Universitas Airlangga Official Website

Menghasilkan Pulsa Q-switched Daya Tinggi Berdasarkan Serat Berbentuk Busur dan Serat Meruncing dengan Sb2Te3

Foto by BBC

Laser serat berdenyut daya tinggi umumnya digunakan di industri untuk berbagai keperluan, seperti pemotongan laser, pengukiran, dan aplikasi biomedis. Laser ini menggunakan media penguatan yang dipompa kelongsong, biasanya serat berlapis ganda, yang dapat dipompa oleh dioda laser multimode berdaya tinggi. Metode ini dapat menghasilkan daya keluaran yang lebih tinggi daripada media penguatan mode tunggal yang membatasi pemompaan pada daya yang lebih rendah. Untuk operasi di wilayah 1,5 µm, erbiumytterbium co-doped fibers (EYDFs) berlapis ganda  biasanya digunakan untuk operasi daya tinggi karena ion ytterbium (Yb3+) yang didoping bersama mengurangi efek pendinginan pada serat yang didoping erbium mode tunggal / erbium-doped fibers ( EDF).

Laser berdenyut dapat dikategorikan sebagai Q-switching dan mode-locking. Laser mode-locking menghasilkan pulsa ultrashort mulai dari durasi pulsa picoseconds hingga femtoseconds dengan energi pulsa rendah. Sebaliknya, Q-switching dapat menghasilkan pulsa dengan energi yang lebih signifikan tetapi durasi pulsa yang lebih luas, membuatnya berguna dalam aplikasi industri seperti deteksi optik, komunikasi, dan reflektometri.

Q-switching dapat dihasilkan melalui metode pasif atau aktif. Karena kekompakan, biaya rendah, dan fleksibilitas desain, Q-switched pasif dengan saturable absorber (SA) akan lebih disukai daripada laser berbasis Q-switching aktif. Pengembangan awal teknik Q-switching pasif didasarkan pada semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs). Namun, SESAM memiliki kelemahan, termasuk proses produksi yang rumit, biaya tinggi, dan rentang operasi yang sempit. Karena semua keterbatasan ini, peneliti menemukan cara alternatif untuk mengembangkan laser Q-switched pasif yang berfokus pada saturable absorber (SA) 2 dan 3 dimensi. Carbon nanotubes (CNTs), graphene, transition metal dichalcogenides (TMDs), dan topological insulators (Tis) adalah beberapa bahan untuk potensi SA. Keandalan bahan ini untuk generasi laser berdenyut kemudian mendorong minat lebih lanjut pada bahan lain seperti bismutena, antimonida, fosfor hitam, nanopartikel perak, titanium dioksida, dan titanium disulfida.

Pekerjaan ini menunjukkan potensi antimony telluride (Sb2Te3) untuk berfungsi sebagai SA untuk menginduksi Q-switching daya tinggi di wilayah 1.5 µm. Larutan Sb2Te3 dijatuhkan ke serat berbentuk busur dan meruncing untuk membentuk SA. SA kemudian dikerahkan ke dalam rongga erbium-ytterbium-doped fiber laser (EYDFL) berlapis ganda. Daya keluaran tertinggi dihasilkan oleh serat berbentuk busur yang dilapisi Sb2Te3, yaitu sebesar 140.2 mW. Tingkat pengulangan yang dihasilkan oleh serat berbentuk busur yang dilapisi dengan Sb2Te3 berkisar antara 35.7 hingga 91.3 kHz, dengan lebar pulsa berkisar antara 2.51 hingga 1.65 µs. Sementara itu, serat tirus yang dilapisi Sb2Te3 menghasilkan pulsa Q-switched dengan tingkat pengulangan berkisar antara 39.2 hingga 5.76 kHz dan lebar pulsa berkisar antara 16.34 hingga 5.14 µs. Namun, tapered fiber yang dilapisi Sb2Te3 hanya mampu menghasilkan daya keluaran maksimal sebesar 21.7 mW. Karya ini menunjukkan bahwa Sb2Te3 dengan serat berbentuk busur dan meruncing dapat menghasilkan pulsa Q-switched dengan energi pulsa yang tinggi.

Hasilnya menunjukkan hubungan antara daya keluaran rata-rata dan energi pulsa terhadap daya pompa. Energi pulsa dan daya keluaran meningkat secara linier dengan peningkatan daya pompa. Daya keluaran rata-rata adalah 28.5 mW pada daya pompa 1.34 W. Pada kejadian daya pompa ini, energi pulsa adalah 797 nJ. Pada daya pompa maksimum 2.7 W, daya keluaran meningkat menjadi 140.2 mW dengan energi pulsa 1537 nJ. Keluaran Q-switching konstan, dapat direproduksi, dan stabil bahkan ketika intensitas daya puncak berada pada titik tertinggi. Hasilnya menampilkan hubungan antara daya puncak terhadap daya pompa. Daya puncak dapat dihitung dengan membagi energi pulsa dengan lebar pulsa. Daya puncak meningkat dari 318 mW menjadi 930 mW ketika daya pompa ditingkatkan dari 1.4 W menjadi 2.8 W. Daya puncak tertinggi yang diperoleh adalah 930 mW, dihasilkan pada daya pompa maksimum.

Seperti yang ditunjukkan, Sb2Te3 kompatibel sebagai SA untuk menghasilkan Q-switching berdaya tinggi di area C-band. Untuk membuat SA, larutan Sb2Te3 diintegrasikan masing-masing ke serat berbentuk busur dan serat runcing. SA kemudian dikerahkan ke dalam rongga EYDFL. Untuk serat berbentuk busur dengan Sb2Te3, diperoleh pulsa Q-switched pasif pada daya pompa 1.34 W, sedangkan ambang serat tirus yang dilapisi Sb2Te3 adalah 0.4 W. Daya optik tertinggi dihasilkan oleh serat berbentuk busur berlapis Sb2Te3, yang adalah 140.2 mW. Serat tirus yang dilapisi Sb2Te3 hanya mampu menghasilkan daya keluaran maksimum 21.7 mW. SA ini menghasilkan pulsa Q-switched dengan tingkat pengulangan mulai dari 5.76 kHz hingga 39.2 kHz dan lebar pulsa mulai dari 5.14 hingga 16.34 µs. Ini menunjukkan bahwa Sb2Te3 dapat bertindak sebagai SA yang efisien dalam pulsa Q-switched daya tinggi tanpa degradasi.

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/S1350449523000397

DOI: https://doi.org/10.1016/j.infrared.2023.104581