Teknologi laser serat telah banyak digunakan dalam bidang Teknik dan kedokteran karena manfaatnya yang luar biasa dalam memberikan kualitas berkas sinar laser berintensitas tinggi, pulsa pendek, dan daya puncak tinggi. Sebuah laser Q-switched pasif adalah salah satu teknik yang paling umum digunakan untuk menghasilkan emisi pulsa pendek dalam serat optik dengan memanfaatkan perangkat optik yang dikenal sebagai penyerap saturable (SA). Perangkat SA telah menjadi fokus para penelti untuk menginduksi penguat berdenyut dalam beberapa tahun terakhir karena kemudahan penggunaan dan biaya fabrikasi yang rendah.
Baru-baru ini, senyawa fase-Max telah menjadi banyak perhatian dalam aplikasi fotonik dan elektronik. Mereka terdiri dari kombinasi elemen tunggal dari logam transisi awal (yaitu yang melambangkan M), unsur golongan A (yaitu unsur kimia dalam golongan 13-14), dan unsur kimia X yang mewakili karbon atau nitrogen. Juga, mereka memiliki sifat yang signifikan seperti konduktivitas listrik yang sangat baik, konduktivitas termal, fleksibilitas mekanik, koefisien penyerapan non-linier yang besar, dan ambang kerusakan yang sangat baik. Chromium Aluminium Carbide (Cr2AlC) termasuk dalam famili fasa-MAX yang dipilih dalam penelitian ini sebagai SA pada daerah 1,5 m. Cr2AlC ditemukan pada tahun 1980 dan dianggap sebagai bahan ideal tahan terhadap suhu tinggi dan tahan korosi karena sifat bersama logam dan keramik. Dalam penelitian ini, dampak dari dua Cr2AlC SA yang berbeda pada EDFL Q-switched dieksplorasi melalui eksperimen secara komparatif. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ketebalan film, insertion loss, intensitas saturasi, dan kedalaman modulasi Cr2AlC SA berpengaruh terhadap kinerja laser. Disamping tingkat pengulangan 137 kHz dan lebar pulsa 1,2 s direalisasikan pada ketebalan bahan Sa Cr2AlC dengan panjang sekitar 16 m.
Metode dan Hasil
Hasil menunjukkan bahwa dua ketebalan film yang berbeda dari bahan SA Cr2AlC dieksplorasi menggunakan rongga cincin laser serat. Rongga EDFL terdiri dari laser dioda 980 nm (LD) yang dipompa ke rongga cincin melalui WDM 980/1550 nm, 1 m serat erbium-doped (EDF), 0,5 m dari WDM memiliki kecepatan kelompok dispersi (GVD) sebesar 48,5 ps2/km. EDF terdiri dari penyerapan ion erbium sebesar 23 dB/m pada 980 nm dengan GVD 27,6 ps2/km, diameter inti (core) 4 m, diameter selongsong (cladding) 125 m, dan bukaan numerik 0,16; yang digunakan sebagai media penguatan. Isolator (ISO) ditempatkan setelah EDF untuk mempertahankan tren laser dalam satu arah. Coupler optik (OC) 90:10 digunakan untuk mengekstraksi 10% daya rongga EDFL untuk memantau kinerja luaran laser dan 90% disimpan di dalam rongga laser untuk mempertahankan umpan balik laser. Dua percobaan operasi Q-switched EDFL dievaluasi dan diukur dengan osiloskop 350 MHz (OSC), penganalisis spektrum frekuensi radio (RFSA) 7,8 GHz (Anritsu: MS2683A), pengukur daya optik (OPM) (Thorlabs: PM100D), dan penganalisis spektrum optik (OSA) (MS9710C).
