Teknik Q-switching telah banyak diteliti dan digunakan untuk menghasilkan laser pulsa pendek, yang memiliki banyak aplikasi mulai dari mikrofabrikasi, pencarian jangkauan dan pemotongan logam hingga perawatan medis. Secara tradisional, teknik aktif berdasarkan modulator akustik-optik dan elektro-optik banyak digunakan untuk memodulasi kehilangan rongga di rongga laser untuk Q-switching. Laser aktif Q-switched seringkali lebih rumit karena adanya perangkat besar di dalam rongga. Oleh karena itu, teknik pasif berdasarkan penyerap saturable (SA) lebih disukai karena kekompakan dan kesederhanaannya. Sampai saat ini, berbagai bahan SA termasuk graphene dan karbon nanotube berdinding tunggal (CNT) telah didemonstrasikan untuk menghasilkan laser pulsa Q-switched secara pasif karena karakteristik optik nonlinier yang sangat baik. Namun, bahan-bahan ini memiliki beberapa kelemahan seperti, penyerapan saturasi optik yang rendah per lapisan untuk graphene, sedangkan CNT memiliki respons rentang spektral tergantung pada ukuran nanopartikel. Laporan penelitian berbasis bahan karbon telah merangsang minat penelitian bahan baru lainnya seperti fosfor hitam (BP) untuk aplikasi Q-switching. BP memiliki waktu pemulihan yang cepat dan rentang spektral yang luas yang membedakannya dari bahan SA lainnya. Namun, beberapa faktor seperti ambang kerusakan yang rendah dan kerumitan dalam proses fabrikasi telah membatasi penggunaan BP sebagai Q-switcher.
Baru-baru ini, dichalcogenides logam transisi (TMD) juga telah diselidiki untuk pembangkitan laser pulsa Q-switched karena struktur pita elektronik seperti graphene. Misalnya, EDFL Q-switched yang stabil yang beroperasi pada 1560 nm berhasil ditunjukkan dengan menggunakan bahan molibdenum disulfida, yang dilapisi ke serat optik yang dipoles sebagai bahan SA. Dalam penelitian ini, EDFL dual-wavelength Q-switched ditunjukkan dengan menggunakan bahan TMD lain, yaitu tungsten disulfide (WS2) yang dilapisi ke resonator bola mikro (MSR) sebagai bahan SA. Bahan WS2 memiliki nonlinier optik orde ketiga yang tinggi, yang lebih disukai untuk mendapatkan laser serat pulsa dengan panjang gelombang ganda yang stabil.
Metode dan Hasil
EDFL dengan panjang gelombang ganda Q-switched yang dibuat didasarkan pada konfigurasi cincin. Serat yang didoping Erbium (EDF) sepanjang 2,4 m dengan panjang gelombang cut-off 950 nm dan aperture numerik 0,24 digunakan sebagai elemen penguatan laser. EDF memiliki penyerapan ion Erbium sebesar 90 dB/m pada panjang gelombang pemompaan 980 nm. Itu dipompa oleh dioda laser melalui multiplexer divisi panjang gelombang 980/1550 nm (WDM). Mikrosfer yang disiapkan dilapisi dengan WS2 dimasukkan ke dalam rongga laser melalui serat mikro yang berfungsi sebagai SA. Sebuah isolator digunakan untuk memastikan cahaya untuk melakukan perjalanan dalam satu arah, 10% dari laser yang keluar dari coupler 90/10 digunakan untuk mengukur daya dan karakteristik spektral dari laser Q-switched menggunakan power meter optik (THORLABS, PM310D) dan penganalisis spektrum optik (OSA) dengan resolusi 0,07 nm (ANRITSU, MS9710C). Sementara itu, karakteristik temporal laser dalam domain frekuensi dan waktu dianalisis menggunakan penganalisis spektrum frekuensi radio 7,8 GHz (ANRITSU, MS2683A) dan osiloskop penyimpanan digital 350 MHz (GWINSTEK, GDS-3352), melalui fotodetektor InGaAs 7-GHz. Rongga laser cincin ditutup dengan menyambungkan port coupler lainnya (90%) ke port sinyal input WDM.
