Berbagai penelitian tentang pembangkitan pulsa mode-locked dalam beberapa tahun terakhir karena aplikasinya yang luas di beberapa bidang termasuk penginderaan jauh, pemrosesan bahan, obat-obatan, penemuan jangkauan, dan telekomunikasi telah dipublikasikan di berbagai jurnal. Ini karena banyak keunggulannya termasuk daya puncak tinggi dan pulsa optik ultrashort. Jenis laser ini dapat dihasilkan dengan teknik aktif atau pasif. Dibandingkan dengan teknik aktif, pendekatan pasif lebih disukai karena kelebihannya dalam hal kemudahan penanganan, efektivitas biaya dan kekompakan. Perangkat penyerap jenuh (SA) biasanya digunakan dalam teknik pasif sebagai pengunci ragam. Sampai saat ini, banyak bahan telah digunakan sebagai bahan SA untuk mewujudkan laser serat ragam-terkunci. Misalnya, cermin penyerap saturable semikonduktor (SESAM), karbon nanotube (CNT) dan graphene banyak digunakan dalam teknologi laser serat. SESAM menawarkan stabilitas selama intensitas cahaya yang tinggi tetapi beroperasi dalam daerah bandwidth yang sempit. Karena keterbatasan ini, penelitian fokus pada CNT dan graphene, yang dapat dibuat dengan biaya lebih rendah dan dapat beroperasi dalam daerah bandwidth yang luas. Baru-baru ini, kelompok isolator topologi, logam transisi dichalcogenide, nanopartikel logam mulia dan fosfor hitam juga telah digunakan sebagai SA untuk penguncian mode.
Baru-baru ini, beberapa kemampuan bahan fase MAX dilaporkan dalam aplikasi laser serat, seperti penyerapan nonlinier yang tinggi, peralihan optik yang cepat, ambang kerusakan yang sangat baik, menjadikannya SA yang lebih disukai dibandingkan dengan bahan berbasis 2D lainnya . Secara umum, bahan fase MAX adalah karbida heksagonal dan nitrida. Ini terdiri dari elemen tunggal dari logam transisi awal (yaitu yang mewakili M) dan elemen golongan A (yaitu unsur kimia golongan), dengan X yang mewakili karbon atau nitrogen untuk membentuk bahan fase MAX . Selain itu, ia memiliki kombinasi yang sangat baik dari sifat fisik, kimia, mekanik, dan listrik. Titanium aluminium carbide (Ti2AlC) merupakan salah satu material yang termasuk dalam senyawa fase MAX. Ini telah mendapat perhatian besar karena ketahanannya terhadap suhu tinggi dan mengandung oksidasi yang baik. Sebelumnya, Lee dkk. menggunakan Ti2AlC sebagai Q-switcher di rongga Erbium-doped fiber laser (EDFL).
Di dalam paper ini, kami telah mengusulkan penggunaan film Ti2AlC untuk mewujudkan operasi mode-locked di EDFL. Bubuk Ti2AlC komersial dicampur dengan larutan polivinil alkohol (PVA) untuk membuat film tipis SA melalui pendekatan pengecoran. Film ini ditempatkan di antara dua ferrules dan diintegrasikan ke dalam rongga cincin EDFL untuk berfungsi sebagai pengunci ragam.
Metode dan Hasil
Proses langkah demi langkah untuk membuat film Ti3AlC2 adalah sebagai berikut. Mula-mula larutan fase MAX diperoleh dengan mencampurkan serbuk Ti3AlC2 dan larutan polivinil alkohol (PVA). PVA adalah bahan inang yang lebih disukai karena kelarutannya yang tinggi dalam air, kekuatan tarik tinggi, dan kemudahan pengemulsi. Selain itu, ia memiliki kemampuan pembentukan film yang sangat baik sambil menunjukkan titik lebur yang lebih tinggi 200 0C dibandingkan dengan bahan polimer lainnya seperti polimetil metakrilat (PMMA) (67 0C) dan polietilen oksida (PEO) (160 0C) . Di sini, film PVA digunakan untuk menahan sinar laser di dalam rongga laser. Larutan PVA sebelumnya disintesis dengan mencampurkan 1 g serbuk PVA dengan 120 mL air deionisasi (DI), kecepatan pengadukan dijaga pada 300 rpm, suhu 200 0C, dan proses berlangsung dalam 24 jam. Larutan PVA ini kemudian dituang ke dalam gelas kimia yang bersih dengan serbuk Ti3AlC2 10 mg. Larutan Ti3AlC2 diperoleh setelah 24 jam pengadukan dan 2 jam sonikasi, kemudia dituang ke dalam cawan petri dan dibiarkan kering pada suhu kamar selama minimal 48 jam untuk membentuk lapisan tipis Ti3AlC2. Film ini dikupas dari cawan petri dan dipotong dengan dimensi sekitar 1 mm x 1 mm. Film tipis ditempatkan pada ferrule serat sehingga dapat digunakan sebagai SA untuk pembangkitan pulsa.
