Laser serat Q-switched sangat diminati dalam spektroskopi, konversi frekuensi nonlinier, pemrosesan bahan industri, dan bidang lainnya. Mereka direalisasikan dengan memodulasi kehilangan rongga secara berkala melalui teknik aktif atau pasif. Teknologi laser telah membuat kemajuan yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir, di mana berbagai peredam saturable absorbers (SA) telah dikembangkan untuk pembangkit pulsa pendek dan ultrapendek melalui Q-switching dan teknik mode-locking. Perangkat SA menghasilkan pulsa melalui saturasi penyerapan cahaya, menggunakan prinsip pemblokiran Pauli. Laser serat Q-switched dan mode-locked umumnya telah direalisasikan, menggunakan perangkat buatan berdasarkan efek nonlinier, seperti teknik nonlinear optical loop mirror (NOLM) dan nonlinear polarization rotation (NPR), atau perangkat SA nyata seperti semiconductor SA mirror (SESAM) [6] atau beberapa bahan lain dengan sifat optik yang sangat baik.

Baru-baru ini, karbida logam transisi, termasuk fase MAX, juga mendapat perhatian besar karena sifat optik dan listriknya yang sangat baik. Mereka memiliki bentuk polikristalin heksagonal yang terbuat dari karbida dan nitrida, dengan rumus umum Mn+1AXn, di mana M adalah logam transisi awal, A adalah elemen golongan-A (biasanya III A dan IV A), dan X menunjukkan nitrida atau karbida. Fase MAX adalah bahan yang berguna untuk suhu tinggi dan aplikasi nuklir dan ruang angkasa karena sifatnya yang unik yang menggabungkan keunggulan keramik dan logam. Ini menduplikasi sifat logam seperti konduktivitas listrik dan termal yang sangat baik, kekerasan yang relatif rendah, modulus elastisitas tinggi, ketidakpekaan terhadap kejutan termal, kekuatan lentur sedang, dan toleransi kerusakan tinggi pada suhu tinggi. Seperti keramik, ia memiliki ketahanan oksidasi yang baik hingga 1400◦C, kepadatan yang relatif rendah, dan dekomposisi serta suhu leleh yang tinggi. Properti ini bermanfaat untuk banyak aplikasi, termasuk kapasitor elektrokimia, sensor, katalis, dan perangkat optik. Fase MAX memiliki bentuk polikristalin heksagonal yang terbuat dari karbida dan nitrida. Dalam makalah ini, kami melaporkan pembangkit pulsa Q-switched menggunakan bahan Titanium-silicon carbide (Ti3SiC2) sebagai SA. Ti3SiC2 termasuk dalam karbida lapis terner atau material fasa MAX. Kami memilihnya sebagai SA untuk menyelidiki apakah biaya rendah dan bahan massal dapat digunakan untuk mewujudkan pulsa Q-switched dengan kinerja yang sebanding dengan bahan nano 2D sebelumnya. Di sini, kami mendemonstrasikan penggunaan serat SA berdasarkan film tipis komposit polyvinyl alcohol (PVA) Ti3SiC2 untuk menghasilkan pulsa Q-switched yang beroperasi pada panjang gelombang 1.5 µm. Dengan mengintegrasikan SA yang diusulkan ke dalam Erbium-doped fiber laser (EDFL), pulsa Q-switched yang dimulai sendiri yang beroperasi pada 1561.8 nm berhasil direalisasikan.

Kami menunjukkan skema eksperimental dari konfigurasi laser serat Q-switched yang diusulkan. Rongga laser terdiri dari wavelength division multiplexer (WDM) sepanjang 980/1550 nm, Erbium-doped fiber (EDF) sepanjang 2,4 m (Fibercore, I25), isolator optik, optical coupler (OC), dan perangkat SA. EDF yang digunakan sebagai media penguatan memiliki koefisien serapan sebesar 23.9 dB/m pada panjang gelombang 979 nm. Bukaan numerik, diameter inti, dan diameter kelongsong serat masing-masing adalah 0.24, 5.8 µm, dan 125.4 µm. Dioda laser 980 nm digunakan sebagai sumber pemompaan. Itu digabungkan ke media penguatan melalui WDM. Isolator dipasang setelah EDF untuk mendapatkan perambatan cahaya searah di dalam rongga laser. Keluaran laser diekstrak melalui port 20% dari 80 : 20 OC. SA berbasis Ti3SiC2 yang disiapkan ditempatkan setelah OC sebagai Q-switcher. Ini dibangun dengan menempatkan sepotong kecil film tipis Ti3SiC2/PVA yang telah disiapkan di antara dua ferrules serat. Analisis pulsa Q-switched dilakukan dengan menggunakan oscilloscope (OSC) (GWINSTEK: GDS-3352) dan radio-frequency spectrum analyzer (RFSA) (Anritsu: MS2683A) bersama dengan photodetector (Thorlabs: DET01CFC). OCS, RFSA, dan photodetector masing-masing memiliki bandwidth 350 MHz, 7.8 GHz, dan 1.2 GHz. Daya keluaran dan spektrum laser Q-switched diukur masing-masing dengan menggunakan optical power meter (OPM) (Thorlabs: PM100D) dan optical spectrum analyzer (OSA) (MS9710C).