Percobaan telah dilakukan pada EDFL berdasarkan dua SA film tipis Cr2AlC PVA yang berbeda pada ketebalan yang berbeda. Pada sampel 16 m, operasi Q-switched EDFL menghasilkan tingkat pengulangan yang bervariasi dari 92 kHz hingga 137 kHz dengan lebar pulsa 1,8 µs hingga 1,2 µs pada daya pompa 66 mW hingga 167 mW. Selanjutnya, film tipis diganti dengan ketebalan sampel 45 m yang lebih besar, sementara sisa pengaturan eksperimental tetap tidak berubah. Pengoperasian Q-switched berada pada kisaran daya pompa dari 96 mW hingga 167 mW. Juga tingkat pengulangan meningkat dari 77 kHz menjadi 99 kHz; sedangkan lebar pulsa menurun dari 1,86 s menjadi 1,4 s. Variasi dalam durasi pulsa laser mungkin merupakan hasil dari aksi gabungan intensitas saturasi dan kedalaman modulasi yang telah dicapai dalam sampel 16 m ini. Hasil menggambarkan korelasi linier antara daya luaran rata-rata yang diperoleh dan energi pulsa berdasarkan daya pompa yang berbeda untuk dua film Cr2AlC yang berbeda. Dalam sampel 16 m, energi pulsa dan daya luaran rata-rata meningkat dari 19 nJ menjadi 35 nJ dan 1,7 mW menjadi 4,8 mW, pada daya pompa masing-masing 66 mW hingga 167 mW. Sedangkan sampel 45 m memiliki energi pulsa dan daya luaran rata-rata dari 40 nJ hingga 50 nJ dan 3,1 mW hingga 5 mW, pada daya pompa 96 mW hingga 167mW.
Operasi Q-switched juga dianalisis dengan menggunakan RFSA dan OSC pada daya input maksimum 167 mW. Film dengan ketebalan yang berbeda dimasukkan ke dalam rongga erbium dengan proses terpisah. Hasil rangkaian pulsa seragam muncul untuk dua operasi EDFL sakelar-Q yang berbeda. Dalam sampel 16 m, laju pengulangan dan lebar pulsa masing-masing sekitar 137 kHz dan 1,2 µs pada daya pompa maksimum 167 mW. Lebar pulsa yang diukur dari periode nadi tercatat sekitar 7,3 µs yang sesuai dengan tingkat pengulangan maksimum yang telah diperoleh. Pada percobaan kedua, film yang digunakan diubah menjadi sampel 45 m, periode pulsa menjadi sekitar 10 µs yang sesuai dengan tingkat pengulangan dikurangi menjadi 99 kHz dan lebar pulsa minimum ditingkatkan menjadi 1,4 µs. Ini karena ketika ketebalan film tipis meningkat, akan kehilangan penyisipan SA yang tinggi di dalam rongga. Terlepas dari peningkatan ketebalan film tipis, SA dipertahankan tepa pada stabilitas tinggi dengan kinerja tinggi dari proses operasi Q-switched. Juga SNR bervariasi dari 16 m dan 45 m pada sampel film tipis adalah sekitar 77 dan 73 dB, yang sesuai dengan tingkat pengulangan 137 kHz dan 99 kHz. Ambang kerusakan untuk kedua ketebalan film lebih dari 180 mW. Tidak ada operasi mode-locked yang diamati dalam rongga laser cincin saat ini untuk dua ketebalan film yang berbeda karena hilangnya rongga besar yang menahan jumlah mode longitudinal berosilasi. Namun, operasi mode-locked dapat diwujudkan dengan menambahkan serat mode tunggal (SMF) ke dalam rongga laser untuk meningkatkan nonlinier dan dispersi kecepatan grup total (GVD).
Penulis: Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1068520022000360
Effect of MAX phase chromium aluminum carbide thin film thickness on Q-switched Erbium-doped fiber lasers., Mustafa Mohammed Najm, Ahmed Shakir Al-Hiti, Bilal Nizamani, Mohammed Najm Abdullah, A. H.A. Rosol, Pei Zhang, Sarah Mohammed Najm, Hamzah Arof, Zian Cheak Tiu, Moh Yasin, Sulaiman Wadi Harun.
