoplador de saída da cavidade deve ser localizado imediatamente antes do polarizador, a fim de ver a diferença entre o estado de polarização de um sinal CW e um sinal de pulso (Figura 2). A birrefringência do CPS tem de ser pré-ajustada de modo que o ML p...

Materiais

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.