Laser serat Q-switched pasif telah menarik minat yang luar biasa dalam beberapa dekade terakhir karena aplikasinya yang luas di banyak bidang seperti komunikasi optik, implan medis dan mikroskop nonlinier. Laser serat Q-switched dapat dicapai dengan menggunakan modulator akustik-optik atau saturable absorber (SA) dalam teknik aktif atau pasif, masing-masing sebagai Q-switcher. Dibandingkan dengan teknik aktif, metode pasif lebih disukai karena banyak keuntungannya seperti: kemudahan fabrikasi, penyerapan jenuh yang sangat baik dan nonlinier tinggi. Bahan khas SA seperti graphene, fosfor hitam, isolator topologi dan logam transisi dichalcogenides (TMDs) telah menarik banyak minat dalam beberapa tahun terakhir karena keunggulannya sifat listrik dan optik.
Di antara bahan-bahan ini, TMD telah mendapatkan lebih banyak minat untuk aplikasi fotonik karena mempunyai sifat superior mereka dari celah pita tidak-nol dan optik orde kedua yang bergantung pada lapisan nonlinier. Dalam TMD, atom-atom dalam bidang terikat secara kovalen, sedangkan atom-atom di antara setiap lapisan dihubungkan oleh gaya van der Waal yang lemah, yang bermanfaat untuk pengelupasan kulit nano-sheet beberapa lapis. Sebagai TMD tipikal, WS2 dan MoS2 adalah dua TMD yang paling banyak diteliti bahan yang mencakup berbagai aplikasi termasuk modulasi optik, photodetektor dan generasi pulsa terutama di Q-switched dan mode-locked secara pasif laser. Nikel (II) sulfida (NiS2), jenis TMD baru lainnya, telah menarik banyak sekali perhatian dalam beberapa tahun terakhir karena keunggulan listrik dan sifat optoelektronik. Selanjutnya, NiS2 adalah bahan semikonduktor, mirip dengan WS2 dan MoS2. Dibandingkan dengan TMDs celah pita besar yang khas (di atas 1 eV), celah pita NiS2 adalah 0,37 eV, yang membentuk dasar penerapannya pada daerah panjang gelombang 1,5 m.
Dalam makalah ini, NiS2 difabrikasi menggunakan metode sintesis kimia sebelum digunakan sebagai Bahan SA untuk menghasilkan pulsa Q-switched pasif di rongga laser serat yang didoping Erbium (EDFL). NiS2 yang dibuat menghadirkan karakteristik nonlinier yang sangat baik dan ini selanjutnya dibuktikan oleh pembangkitan pulsa keluaran Q-switched pada panjang gelombang 1564,8 nm. Ketika pompa daya diatur dari 25,6 hingga 71,5 mW, tingkat pengulangan pulsa yang dihasilkan dapat disetel dari 48,1 hingga 85,5 kHz. Energi pulsa tertinggi diperoleh pada 114,7 nJ pada daya pompa 71,5 mW. Hasil eksperimen dengan jelas menunjukkan bahwa NiS2 memiliki potensi yang sangat baik untuk digunakan sebagai perangkat modulator optik untuk mewujudkan pulsa Q-switching di sistem EDFL.
