Mekanisme Q-switching adalah salah satu teknik penting untuk menghasilkan pulsa pendek, yang diterapkan secara luas dalam pengembangan laser pulsa dalam dekade terakhir. Itu dapat dicapai dengan memodulasi faktor-Q dalam laser rongga menggunakan metode aktif atau pasif. Secara konvensional, elemen aktif seperti modulator elektro-optik atau akustik-optik digunakan untuk memodulasi faktor-Q. Namun, modulator ini mahal dan memerlukan jumlah komponen besar, yang meningkatkan biaya produksi dan kompleksitas dari sistem laser. Baru-baru ini, banyak paper telah dikhususkan untuk secara pasif memodulasi faktor-Q rongga dengan menggunakan perangkat penyerap saturable (SA), yang dikembangkan menggunakan beberapa bahan baru. Pendekatan ini mungkin menjadi alternatif dan solusi yang lebih murah untuk pembangkitan pulsa pendek. Laser Q-switched dapat diterapkan dalam aplikasi yang luas, misalnya, fabrikasi mikro, pemrosesan bahan laser, pencarian jangkauan, penginderaan jauh, tato pengangkatan, perawatan kulit, dan operasi medis.
Natrium karbonat (Na₂CO₃) adalah salah satu senyawa natrium (Na) yang menjadi pilihan bahan SA dalam penelitian ini. Na₂CO₃ memiliki beberapa manfaat antara lain bahan melimpah, biaya rendah, dan toksisitas rendah. Selain itu, terlibat dalam pembuatan pasta gigi, pembersih, sabun, dan deterjen. Bahan itu tidak membahayakan kesehatan manusia dan juga biokompatibel, karena ramah lingkungan. Na₂CO₃ dapat ditemukan di bidang penelitian lain juga karena manfaatnya yang luas, di mana ia digunakan sebagai zat pereduksi kimia untuk meningkatkan konduktivitas listrik bahan. Na₂CO₃ digunakan dalam aplikasi baterai sebagai konduktor elektronik tanpa perlu konduktor ion di bagian katoda.
Dalam makalah ini, kami telah dilakukan penelitian secara eksperimental mengamati Na₂CO₃ sebagai teknik pasif Q-switcher untuk menghasilkan pulsa pendek di rongga laser serat yang didoping erbium (EDFL). Na₂CO₃ dibenamkan dalam polivinil alkohol (PVA) untuk membuat tipis film. Kami mencapai laser Q-switched yang memiliki lebar pulsa terpendek 1.2 detik, temuan ini menunjukkan bahwa SA baru berdasarkan film tipis Na₂CO₃-PVA memiliki potensi luar biasa dalam laser serat dan dapat digunakan untuk menghasilkan Q-switched pulsa pada daerah 1550 nm. Pemodelan teoretis dengan mempelajari perilaku persamaan gelombang elektromagnetik dan persamaan getaran seperti gelombang dengan algoritma iterasi fraksional, variasi algoritma iterasi-I, dan algoritma iterasi variasi-II. Namun, penelitian kami ini murni berdasarkan studi eksperimental dan itu tidak memerlukan solusi numerik pada tahap ini.
Dalam riset ini, Na₂CO digunakan sebagai senyawa utama untuk fabrikasi SA. Itu tertanam ke dalam film tipis PVA. PVA digunakan sebagai polimer inang karena sifatnya kemampuan pembentukan film yang sangat baik dan fleksibilitas mekanik yang tinggi. Selanjutnya, itu memiliki sifat fisik dan ketahanan kimia yang berbeda. Langkah awal fabrikasi film tipis adalah dengan melarutkan 5 mg bubuk Na₂CO₃ ke dalam 2,5 ml isopropil alkohol (IPA). Selanjutnya, larutan ditempatkan di ultrasonic selama sekitar 30 menit, sebelum diaduk selama sekitar 3 jam untuk mendapatkan larutan homogen (larutan A). Di sisi lain, 1 g bubuk PVA ditambahkan ke 120 ml air suling untuk menyiapkan larutan PVA. Kemudian larutan PVA diaduk selama 1 jam pada suhu kamar normal. Akhirnya, larutan Na₂CO₃ yang telah disiapkan sebelumnya dicampur secara menyeluruh dengan larutan PVA melalui proses pengadukan dan sonikasi. Campuran larutan tersebut kemudian dituangkan ke dalam cawan petri dan dibiarkan kering dalam oven pada suhu suhu tetap 80 °C selama 2 jam untuk memungkinkan pembentukan Na₂CO₃ film tipis PVA. Film tipis Na₂CO₃ diukur memiliki ketebalan 60 m.