Hasilnya menggambarkan tingkat pengulangan yang diukur dan lebar pulsa sebagai fungsi dari daya pompa yang datang. Saat pompa insiden naik dari 35.0 menjadi 71.5 mW, laju pengulangan meningkat dari 23.6 menjadi 43.5 kHz, sedangkan lebar pulsa berkurang dari 10.16 menjadi 5.61 µs sebaliknya, karena efek kompresi penguatan yang diinduksi pemompaan yang kuat. Fenomena tersebut sesuai dengan fitur khas laser serat Q-switched. Menampilkan daya output rata-rata dan menghitung energi pulsa di bawah kekuatan pompa yang berbeda. Saat daya pompa meningkat dari 35.0 menjadi 71.5 mW, daya keluaran rata-rata meningkat dari 1.37 menjadi 4.38 mW, yang membuktikan bahwa efisiensi laser sekitar 8.27%. Energi pulsa juga meningkat dengan peningkatan daya pompa; energi pulsa maksimum diperoleh pada 100.7 nJ.

Kinerja laser serat Q-switched berbasis Ti3SiC2 yang diusulkan juga dibandingkan dengan yang dilaporkan baru-baru ini, EDFL Q-switched pasif menggunakan bahan SA lainnya terlihat pada Tabel 1. Hasilnya menunjukkan bahwa fase Ti3SiC2 MAX memiliki kedalaman modulasi tertinggi, dan kami memperoleh energi pulsa tertinggi 100,7 nJ pada EDFL Q-switched pasif. Dari perbandingan yang disajikan pada Tabel 1, terlihat jelas bahwa kinerja SA berbasis Ti3SiC2 sebanding dengan material 2D lainnya. Kami percaya bahwa peningkatan kinerja Q-switching dan operasi mode-locking dapat diperoleh dengan optimalisasi lebih lanjut dari rongga serat dan parameter SA.

Sebagai kesimpulan, kami telah melaporkan Q-switched EDFL, menggunakan film tipis Ti3SiC2 sebagai SA pasif. Film tipis SA dengan kedalaman modulasi 51% diperoleh dengan menjatuhkan larutan Ti3SiC2/PVA dan mengeringkannya pada suhu kamar. Dengan mengintegrasikan film tipis Ti3SiC2/PVA yang telah disiapkan ke dalam rongga EDFL, kami memperoleh pulsa Q-switched yang stabil yang beroperasi pada 1561.8 nm, dan mencapai energi maksimum sebesar 100.7 nJ pada tingkat pengulangan 43.5 kHz. Lebar pulsa minimum dari pulsa keluaran adalah 5.6 µs pada daya pompa 71.5 mW. Kami percaya bahwa demonstrasi eksperimental ini mengungkapkan potensi material fase Ti3SiC2 MAX yang signifikan dalam aplikasi laser fotonik dan serat, terutama dalam pembangkitan pulsa. Perlu dicatat bahwa bahan curah berbiaya rendah dapat menjadi pilihan yang lebih disukai untuk penerapan SA praktis, karena tidak memerlukan peralatan canggih dan proses fabrikasi yang rumit.

Pengusul: Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.

Link paper ini:

https://link.springer.com/article/10.1007/s10946-023-10134-w

penulis:

M. A. A. B. Sahib, Rozalina Zakaria, Nur Farhana Zulkipli, Ahmad H. A. Rosol, Moh Yasin, and Sulaiman Wadi Harun.