Dalam eksperimen ini, EDFL menghasilkan penguat gelombang kontinu (CW) pada daya pompa ambang 20 mW. Hal ini disebabkan rendahnya rugi splicing antara komponen optik. Namun, pulsa ultrashort hanya terlihat saat daya pompa mencapai 66,3 mW. Daya pompa ambang tinggi untuk penguncian ragam disebabkan oleh penyerapan film Ti3AlC2 yang tidak jenuh dan rendah. Operasi penguncian ragam dipertahankan hingga daya pompa 97,6 mW. Hasil menunjukkan karakteristik temporal dari ultrashort waktu pulsa seperti yang dilacak dari osiloskop pada daya pompa maksimum yang dapat dicapai 97,6 mW. Ini menunjukkan periode pulsa sekitar 550 ns, yang sesuai dengan tingkat pengulangan 1,8 MHz dan cocok dengan panjang rongga 106 m. Dari hasil yang terekam dalam autokorelasi, yang diperoleh pada daya pompa 97,6 mW. Ini menunjukkan pulsa transform-limited dengan durasi 5,02 ps.
Stabilitas pulsa ragam-terkunci (mode-locked) yang dihasilkan juga dilakukan dengan menangkap spektrum RF pada daya pompa 97,6 mW. Spektrum menunjukkan frekuensi dasar pada 1,8 MHz dengan rasio signal-to-noise (SNR) lebih dari 70 dB. NS nilai SNR yang tinggi menunjukkan bahwa stabilitas denyut nadi lebih unggul. Hal ini lebih lanjut dikonfirmasi dengan pengamatan banyak harmonik dalam rentang frekuensi 25 MHz. Laser mode-locked beroperasi pada panjang gelombang tengah 1559,7 nm, dengan 3 dB bandwidth 0,51 nm). Seperti yang terlihat, sideband Kelly kecil dan puncak sempit spektrum optik telah diamati, yang merupakan elemen khas soliton. Produk bandwidth waktu untuk laser terkunci ragam ini dihitung sekitar 0,316, yang sangat dekat dengan batas transformasi. Ini dikaitkan dengan rongga laser, yang beroperasi dalam daerah anomali dengan dispersi penundaan kelompok 2,94 ps2.
Sebagai penutup, kami telah berhasil menghasilkan pulsa mode-locked menggunakan SA berbasis Ti3AlC2 yang baru dikembangkan karena daya pompa ditingkatkan di atas ambang batas 66,3 mW. SA disiapkan dengan menanamkan Ti3AlC2 ke dalam PVA untuk membentuk film SA dengan kedalaman modulasi 2%. Dengan memasukkan SA ke dalam rongga EDFL, rangkaian pulsa soliton yang beroperasi pada 1559,7 nm dihasilkan dengan laju pengulangan fundamental 1,8 MHz dan durasi pulsa 5,02 ps. Laser mode-locked menghasilkan daya luaran rata-rata 8,34 mW, energi pulsa 4,46 nJ dan daya puncak 0,89 kW, pada daya pompa 97,6 mW. Eksperimen ini menunjukkan potensi yang menjanjikan dari bahan Ti3AlC2 sebagai sejenis SA untuk pembangkitan pulsa dan perangkat modulator optik nonlinier lainnya.
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/S0030402621013607
Suziana Omar, A.H.A. Rosol, A.A.A. Jafry, Nur Farhanah Zulkipli, Zulzilawati Jusoh, Baktiar Musa, Moh Yasin, Sulaiman Wadi Harun, Ti3AlC2 MAX phase thin film as saturable absorber for generating soliton mode-locked fiber laser.https://doi.org/10.1364/AO.418760
