Laser serat Q-switched dan mode-locked memiliki banyak potensi untuk digunakan dalam berbagai bidang seperti bedah medis, komunikasi optik, pengolahan material dan penginderaan jauh. Mereka dapat diwujudkan dengan aktif atau pasif metode. Metode aktif menggunakan modulator akustik-optik atau elektro-optik untuk menghasilkan pulsa dengan memodulasi kerugian resonator atau mengubah fase bolak-balik resonator. Di sisi lain, metode pasif menggunakan perangkat penyerap jenuh (SA), yang dapat memodulasi kerugian resonator lebih cepat daripada modulator aktif untuk menghasilkan pulsa yang lebih pendek. Dibandingkan dengan metode aktif, pendekatan pasif lebih disukai untuk menghasilkan pulsa Q-switching dan mode-locking karena banyak keuntungan dari segi biaya, kesederhanaan, fleksibilitas dan kekompakan. Laser serat yang didoping erbium (EDFL) juga mendapatkan minat yang besar baru-baru ini karena kematangan teknologi serat Erbium-doped (EDF) dan lebih murah serta
komponen optik yang beroperasi pada jendela komunikasi optik.
Pencarian material baru lainnya masih terus dilakukan dan minat terhadap oksida logam transisi (TMO) seperti Zinc oxide (ZnO) dan Holmium oksida (NiO) juga meningkat. Titanium dioksida (TiO2) adalah juga milik keluarga TMO dan diklaim memiliki waktu pemulihan yang cepat pada suhu kamar. Selain itu, hasil pemindaian Z menunjukkan bahwa ia memiliki karakteristik optik nonlinier yang signifikan. Dalam penelitian ini, kami mendemonstrasikan serat yang didoping Erbium dengan Q-switched dan laser mode-locked menggunakan TiO2, yang disiapkan dalam bentuk film tipis yang berfungsi sebagai bahan SA. TiO2 memiliki celah pita 3,2 eV dan memberikan keuntungan besar seperti: biaya yang relatif murah, lebih hemat energi dan juga daya tahan fisik yang lebih tinggi. Film ini digunakan dalam rongga EDFL yang sepenuhnya terintegrasi dengan serat untuk menghasilkan kereta pulsa Q-switching dan mode-locking yang stabil. Dengan memasukkan sepotong film TiO2 dalam rongga EDFL, laser yang dibuat menghasilkan Kereta pulsa Q-switched stabil pada 1563,3 nm dengan tingkat pengulangan meningkat dari 81,04 kHz menjadi 90,58 kHz sedangkan lebar pulsa berkurang dari 5,08 µs menjadi 4,12 µs saat daya pompa dinaikkan dari 104,6 mW menjadi 145,8 mW. Di samping itu, kereta pulsa mode-terkunci yang beroperasi pada 1562,8 nm dengan laju pengulangan konstan 1,86 MHz dan lebar pulsa 257 ns juga diamati ketika daya pompa meningkat dari 145,8 mW menjadi 187 mW.
Metode dan Hasil
30 mg bubuk TiO2 dicampur dengan 15 ml air de-ionisasi dan dicampur menggunakan pengaduk pelat panas magnetik pada suhu kamar selama sekitar 3 jam. Campuran tersebut kemudian dimasukkan ke dalam penangas ultrasonik selama satu jam untuk memastikan bahwa bubuk TiO2 tercampur dengan baik dengan air de-ionisasi. Langkah berikutnya adalah mencampur larutan air terionisasi TiO2 dan larutan PVA dengan rasio optimal 20ml:10ml. Larutan PVA dibuat dengan mencampurkan 1 g serbuk PVA dengan 120 ml air suling sebagai pelarut. Kedua solusi tersebut diaduk selama 1 jam menggunakan magnetic stirrer dan sekali lagi, campuran dimasukkan ke dalam penangas ultrasonik selama 30 menit. Akhirnya, suspensi TiO2 dituangkan dengan hati-hati ke cawan petri dan dibiarkan kering pada suhu kamar selama 48 jam untuk membentuk film komposit TiO2. Sepotong kecil film tipis TiO2 kemudian dilekatkan ke ferrule serat optik. Gel pencocokan indeks digunakan untuk membantu film menempel pada inti serat dan untuk mengurangi kerugian dari perangkat SA. Hasil menunjukkan energi analisis spektroskopi dispersif (EDS), yang menunjukkan film yang terkandung 51,99% Karbon, 32,81% Oksigen dan 11,94% elemen Titanium. Hasil menunjukkan karakteristik absorpsi linier dari film PVA TiO2, yang memiliki kehilangan absorpsi ~7,5 dB pada sekitar 1,5µm. Kurva transmisi non linier juga diukur untuk film TiO2 PVA. Hal ini menunjukkan bahwa kedalaman modulasi, intensitas jenuh dan penyerapan tak jenuh film masing-masing adalah 5%, 2,15 kW/cm2 dan 37 %.
