Laser serat ultrashort telah diteliti selama beberapa dekade karena aplikasi yang luas di berbagai bidang, seperti telekomunikasi, kedokteran, metrologi, pengolahan bahan, dan penginderaan optik. Teknik utama pembuatan laser serat ultrashort yaitu secara aktif dan penguncian ragam pasif. Secara universal, para peneliti lebih memilih untuk mengadopsi penguncian ragam pasif untuk mencapai lebar pulsa ultrashort yang lebih sempit, dan komponen penting yang menentukan kinerja laser serat yang dikunci mode adalah penyerap jenuh (Saturable Absorber/SA). Karena sifat nonlinier, bahan SA secara berkala dapat memodulasi medan cahaya yang disirkulasikan di rongga laser, mendorong sejumlah besar ragam longitudinal ke osilasi fase. Dengan demikian, pulsa Ultrashort terbentuk dalam domain waktu. Saat ini, bahan-bahan SA nyata, seperti cermin penyerap saturable semikonduktor (SESAM), nanotube karbon dan bahan dua dimensi banyak digunakan dalam penguncian ragam pasif. Dalam dekade terakhir, telah terjadi pembangkitan laser serat berbasis bahan dua dimensi. Ratusan paper tentang topik ini telah dipublikasikan sejak ragam laser serat ultrashort pertama yang dikunci oleh graphene dilaporkan pada tahun 2009. Bahan dua dimensi yang berbeda dieksplorasi untuk menghasilkan pulsa ultrashort pada panjang gelombang operasi yang berbeda dan/atau dalam metode sintesis yang berbeda. Bahan SA ini biasanya mengalami ambang kerusakan rendah dan stabilitas jangka pendek yang masing-masing disebabkan oleh kerusakan termal dengan daya optik tinggi dan oksidasi. Selain itu, proses fabrikasi SA ini membutuhkan waktu berjam-jam, berhari-hari, atau kadang-kadang bahkan berminggu-minggu, yang sangat memakan waktu. Sementara itu, prosedur fabrikasinya rumit dan membutuhkan banyak peralatan, seperti pengaduk magnet, oven pemanas, disintegrator ultrasonik, dll.
Fiber saturable absorber (FSA) telah diteliti secara ekstensif untuk mengatasi kekurangan ini, yang dihasilkan dari konstruksi semua serat. Dibandingkan dengan SA nyata, FSA yang digunakan dalam laser serat menyediakan struktur serat yang sederhana dan ringkas dengan keunggulan fabrikasi berbiaya rendah dan cepat, ukuran kecil dan produk berbobot rendah, stabilitas suara di lingkungan yang keras, perawatan jalur optik gratis, kinerja termal untuk penghematan air dan listrik sangat baik, panjang umur layanan, pengurangan biaya secara signifikan dan kompatibilitas yang menguntungkan dengan sistem serat optik. Oleh karena itu, struktur semua-serat adalah cara preferensial untuk aplikasi praktis dan industrialisasi laser serat, dan juga rencana teknis sebelumnya untuk memasuki komersialisasi besar-besaran.
Hasil eksperimen mengilustrasikan pengaturan eksperimental dari ragam pasif EDFL yang dikunci menggunakan TDF sebagai bahan DFSA. Rongga cincin serat terdiri dari panjang gelombang divisi-multiplexer (WDM), serat yang didoping erbium (EDF), isolator (ISO), serat ragam tunggal (SMF), TDF, pengontrol polarisasi (PC) dan coupler luaran (OC). Dioda laser 986 nm (Anritsu AF4B150FA75L) digabungkan ke dalam WDM 980/1550 nm untuk memompa media penguatan yang merupakan EDF (Fiber core, I-25) sepanjang 2,4 m. ISO digunakan untuk mempertahankan propagasi searah dari laser pulsa. Sepotong SMF sepanjang 200 m ditempatkan ke dalam rongga untuk menyesuaikan dispersi rongga total. TDF komersial (Nufern, SM-TSF-9/125) sepanjang 12 cm dimasukkan ke dalam rongga antara SMF dan OC. Rugi-rugi yang bergantung pada polarisasi dari OC, WDM, dan ISO kurang dari 0,1 dB. 90:10 OC meneruskan sepuluh persen pulsa mode-locked. Dispersi kecepatan grup (GVD) merupakan faktor penting untuk mempertahankan stabilitas laser serat pulsa mode-locked. Nilai GVD EDF dan SMF dalam sistem masing-masing adalah 20,83 (ps/nm)km dan 16,38 (ps/nm)km, pada panjang gelombang 1570 nm. Panjang total rongga laser adalah sekitar 205 m, dan dispersi bolak-balik sekitar 4,28 ps2 karena dispersi yang diabaikan dari komponen optik lainnya, yang memastikan dispersi anomali bersih di rongga. Penambahan SMF sepanjang 200 m di rongga cincin dapat menyeimbangkan dispersi rongga total dengan nonlinier DFSA dan memungkinkan superposisi propagasi ragam longitudinal untuk memulai operasi mode-locked.