Metode dan Hasil
Serbuk NiS2 yang digunakan dalam penelitian ini disintesis menggunakan metode sintesis kimia. Pada langkah pertama, 30 mL Nikel Nitrat (Ni(NO3)2) dicampur dengan tiourea (RC(S)NR2) di dalam gelas kimia. dengan perbandingan mol 5:1. Campuran dilakukan ultrasonikasi selama satu jam dalam pembersih ultrasonic (KQ-300E) kemudian diaduk perlahan selama 30 menit menggunakan pengaduk yang digerakkan secara magnetis. Setelah langkah pembersihan, campuran disegel ke dalam autoklaf (GSHA, Xintai) selama 12 jam pada suhu 200oC. Setelah reaksi, campuran dituangkan ke dalam centrifuge (Sorvall Legend Micro 17) selama sepuluh siklus perawatan sentrifugal berturut-turut. Bubuk NiS2 diperoleh setelah langkah sentrifugal dibersihkan lima kali menggunakan etanol anhidrat. Akhirnya, bubuk NiS2 adalah dibiarkan dalam lingkungan vakum hingga kering selama sekitar 5 jam pada 50 oC. Kemudian bubuk NiS2 yang telah disiapkan dicampur dengan larutan PVA dalam gelas kimia terpisah untuk membuat film SA. Solusi PVA dibuat dengan melarutkan bubuk PVA (40000 MW, Sigma Aldrich) ke dalam 80 ml air DI lalu diaduk pada suhu 145℃ sampai serbuk benar-benar tercampur larut. Campuran NiS2 PVA diaduk perlahan selama kurang lebih 2 jam menggunakan magnet pengaduk yang digerakkan. Suspensi yang dihasilkan kemudian dituangkan ke dalam cawan petri dan dibiarkan kering di ruang suhu kamar. Setelah 2 hari, film tipis perlahan dikupas dari cawan petri. Akhirnya, NiS2- Film PVA dilekatkan pada ferrule serat dengan bantuan gel pencocokan indeks bias. Ferrule kemudian dihubungkan ke ferrule bersih lainnya melalui adaptor serat untuk membentuk serat perangkat SA yang kompatibel. Sifat penyerapan perangkat SA berbasis NiS2 ditandai menggunakan sumber cahaya putih.
Karena sifat optik yang sangat baik dari film tipis NiS2-PVA yang dibuat di atas, film digunakan di dalam rongga EDFL yang telah dirancang sebelumnya untuk berfungsi sebagai SA dan karenanya menghasilkan pulsa Q yang dialihkan. Konfigurasi laser Q-switched, yang menyebarkan cincin resonator yang terdiri dari Erbium-doped fiber (EDF) sepanjang 2,4 m sebagai media penguatan. EDF memiliki Penyerapan erbium sebesar 90 dB/m serapan pada 980 nm. Itu dipompa melalui 980/1550 nm panjang gelombang divisi multiplexer (WDM) oleh dioda laser 980 nm. Sebuah isolator ditempatkan di antara perangkat EDF dan SA untuk memastikan propagasi searah dari laser berosilasi di atas ring rongga laser. Karena kemampuan penyaringan isolator, cahaya di rongga dipaksa untuk menyebar hanya dalam arah tertentu. Coupler luaran 80/20 digunakan untuk mengeluarkan 20% dari cahaya yang diperbesar untuk mewujudkan deteksi pulsa secara real-time sambil membiarkan 80% sisanya cahaya untuk berosilasi di dalam rongga. SA NiS2 adalah perangkat nonlinier utama di rongga laser yang memampatkan energi pulsa ke dalam rentang waktu yang lebih sempit. Port 20% dari coupler adalah terhubung ke penganalisis spektral optik (OSA, YOKOGAWA, AQ-6370C) untuk mengukur spektrum luaran laser. Fotodetektor berkecepatan tinggi yang terhubung ke osiloskop (GWINSTEK: GDS-3352 digunakan untuk memantau rangkaian pulsa luaran, sedangkan Frekuensi Radio (RF) 7,8 GHz penganalisis spektrum (Anritsu MS2683A) digunakan untuk mengukur spektrum frekuensi dan stabilitas dari laser Q-switched. Daya laser rata-rata diukur dengan power meter optic (Thorlabs PM 100D) digabungkan dengan daya InGaAs yang beroperasi antara 800-1700 nm (Photodiode Power Sensor S145C Mengintegrasikan Sphere). Panjang total rongga laser adalah sekitar 13,5 m.
