Laser berdenyut (pulsed laser) telah muncul untuk berbagai aplikasi termasuk telekomunikasi, operasi laser, sensor dan teknologi jangkauan. Laser serat berdenyut berdasarkan saturable absorbers (SA) telah menarik banyak perhatian baru-baru ini karena kompatibel, stabil, dan berbiaya rendah. SA berfungsi sebagai modulator pasif di dalam rongga laser serat. Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) adalah salah satu SA yang dilaporkan secara luas untuk menghasilkan pulsa penguncian ragam (mode)yang stabil. Terlepas dari kenyataan bahwa SESAM dapat menghasilkan beberapa hasil yang menjanjikan sebagai SA, penyelarasan cermin yang tepat membuat sistem sedikit rumit. Untuk mengatasi keterbatasan SESAM ini, para peneliti telah mengeksplorasi beberapa SA lainnya. Carbon nanotubes (CNT) kemudian dilaporkan sebagai SA untuk mengatasi kompleksitas sistem. CNT adalah salah satu SA pasif yang sangat baik, karena memiliki biaya rendah dan membutuhkan fabrikasi sederhana. Namun, CNT membutuhkan rekayasa celah pita, yang membatasi kinerjanya. Berbagai bahan 2-D dilaporkan sebagai SA dalam literatur seperti graphene, transition metal dichalcogenides (TMDs) dan black phosphorus (BP). Graphene memiliki sifat optik yang sangat baik seperti waktu pemulihan yang sangat cepat dan lebar pita operasional yang luas. Namun, graphene mengalami kedalaman modulasi rendah per lapisan dan ambang kerusakan rendah yang membatasi operasinya pada daya pompa yang rendah. Di sisi lain, TMD dan BP memiliki kelemahan umum dari proses fabrikasi yang kompleks dan ambang kerusakan optik yang rendah. Saat BP bereaksi dengan oksigen, kinerjanya menurun saat terkena udara atau air.
Cara konvensional memasukkan SA ke rongga laser serat adalah dengan memasukkannya di antara ferrules serat. Sinyal optik dari inti (core) serat berinteraksi dengan SA pada titik penyisipan. Teknik ini memperkenalkan beberapa kerugian yang tidak diinginkan yang dihasilkan oleh konektor serat optik dan SA dapat rusak secara permanen selama penyisipan dan penyelarasan SA di dalam rongga laser serat. Jadi, dalam paper ini, kami menyimpan AZO di atas serat bentuk-D sebagai SA di EDFL untuk pertama kalinya. Serat bentuk-D memungkinkan interaksi materi cahaya di wilayah yang dipoles samping, meninggalkan sisa sinyal yang masih terbatas di inti serat. Pelapisan SA di atas wilayah de-cladded menawarkan interaksi materi cahaya yang lebih lama dan dengan demikian dapat meningkatkan ambang kerusakan bahan SA. Bahan SA yang diusulkan menghasilkan Q-switching yang stabil pada daya pompa 25 mW hingga 198 mW, sementara penguncian ragam berdenyut nanosekon dicapai beroperasi pada 1564.8 nm. Laser berdenyut nanosekon dapat digunakan dalam pemrosesan material seperti pemesinan mikro logam untuk membentuk struktur logam pada skala mikrometer.
Hasil menunjukkan diagram skematik serat bentuk-D yang dilapisi dengan AZO. Sebuah 50 mg AZO murni 99.9% didispersikan dalam pelarut 50 ml Isopropyl alcohol (IPA) dan diaduk menggunakan pengaduk magnet pada 400 rpm selama 2 hari, yang kemudian ditempatkan dalam penangas ultrasonik selama 1 jam. Larutan AZO-IPA yang telah disiapkan kemudian dijatuhkan di atas serat bentuk-D yang dibuat dan dibiarkan kering selama 2 jam. Pengaturan eksperimental EDFL yang menggabungkan serat bentuk-D berlapis AZO sebagai SA. Laser diode (LD) 980 nm dihubungkan untuk memulai penguat. Kemudian wavelength division multiplexer (WDM) 0.5 m dengan dua port input 980 nm dan 1550 nm dihubungkan, diikuti dengan erbium‐doped fiber (EDF) sepanjang 2 m. EDF memiliki aperture numerik 0.16, diameter inti 4 µm dan penyerapan 23 dB/m pada panjang gelombang 980 nm. Isolator ditempatkan di rongga EDFL untuk menghindari pantulan balik sinyal. Serat bentuk-D berlapis AZO yang kami siapkan kemudian dimasukkan setelah isolator sebagai SA. Coupler 95/5 dihubungkan setelah SA untuk membagi sinyal optik menjadi 5% untuk output dan 95% untuk umpan balik di rongga EDFL. Output 95% adalah umpan balik di dalam rongga untuk memungkinkan osilasi daya maksimum di dalam rongga agar SA menyerap sinyal. Empat perangkat dihubungkan pada keluaran untuk menganalisis kinerja penguat. OPM terhubung untuk mengukur daya keluaran rata-rata. Optical spectrum analyzer (OSA) yang memiliki panjang gelombang operasional dari 0.6 µm hingga 1.75 µm dihubungkan untuk menganalisis panjang gelombang pengoperasian. Osiloskop penyimpan digital (GWINSTEK: GDS-3352) memiliki laju sampling 5 giga samples per second (GSPS) dan resolusi vertikal 8 bit digunakan untuk mengamati rangkaian pulsa. Sementara, radio‐frequency spectrum analyzer (RFSA) digunakan untuk mengamati spektrum frekuensi. Baik RFSA dan osiloskop dihubungkan melalui fotodetektor cepat (THORLABS: DET01CFC). Panjang rongga adalah 7 m, termasuk serat bentuk-D 1 m. Group delay dispersion (GDD) rongga adalah 0.066 ps2, karena SMF, WDM dan EDF masing-masing memiliki group velocity dispersion (GVD) 21.7 ps2/km, 48.5 ps2/km dan 27.6 ps2/km.