Laser Pulsa Q-switched yang stabil terlihat saat daya pompa dinaikkan ke ambang awal 104,6 mW. Ambangnya relatif tinggi karena tingginya kehilangan rongga yang disebabkan oleh resonator bola mikro (MSR). Q-switching tetap stabil hingga daya pompa 145,8 mW. Namun, pulsa menjadi tidak stabil dan menghilang dengan peningkatan daya pompa lebih lanjut. Laju pengulangan diukur dari 72,4 kHz hingga 85,1 kHz sehubungan dengan daya pompa dari 104,6 mW hingga 145,8 mW. Hasil juga menunjukkan bahwa lebar pulsa berkurang dari 4,43μs menjadi 3,47µs karena daya pompa diubah dalam kisaran yang sama. Hal ini disebabkan ketergantungan inversi populasi dengan daya pompa. Daya pompa yang lebih tinggi menginduksi inversi populasi yang lebih tinggi untuk meningkatkan perolehan yang dapat dicapai dan intensitas laser di rongga EDFL. Selanjutnya, waktu naik turunnya pulsa menjadi lebih sempit karena efek saturasi. Durasi pulsa yang lebih pendek dapat diharapkan dengan mengurangi panjang rongga total. Rentang variasi daya luaran dan energi pulsa adalah 6,9 mW hingga 11,2 mW dan 95,7 nJ hingga 131,4 nJ. Daya luaran rata-rata dan energi pulsa meningkat secara linier dengan peningkatan daya pompa. Hal ini disebabkan oleh peningkatan inversi populasi dengan daya pompa. Efisiensi sekitar 10,4%, yang relatif lebih tinggi untuk laser serat cincin Q-switched. Ini menunjukkan bahwa insertion loss perangkat SA rendah.
Hasil eksperimen menunjukkan spektrum laser luaran yang dipantau dengan jelas dapat diamati dua panjang gelombang sekitar 1554,0 nm dan 1560,7 nm. Rasio sinyal optik terhadap noise dari kedua panjang gelombang lebih besar dari 32 dB. Mekanisme pembangkitan panjang gelombang ganda dapat dikaitkan dengan MSR, yang membuat filter buatan dalam rongga sehingga menimbulkan pembangkitan panjang gelombang ganda. Hasil juga menunjukkan jejak osiloskop tipikal dari rangkaian pulsa Q-switched pada daya pompa 145,8 mW. Juga ditemukan bahwa pulsa Q-switching konsisten, dan tidak ada modulasi amplitudo yang dapat dideteksi dalam rangkaian pulsa, yang menunjukkan bahwa tidak ada efek self-mode-locking selama aktivitas Q-switching. Durasi puncak-ke-puncak rangkaian pulsa diukur sekitar 11,8 µs, yang sesuai dengan tingkat pengulangan 85,1 kHz. Hasil menggambarkan spektrum RF dengan bandwidth resolusi 3 kHz pada daya pompa 145,8 mW. Frekuensi tingkat pengulangan diamati pada 85,1 kHz dengan rasio signal-to-noise (SNR) sebesar 35,3 dB. Penurunan intensitas harmonik orde tinggi mengikuti operasi Q-switched tipikal yang merupakan kebalikan dari penguncian mode (di mana intensitas dipertahankan pada harmonik orde tinggi).
Sebagai penutup, bahan SA berbasis WS2 telah berhasil diperoleh dengan mendepositkan lapisan WS2 ke MSR melalui metode drop-casting. MSR juga berfungsi sebagai filter selektif panjang gelombang untuk mewujudkan operasi Q-switched panjang gelombang ganda pada 1554,0 nm dan 1560,7 nm. Kereta pulsa yang stabil diamati dalam daya pompa 104,6 mW hingga 145,8 mW dengan laju pengulangan maksimum 85,1 kHz sesuai dengan durasi pulsa terpendek 3,47 s. Energi pulsa maksimum sebesar 131,4 nJ diperoleh pada daya pompa 145,8 mW. Laser Q-switched panjang gelombang ganda memiliki aplikasi potensial dalam Lidar udara, penginderaan lingkungan, dan pembangkitan sumber cahaya terahertz.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
U. U. M. Ali, S. W. Harun, N. F. Zulkipli, A. H. A. Rosol, H. A. Rahman, Z. Jusoh, M. Yasin., Simultaneous dual-wavelength Q-switched fiber laser utilizing tungsten sulfide as saturable absorber.