Hasil menunjukkan bahwa diagram skema dari Q-switched pasif EDFL menggunakan film PVA TiO2 sebagai SA. Ini dikonfigurasi berdasarkan rongga cincin, yang terdiri dari serat erbium-doped (EDF) sepanjang 2,4 m sebagai media penguatan, isolator optik, perangkat SA, dan coupler luaran 10 dB. EDF memiliki Erbium penyerapan ion 23,9 dB/m pada 980 nm dengan panjang gelombang cut-off 900 nm, apertur numeric 0.24, diameter teras 5,1 µm dan diameter kelongsong 125,4 m. Itu dipompa melalui arah maju oleh dioda laser 974 nm. Fusi 980/1550-nm panjang gelombang divisi multiplexer (WDM) digunakan untuk menggabungkan foton pompa dengan sinyal. Film PVA TiO2 dipotong menjadi potongan kecil sehingga dapat dipasang ke ferrule serat. Kemudian dihubungkan ke ferrule serat bersih melalui adaptor serat untuk membentuk SA yang kompatibel dengan serat. Gel pencocokan indeks diterapkan pada sambungan untuk meminimalkan refleksi. Bahan SA kemudian diintegrasikan ke dalam rongga laser yang berfungsi sebagai Q-switched atau mode-locked. Isolator digunakan untuk memastikan propagasi cahaya searah di dalam rongga dan dengan demikian meningkatkan stabilitas pembangkitan pulsa.
Rongga laser dapat dimodifikasi untuk menghasilkan pulsa mode-locked dengan menambahkan serat mode tunggal (SMF) sepanjang 100 m ke dalam rongga. Tambahan SMF menyediakan pergeseran fase tiap perjalanan pulang pergi di rongga untuk membantu dalam pembangkitan pulsa ragam-terkunci. Luaran laser diambil dari port 10% dari luaran coupler sambil membiarkan 90% foton laser berosilasi di dalam ring rongga. Port luaran selanjutnya dibagi dengan coupler serat 50/50 untuk mengaktifkan dua pengukuran simultan. Penganalisis Spektrum Optik dan osiloskop dengan fotodetektor kecepatan tinggi masing-masing digunakan untuk memantau spektrum luaran dan rangkaian pulsa. Penganalisis spektrum frekuensi Radio 7,8 GHz digunakan untuk mengukur frekuensi pengulangan dan stabilitas laser Q-switched dan mode-locked. Pengukur daya (Thorlabs PM 100D) digunakan untuk mengukur daya keluaran rata-rata dari laser pulsa dalam hubungannya dengan detektor foto InGaAs.
Pulsa mode-locked dapat dihasilkan dengan menambahkan SMF sepanjang 100 m di dalam rongga laser. Fungsi SMF untuk meningkatkan nonlinier rongga dan menyeimbangkan dispersi. Bahan SA TiO2 memberikan penyerapan saturable yang besar untuk memungkinkan pembentukan pulsa yang kuat, sehingga menghasilkan self-starting yang stabil dan pembangkitan lebar pulsa pendek. Laser memulai operasi penguncian ragam di pompa ambang daya 145,83 mW. Operasi dipertahankan hingga daya pompa 187.04 mW. Hasil menunjukkan spektrum optik EDFL yang dikunci ragam pada daya pompa sebesar 187.04 mW. Laser dioperasikan pada panjang gelombang tengah 1562,8 nm dengan bandwidth 3dB 0,8 nm. Pulsa pengunci ragam menghasilkan spektrum dengan pita samping Kelly, yang menunjukkan operasi soliton. Hasil juga menunjukkan jejak osiloskop khas laser pada daya pompa masukan sebesar 187.04 mW, yang menunjukkan amplitudo pulsa yang sangat stabil dan seragam. Durasi puncak ke puncak diperoleh pada 0,538 ns, yang sesuai dengan tingkat pengulangan 1,86 MHz. Hasil menunjukkan jejak autokorelator yang khas dari EDFL yang dikunci ragam bersama dengan sech2. Lebar pulsa adalah sekitar 3,34 µs menunjukkan spektrum RF dari laser mode-locked dengan rentang 10 MHz. Ini menunjukkan frekuensi dasar 1,86 MHz dengan signal-to-ratio (SNR) 61,7 dB. SNR yang relatif besar menunjukkan stabilitas laser yang sangat baik.
Sebagai penutup, kami telah berhasil mendemonstrasikan pembuatan pulsa Q-switched dan mode-locked di rongga EDFL dengan menggunakan film TiO2 sebagai bahan SA. Q-switched yang stabil pada laser pulsa diperoleh pada panjang gelombang yang beroperasi pada 1563,3 nm. Seiring dengan kenaikan daya pemompa dari 104,6 mW menjadi 145,8 mW, laju pengulangan pulsa meningkat dari 81,04 kHz menjadi 90,58 kHz dan lebar pulsa berkurang dari 5,08 µs menjadi 4,12 µs. Laser Q-switched 90,58 kHz memiliki SNR sekitar 63 dB, yang menunjukkan stabilitas operasi Q-switching dan energi pulsa maksimum adalah 22,63 nJ. Dengan menambahkan SMF sepanjang 100 m di dalam rongga, diperoleh EDFL mode-locked soliton yang stabil. Tingkat pengulangan hampir konstan pada 1,86 MHz dengan lebar pulsa 3,34 ps. Laser mode-locked memiliki SNR tinggi 61,7 dB. Sebagai dibandingkan dengan bahan lainnya, bahan TiO2 memiliki kinerja yang cukup baik.
Penulis: Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di: https://www.oldcitypublishing.com/journals/nloqo-home/nloqo-issue-contents/nloqo-volume-54-number-3-4-2021/18878-2/
N. Ahmad , N. F. Zulkipli, B. Musa, M. I. M. Ali, Z. Jusoh, M. Yasin and S. W. Harun.
Q-Switched and Mode-Locked Pulse Generation with Titanium Oxide Based Saturable Absorber Film. PACS: 42.60.Gd, 42.55.Wd, 42.70.Nq