Pada awalnya, penguncian ragam tidak dicapai dengan menggunakan serat bentuk-D pada kehilangan sisipan yang sama, karena kerugian 2 dB terlalu tinggi bagi AZO untuk menyerap cahaya untuk penguncian ragam. Dengan demikian, serat bentuk-D pada kehilangan sisipan 1 dB dilapisi dengan AZO dan dimasukkan ke rongga EDFL untuk memulai penguncian ragam. SMF sepanjang 200 m juga ditambahkan ke EDFL untuk meningkatkan nilai absolut GDD menjadi –4.406 ps2. Umumnya, operasi penguncian ragam pasif dapat dengan mudah diperoleh ketika rongga memiliki nilai absolut GDD yang tinggi, dan SA memiliki respons nonlinier yang sangat cepat. Oleh karena itu, penguncian ragam pulsa nanosekon dicapai oleh SA. Hasil menunjukkan kinerja penguncian ragam dari EDFL yang diusulkan. Kereta pulsa pada daya pompa 228.5 mW dan tingkat pengulangan pulsa dan lebar pulsa yang terekam masing-masing menjadi 0.97 MHz dan 470 ns. Dalam rentang waktu 12000 ns, tidak ada distorsi bentuk pulsa atau variasi amplitudo pulsa yang dapat diamati, yang menunjukkan bahwa penguncian ragam stabil. Lebar pulsa yang dicapai 470 ns dalam paper ini sebanding dengan laporan sebelumnya yang menggunakan samarium oxide (356 ns) dan zinc oxide (400 ns) sebagai SA untuk menghasilkan laser penguncian ragam pulsa nanosekon. Namun, lebar pulsa yang lebih pendek dapat dicapai dengan mengoptimalkan panjang rongga. Di sisi lain, penyerapan besar tak jenuh dari SA menghasilkan lebar pulsa yang lebih lebar dari laser penguncian ragam. Penyerapan SA yang tidak jenuh dapat dikurangi dengan meningkatkan panjang bagian sisi yang dipoles dari serat bentuk-D, sehingga memungkinkan interaksi medan yang lebih cepat berlalu dari ingatan dengan AZO. Hasil menyajikan spektrum frekuensi dari laser penguncian ragam pada daya pompa 228.5 mW. Hasil juga menunjukkan bahwa frekuensi pengulangan fundamental terletak pada 0.97 MHz dengan SNR tinggi 65 dB. Laser penguncian ragam memiliki panjang gelombang pusat 1564.8 nm dengan lebar pita spektral 1,6 nm. Daya keluaran rata-rata meningkat secara linier dengan kenaikan daya pompa dari 162.4 mW menjadi 228.5 mW. Daya keluaran rata-rata tertinggi yang dicapai, energi pulsa dan daya puncak masing-masing adalah 2.39 mW, 2.45 nJ dan 5.22 mW. Harus disebutkan bahwa kemungkinan mendapatkan pulsa baik dengan serat bentuk-D atau dengan IPA telah diuji. Kedua serat bentuk-D pada kehilangan sisipan 1 dB dan 2 dB telah dianalisis. Tidak ada denyut yang diamati dengan penyisipan serat bentuk-D yang tidak dilapisi atau setelah menjatuhkan IPA di atas serat-serat bentuk-D yang di dalam rongga EDFL. Hasil yang disajikan dalam makalah ini menunjukkan potensi tinggi SA yang baru dikembangkan dalam teknologi laser berdenyut.
Sebagai kesimpulan, laser serat pulsa Q-switched dan penguncian ragam berhasil ditunjukkan saat AZO diendapkan di atas serat bentuk-D untuk bertindak sebagai SA. Bahan SA memiliki penyerapan tak jenuh, kedalaman modulasi, dan intensitas saturasi masing-masing 47.4%, 3.2% dan 1142.7 MW/cm2. Laser Q-switched memiliki lebar pulsa berkurang dari 6.7 µs menjadi 2 µs dan tingkat pengulangan meningkat dari 23.26 kHz menjadi 83.9 kHz seiring dengan peningkatan daya pompa input. Sedangkan laser penguncian ragam memiliki lebar pulsa 470 ns dengan tingkat pengulangan 0.97 MHz. Kedua laser menghasilkan operasi yang stabil dengan SNR ~ 65 dB. Ini adalah pertama kalinya serat bentuk-D berlapis AZO digunakan untuk bertindak sebagai Q-switcher dan pengunci mode di rongga laser EDFL.
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/S2666950121000055
Bilal Nizamani, Muhammad Imran Mustafa Abdul Khudus, Sameer Salam, Mustafa Mohammed Najm, Afiq Arif Aminuddin Jafry, Effariza Hanafi, Moh Yasin, Sulaiman Wadi Harun.
