Laser jenis pulsa telah menarik perhatian para peneliti karena aplikasinya yang luas dalam pemrosesan material, penginderaan jauh, kedokteran, penemuan jangkauan dan telekomunikasi. Mereka memiliki banyak keuntungan, seperti energi tinggi dan periode pulsa optic pendek. Kedua laser mode-locked dan Q-switched dapat dihasilkan dengan teknik aktif atau pasif. Dibandingkan dengan teknik aktif, pendekatan teknik pasif lebih disukai karena kelebihannya yaitu sederhana, ringkas, dan hemat biaya. Penyerap saturable (SA) digunakan sebagai perangkat penting dalam rongga laser serat optik pasif untuk menghasilkan laser pulsa mode-locked dan Q-switched.
Banyak bahan SA dilaporkan dalam literatur untuk mewujudkan laser serat mode-locked dan Q-switched. Misalnya, cermin penyerap saturable semikonduktor (SESAM), karbon nanotube (CNT) dan graphene banyak digunakan sebagai SA dalam teknologi laser serat. SESAM menawarkan stabilitas selama intensitas cahaya tinggi, tetapi beroperasi dalam daerah bandwidth yang sempit. Karena keterbatasan ini, lebih banyak publikasi penelitian terfokus pada CNT dan graphene, yang dapat dibuat dengan biaya rendah, dan beroperasi dalam daerah bandwidth yang luas. Baru-baru ini, keluarga isolator topologi, yaitu logam transisi dichalcogenide, logam mulia nanopartikel dan fosfor hitam juga telah digunakan sebagai SA untuk baik mode-locking dan Q-switching.
Di dalam riset ini, kami telah menggunakan lapisan MXene Ti3C2Tx untuk mewujudkan ragam-terkunci dan Operasi Q-switched di EDFL. MXene Ti3C2Tx diperoleh dengan teknik etsa selektif sederhana dan kemudian dicampur dengan larutan polivinil alkohol (PVA) untuk membuat lapisan tipis. Lapisan tipis yang dibuat adalah slot di antara dua ferrules serat dan dimasukkan ke dalam cincin rongga EDFL sebagai SA untuk menghasilkan mode-locked dan laser Q-switched. Laser Q-switched dan mode-lock yang dibuat dioperasikan dalam panjang gelombang C-band wilayah.
Metode dan Hasil
Kami melakukan etsa selektif Ti3C2Tx dengan asam fluorida untuk membuat MXene Ti3C2Tx. MAX Ti3AlC2 dan asam fluorida (Merck KGaA), sementara bubuk PVA diperoleh dari Sigma Aldrich. Proses etsa dilakukan pada suhu kamar selama Enam Jam. Kami memperoleh sampel Ti3C2Tx melalui filtrasi vakum oleh membran filter polivinil difluoride, kemudian dikeringkan menggunakan oven vakum pada suhu 80°C selama 24 jam untuk membentuk lempung. Bubuk itu kemudian dikumpulkan dan dimasukkan ke dalam gelas kimia yang bersih. Selanjutnya, 20 mg serbuk Ti3C2Tx dicampur dengan 40 mg serbuk PVA dan 40 ml air deionisasi. Campuran itu kemudian diaduk pada suhu kamar selama 24 jam. Kami menggunakan rendaman ultrasonik selama 2 jam, untuk memisahkan aglomerat Ti3C2Tx partikel dengan kavitasi. Kemudian, sekitar 5 ml Ti3C2Tx larutan dituangkan pada cawan petri bersih dan dibiarkan kering selama 48 jam. Film MXene Ti3C2Tx kering adalah dikupas dan dipotong dengan diameter kurang lebih 3 cm sampai digunakan sebagai SA di EDFL.
Penyerapan nonlinier dari film MXene Ti3C2Tx kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan pendekatan deteksi keseimbangan kembar. Dalam pengukuran ini, kami menggunakan laser pulsa buatan rumah sebagai sumber cahaya. Pulsa luaran laser dioperasikan pada panjang gelombang pusat 1561,1 nm dengan tingkat pengulangan 0,9 MHz dan pulsa lebar 6.4 ps. Port luaran laser adalah terhubung ke penguat serat yang didoping erbium (EDFA), dan kemudian ke atenuasi optik variabel untuk menyesuaikan intensitas keluaran laser. Coupler 3 dB digunakan setelah attenuator untuk membagi daya menjadi dua bagian. Bagian pertama terhubung langsung ke meteran daya optik sebagai daya referensi. Bagian lain melewati SA berbasis Ti3C2Tx dan daya transmisi dicatat oleh meteran daya optik lainnya. Hasil menunjukkan profil optik nonlinier untuk film MXene, yang diperoleh dengan membandingkan spektrum daya luaran dengan dan tanpa SA. Penyerapan jenuh dan penyerapan tidak jenuh diukur sekitar 4,8% dan 3,6%. Intensitas jenuh dari film MXene Ti3C2Tx adalah sekitar 20 MW/cm2.