Pulsa Q-switched self-starting yang stabil diamati saat daya pompa meningkat di atas ambang batas awal 25,6 mW. Laser selalu mempertahankan Q-switching yang stabil pada pengoperasian dengan peningkatan daya pompa hingga 71,5 mW. Namun, ketika daya pompa dinaikkan melebihi 71,5 mW, pulsa Q-switched menghilang karena saturasi SA yang berlebihan pada pengaruh masukan tinggi. Spektrum luaran, bentuk gelombang rangkaian pulsa tipikal, dan spektrum RF pada daya pompa 71,5 mW telah dihasilkan pada panjang gelombang pusat output laser Q-switched adalah 1564,8. Tingkat pengulangan adalah 85,5 kHz sesuai dengan dua pulsa yang berdekatan dari 11,7 µs. Intensitas seragam dan bentuk gelombang halus pulsa menunjukkan bahwa NiS2 memiliki kemampuan tertentu untuk menahan kebisingan. Kami percaya bahwa durasi pulsa bisa lebih lama menyempit dengan mengurangi panjang rongga laser. Laju pengulangan dari pulsa dasar adalah diukur sebagai 85,5 kHz dengan rasio sinyal terhadap kebisingan (SNR) sekitar 62,8 dB. Saat perangkat SA dikeluarkan dari rongga, tidak ada bukti seperti denyut nadi perilaku dalam bentuk gelombang berbasis waktu yang diamati pada osiloskop.
Evolusi tingkat pengulangan dan lebar pulsa terhadap daya pompa juga diteliti dan rentang modulasi laju pengulangan dan lebar pulsa (Lebar penuh pada setengah maksimum) masing-masing adalah 48,1 kHz hingga 85,5 kHz dan 10,3 µs hingga 5,85 µs masing-masing ketika daya pompa dinaikkan dari 25,6 mW menjadi 71,5 mW. Durasi pulsa minimal dapat dipersingkat lebih lanjut dengan meningkatkan kedalaman modulasi SA atau mengurangi panjang total rongga cincin. Daya luaran rata-rata dan energi pulsa juga diukur sebagai fungsi daya pompa. Diamati bahwa daya luaran meningkat dari 2,74 menjadi 9,80 mW karena daya pompa bervariasi dari 25,6 mW hingga 71,5 mW. Efisiensi kemiringan laser diukur sebesar 15,24%. Energi pulsa tunggal maksimum yang direkam adalah sekitar 114,7 nJ yang sebanding dengan hasil sebelumnya. Fluktuasi tingkat pengulangan dan daya luaran laser Q-switched kurang dari 5% dalam waktu pengujian sekitar 60 menit selama pengukuran. Hasil ini menunjukkan bahwa film PVA NiS2 menunjukkan penyerapan jenuh di wilayah kerja EDFL dan dengan demikian dapat berfungsi sebagai perangkat SA yang baik untuk mencapai operasi Q-switched.
Sebagai penutup, EDFL Q-switched pasif berdasarkan penyerap jenuh NiS2 berhasil didemonstrasikan. Operasi Q-switched yang stabil diilustrasikan dari rongga cincin serat 1564,8 nm. Tingkat pengulangan yang dicapai dan rentang lebar pulsa masing-masing adalah 48,1 kHz hingga 85,5 kHz dan 10,3 µs hingga 5,85 µs. Energi pulsa maksimum sebesar 114,7 nJ diperoleh pada daya pompa 71,5 mW. Stabilitas Q-switched EDFL dibuktikan dengan SNR sebesar 62,8 dB. Demonstrasi ini membuktikan yang baru penerapan NiS2 untuk pembangkitan pulsa Q-switching.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://chalcogen.ro/index.php/journals/chalcogenide-letters/11-cl/537-volume-18-number-3-march-2021
C. HUDA, S. W. HARUN, A. A. A. JAFRY, N. KASIM, A. H. ZAIDAN, M. YASIN, NICKEL DISULFIDE SATURABLE ABSORBER AS Q-SWITCHER IN ERBIUM-DOPED FIBER LASER CAVITY.