Pulsa Q-switched yang stabil terlihat saat daya pompa dinaikkan ke ambang awal 71 mW. Q-switching tetap stabil dari daya pompa 71 mW menjadi 162 mW, tetapi, ketika daya pompa ditingkatkan melebihi 162 mW, pulsa Q-switched menjadi tidak stabil dan menghilang dengan peningkatan daya pompa. Laju pengulangan diukur dari 70,42 kHz hingga 94,7 kHz berkaitan dengan daya pompa dari 71 mW hingga 162 mW. Hasil menunjukkan bahwa lebar pulsa berkurang dari 2,45 µsekon menjadi 1,2 µsekon karena daya pompa diubah dalam kisaran yang sama. Daya pompa input yang lebih tinggi yang menghasilkan inversi populasi yang lebih besar dan dapat meningkatkan perolehan yang dicapai dalam rongga EDFL. Penguatan yang lebih tinggi, dapat meningkatkan intensitas laser. Selanjutnya, waktu naik dan turun dari pulsa Q-switched pasif menjadi lebih sempit karena saturasi bahan SA. Durasi pulsa yang lebih pendek dapat diharapkan dengan mengurangi panjang rongga total. Rentang variasi energi pulsa dan daya luaran masing-masing adalah 24 nJ hingga 31 nJ dan 1,7 mW hingga 2,9 mW. Daya luaran rata-rata dan energi pulsa meningkat secara linier dengan peningkatan daya pompa. Ketika daya pompa berada di atas 104 mW, daya luaran akan meningkat sampai batas tertentu dan kemudian mncapai kestabilan sekitar 2,9 mW, yang pada gilirannya mempengaruhi energi pulsa yang sesuai dari laser Q-switched. Hal ini disebabkan oleh peningkatan inversi populasi dengan daya pompa.
Sebagai penutup, Kami telah berhasil mendemonstrasikan EDFL Q-switched pasif dengan menggunakan bahan SA berbasis Na2CO3-PVA. Film tipis Na2CO3-PVA adalah dimasukkan ke EDFL yang dapat membangkitkan Q-switched yang stabil bekerja sebagai laser pulsa. Rangkaian pulsa Q-switched yang stabil berhasil dihasilkan dalam kisaran daya pompa 71-162 mW. Sebisa mungkin daya pompa 162 mW untuk operasi Q-switched, laju pengulangan maksimum dicapai pada 94,7 kHz, sedangkan lebar pulsa minimum adalah 1,2 µsekon. SNR tinggi pada frekuensi dasar 94,7 kHz dicapai menjadi sekitar 73,51 dB. Ini menunjukkan bahwa operasi pulsa yang dihasilkan cukup stabil. Proses fabrikasi sederhana bahan SA berbasis Na2CO3 untuk pembangkitan pulsa Q-switched yang stabil. Laser Q-switched yang telah dibuat dapat diaplikasikan untuk bidang telekomunikasi dan medis.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01468030.2021.1942334?journalCode=ufio20
Mustafa Mohammed Najm, Bilal Nizamani, Pei Zhang, Sameer Salam, Hamzah Arof, Norrima Mokhtar, Ahmed Shakir Al-Hiti, Moh Yasin & Sulaiman Wadi Harun., Sodium Carbonate for Generating Q-Switched Pulses in 1550 nm Region.