Dengan melepas SMF sepanjang 100 m dari rongga laser, EDFL beroperasi dalam daerah Q-switched. Panjang total rongga diperkirakan sekitar 5,8 m. Kerja Q-switching dimulai di laser saat kami menyetel daya pompa dalam kisaran dari 19 mW hingga 66 mW. Daya ambang batas untuk operasi Q-switching lebih rendah dari ambang penguncian ragam. Hal ini dikaitkan dengan hilangnya rongga yang lebih rendah sebagai SMF. Hasil yang diajikan dalam jejak osiloskop pada daya pompa 19 mW menunjukkan puncak ke puncak dengan periode 24,53 µs, yang mewakili tingkat pengulangan dari 40,75 kHz. Saat daya pompa dinaikkan menjadi 45 dan 66 mW, periode puncak ke puncak menurun dari 16,48 µs hingga 13,07 µs, yang sesuai dengan tingkat pengulangan 60,68 dan 76,48 kHz. Pola penurunan puncak ke periode puncak dan tren peningkatan tingkat pengulangan adalah ditunjukkan karakteristik khas laser Q-switched sebagai puncak ke periode puncak yang dihasilkan pulsa berbanding terbalik dengan tingkat pengulangan dengan peningkatan daya pompa.
Selanjutnya, kami memeriksa daya luaran rata-rata, daya puncak, dan energi pulsa individu dari Q-switched pulsa sebagai fungsi daya pompa. Hasil menunjukkan bahwa semua parameter, termasuk daya luaran rata-rata, puncak daya, dan energi pulsa, meningkat dengan meningkatnya daya pompa. Misalnya, dengan meningkatnya daya pompa, daya luaran rata-rata meningkat dari 0,46 mW menjadi 5,9 mW dengan efisiensi kemiringan 10,69%. Energi pulsa maksimal dan daya puncak diperoleh pada 77 nJ dan 30 mW, pada daya pemompaan 66 mW. Tingkat pengulangan meningkat terus menerus dengan peningkatan daya pompa, hingga maksimum 76,48 kHz (pada daya pompa 66 mW). Di sisi lain, lebar pulsa tetap menyempit dari 6,12 µs menjadi 2,6 µs karena daya pompa input dinaikkan dari 19 menjadi 66 mW. Fenomena ini disebabkan oleh pemompaan yang kuat, yang menginduksi efek kompresi, dan tren serupa telah diamati pada laser serat Q-switched berbasis SA.
Untuk memeriksa stabilitas pulsa luaran, spektrum RF diukur pada daya pompa 66 mW. Frekuensi dasar dari Q-switched laser diperoleh pada 76,48 kHz dengan SNR setinggi 67 dB. Laser Q-switched dioperasikan dalam karakteristik pulsa luaran dari tingkat pengulangan karena banyak harmonik frekuensi diperoleh dan lebar pulsa terhadap daya pompa. Q-switched bekerja dimulai ketika daya pompa input mencapai 19 mW, dan dioperasikan pada tingkat pengulangan 40,75 dalam rentang 1000 kHz. Kami mengamati penurunan intensitas puncak untuk harmonik orde tinggi. Namun, fluktuasi kecil di puncak untuk sepersepuluh harmonik untuk harmonik ketiga belas adalah karena interferensi antara puncak. Kedua spektrum dioperasikan di wilayah C-band, yang bekerja pada panjang gelombang laser Q-switched yang bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek sekitar 7 nm. Spektrum luaran juga memiliki kerugian yang rendah dan efisiensi gain yang tinggi.
Pada akhirnya, kami telah berhasil membuat ragam-terkunci dan Pulsa Q-switched menggunakan MXene yang baru dikembangkan sebagai bahan SA berbasis Ti3C2Tx. Bahan Ti3C2Tx dibuat dari MAX Ti3AlC2 dengan teknik etsa selektif, yaitu kemudian disematkan ke PVA untuk membentuk film tipis.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09500340.2021.1967494?journalCode=tmop20
A.H.A. Rosol, A. A. Aminuddin Jafry, B. Nizamani, N. F. Zulkipli, M. I. M. A. Khudus, M. Yasin & S. W. Harun, MXene Ti3C2Tx thin film as a saturable absorber for passively mode-locked and Q-switched fibre laser. DOI: 10.1080/09500340.2021.1967494