Spektrum optik laser direkam oleh penganalisis spektrum optik (Anritsu:MS9710C) dengan resolusi 0,05 nm. Ada dua spektrum yang diperoleh yaitu merah berpusat pada 1601,4 nm (pita L) yang merupakan spektrum operasi CW yang dipompa oleh sumber cahaya laser pemompa 986 nm, sedangkan yang hitam berpusat pada 1568,2 nm adalah spektrum operasi mode-locked dengan bandwidth 3-dB 1,2 nm. Penggabungan DFSA menghasilkan pergeseran spektrum optik menuju panjang gelombang yang lebih pendek karena adanya penyerapan yang disumbangkan oleh DFSA. Untuk mengkompensasi kehilangan penyerapan yang oleh DFSA, puncak intensitas digeser ke arah daerah rendah SMF. Spektrum penguncian ragam sangat halus tanpa multi-puncak yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan oleh Tao dkk. Dalam operasi CW, penguatan spontan diperoleh tanpa memasukkan SMF dan TDF. Setelah penyambungan SMF dan TDF ke dalam rongga cincin, spektrum bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dan penguatan spontan jelas dikompresi karena adanya interaksi antara dispersi anomali SMF dan efek nonlinier TDF. Ketika daya pompa dinaikkan secara bertahap menjadi 96 mW, pulsa penguncian ragam dapat dengan mudah dihasilkan dengan menala PC secara hati-hati. Laser serat dapat beroperasi dalam ragam penguncian yang stabil hingga daya pompa ditingkatkan menjadi 178 mW. Spektrum optik mode-locked masih dalam pita L. Profil intensitas pulsa ditangkap oleh autokorelator (AlnairLab HAC-200, resolusi < 5 fs). Hasil menggambarkan jejak autokorelasi yang terekam dari pulsa laser. Lebar penuh setengah maksimum (FWHM) 3,51 ps dapat diamati untuk fitting dengan kurva sech2. Mengingat faktor dekorrelasi 0,648, lebar pulsa aktual yang disimpulkan adalah 2,27 ps. Dibandingkan dengan nilai bandwidth-terbatas un-chirped dari pulsa berbentuk sech2 (0,315), produk bandwidth waktu dari pulsa adalah 0,331. Selanjutnya, alasan tambahan untuk mewujudkan pulsa ultrashort berasal dari masa pakai yang jauh lebih pendek dari tingkat energi 3 F4 di TDF yang berfungsi tidak hanya sebagai SA tetapi juga sebagai media penguatan dalam rongga EDFL yang dibuat. Dengan demikian, populasi tingkat energi 3 F4 berkurang terutama melalui emisi terstimulasi yang merupakan proses seketika. TDF hanya bekerja sebagai SA di EDFL Q-switched pasif, dan populasi tingkat energi 3 F4 meluruh terutama melalui transisi nonradiatif dan emisi spontan.
Sebagai penutup, kami telah berhasil mendemonstrasikan pembangkitan ultrashort pulsa dalam laser serat dengan menggunakan DFSA untuk pertama kalinya. Dalam percobaan, TDF sepanjang 12 cm digunakan sebagai DFSA untuk mencapai operasi mode-locked di EDFL. Operasi yang berbeda dari laser serat dengan peningkatan daya pompa dipelajari secara sistematis. Dalam operasi mode-locked, laser serat menghasilkan pulsa stabil dengan lebar pulsa 2,27 ps pada tingkat pengulangan 0,99 MHz. Daya puncak maksimum adalah 1,75 kW dan energi pulsa adalah 3,97 nJ. Dalam operasi ragam gabungan, ambang batas dapat diprediksi dari DFSA dengan mengantisipasi potensi peningkatan operasi daya. Dimanifestasikan bahwa DFSA memiliki kemampuan untuk mewujudkan pulsa picosecond, meskipun kinerjanya laser serat yang dibuat dapat ditingkatkan terus menerus. Di bidang akademik komunitas, SA nyata yang terdiversifikasi dan AFSA telah dieksplorasi untuk laser serat dengan konfigurasi berbeda dalam rentang panjang gelombang lebar yaitu 1,0; 1,55 dan 2,0 m. Hasil ini sebagai pertimbangan peneliti global yang menggunakan DFSA dapat menjadi teknik alternatif dan efektif untuk mencapai laser serat ultrashort. Karena keunggulan laser serat yang diaktifkan Q berdasarkan DFSA, ada prospek yang masuk akal bahwa lebih banyak jenis DFSA dapat dimanfaatkan untuk pembangkitan pulsa ultrashort, pengembangan laser serat soliton ragam terkunci, akan meningkatkan durasi pulsa ke tingkat femtosecond dan operasi pada panjang gelombang yang berbeda. Fabrikasi yang sangat sederhana, biaya rendah, stabilitas jangka panjang, dan struktur laser-serat dari sistem akan mendorong industrialisasi dan komersialisasi berbagai aplikasi dalam fotonik ultracepat.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0030399222000457
Pei Zhang, K. Dimyati, B. Nizamani, M. M. Najm, Moh. Yasin and Sulaiman Wadi Harun., Ultrashort pulse generation in All-fiber Erbium-doped fiber cavity with thulium doped fiber saturable absorber.
