Laser serat Q-switched pasif telah memperoleh perhatian yang luar biasa karena berbagai aplikasinya dalam pencarian jangkauan, penginderaan, pemrosesan material, telekomunikasi, dan obat-obatan. Mereka biasanya dihasilkan dengan memodulasi kehilangan rongga yang menggunakan perangkat Saturable Absorber (SA). Dalam dekade terakhir, cermin penyerap saturable semikonduktor (SESAMs) dianggap sebagai salah satu perangkat SA paling matang; dengan demikian, mereka telah banyak digunakan di banyak pengaturan laser komersial. Dibandingkan dengan Q-switcher aktif konvensional, mereka memiliki banyak keunggulan dalam hal fleksibilitas dan stabilitas. Selain itu, mereka dapat memberikan modulasi amplitudo cepat. Namun, SESAM biasanya mahal untuk fabrikasi dan memiliki kelemahan bandwidth operasi yang sempit, yang mungkin membatasi aplikasinya. Saat ini, pertimbangan substansial juga telah diberikan untuk SA berbasis nanomaterial, yang berbiaya rendah dan lebih sederhana serta lebih mudah untuk dibuat. Carbon nanotubes (CNTs), graphene, dan isolator topologi (TIs) telah banyak digunakan dalam pembangkitan pulsa Q-switched dan penguncian ragam. Namun, CNT memiliki operasi yang bergantung pada panjang gelombang terbatas, sementara graphene menunjukkan kedalaman modulasi yang relatif rendah dan dengan demikian membatasi aplikasinya dalam pembangkitan pulsa.
Dalam karya ini, kami mewujudkan penguat optik yang kompak dan flat-gain menggunakan media gain berdasarkan serat codoped Hafnium-Bismuth-Erbium (HBEDF). Kami juga secara eksperimental mendemonstrasikan pembangkitan pulsa Q-switched dalam rongga EDFL yang dikonfigurasi dengan media penguatan HBEDF, menggunakan film tipis Sb2Te3 yang baru dikembangkan sebagai SA. Rongga cincin terdiri dari HBEDF sepanjang 20 cm dan perangkat SA, yang disiapkan dengan menanamkan Sb2Te3 ke dalam Polivinil Alkohol (PVA). Film tersebut diintegrasikan ke dalam rongga cincin EDFL untuk pembangkitan pulsa melalui Q-switching. Saat daya pompa dinaikkan secara bertahap, pulsa Q-switched yang stabil diperoleh ketika daya pompa ditetapkan dalam 69,9-105,0 mW. Daya luaran maksimum yang dapat dicapai dan energi pulsa masing-masing adalah 2,33 mW dan 32 nJ.
Metode dan Hasil
Kami mempelajari pembangkitan pulsa laser serat Q-switched yang dikonfigurasi dengan media penguatan HBEDF, memanfaatkan sifat penyerapan film tipis Sb2Te3. Kami mengilustrasikan diagram skematik dari pengaturan laser, di mana sepotong kecil film tipis Sb2Te3 diintegrasikan dalam rongga cincin untuk memodulasi kehilangan rongga intra. Film Sb2Te3 diapit di antara dua konektor serat di rongga laser. Refleksi palsu bisa dihilangkan dengan menerapkan indeks pencocokan gel pada konektor. HBEDF sepanjang 20 cm dengan konsentrasi ion Erbium 12500 wt ppm digunakan sebagai media penguatan. Serat ini memiliki koefisien penyerapan sekitar 100 dB/m pada 980 nm. Ini dipompa oleh laser dioda 980 nm ke arah belakang melalui multiplexer divisi panjang gelombang (WDM). Isolator yang tidak peka terhadap polarisasi digunakan untuk memaksa perambatan cahaya searah di dalam rongga cincin. Sekitar 10% dari luaran laser diekstraksi menggunakan coupler 10/90 untuk analisis. Cahaya yang tersisa (90%) diarahkan ke perangkat SA sehingga dapat disimpan di rongga untuk berosilasi. Daya luaran laser dan karakteristik temporal dipantau oleh pengukur daya optik dan osiloskop digital 350 MHz yang digabungkan dengan fotodetektor 2 GHz. Kami menganalisis karakteristik luaran laser dalam domain panjang gelombang dan frekuensi masing-masing dengan penganalisis spektrum optik (OSA) dan penganalisis spektrum RF (RFSA). Total panjang rongga diukur sekitar 3,9 m.
Kami mengilustrasikan spektrum optik pada daya pompa maksimum 105,0 mW. Laser beroperasi pada panjang gelombang tengah 1560,7 nm dan bandwidth 3 dB diukur dengan presisi sekitar 0,1 nm. Kami menunjukkan jejak osiloskop yang sesuai dari laser Q-switched. Ini menunjukkan jarak puncak-ke-puncak atau periode pulsa sekitar 13,4 s, yang dapat diterjemahkan ke tingkat pengulangan 74,8 kHz. Kami menyajikan selubung pulsa tunggal laser, yang memiliki setengah maksimum lebar penuh (FWHM) sebesar 6,8 s. Tidak ada modulasi intensitas puncak maupun fluktuasi amplitudo pada rangkaian pulsa karena daya pompa ditala dalam rentang laju pengulangan yang dapat ditala, yang menunjukkan stabilitas tinggi dari status Q-switching. Kami menunjukkan spektrum RF, yang diperoleh untuk menyelidiki stabilitas pulsa Q-switched dalam EDFL berbasis Sb2Te3. Daya pompa ditetapkan pada 105,0 mW. Spektrum RF menunjukkan rasio signal-to-noise (SNR) yang tinggi sekitar 51,5 dB, menunjukkan stabilitas yang sangat baik. Stabilitas yang sangat baik diharapkan karena penekanan pantulan dengan penggunaan isolator optik di rongga, serta penerapan gel pencocokan indeks di setiap konektor serat. Juga dicatat bahwa tidak ada fenomena penguncian ragam yang diperoleh dalam pengaturan rongga ini.
Laju pengulangan dan karakteristik lebar pulsa dari pulsa luaran diukur pada berbagai daya pompa. Variasi kecepatan pengulangan pulsa dan lebar pulsa terlihat jelas dari grafik. Saat daya pompa meningkat dari 69,9 menjadi 105,0 mW, laju pengulangan pulsa meningkat dari 47,7 menjadi 74,8 kHz, sementara lebar pulsa menurun secara progresif dari 9,8 menjadi 6,8 s. Fenomena ini disebabkan oleh efek kompresi penguatan dalam rongga EDFL dan merupakan ciri khas untuk laser serat Q-switched pasif. Saat kita meningkatkan daya pompa, film Sb2Te3 membutuhkan waktu yang lebih singkat untuk mencapai saturasi dan lebih banyak waktu untuk keluar dari keadaan tereksitasi. Hal ini menyebabkan pembangkitan lebar pulsa lebih pendek dan tingkat pengulangan yang lebih tinggi. Laser Q-switched beroperasi dalam rentang antara 69,9 dan 105,0 mW. Namun, rangkaian pulsa menghilang saat daya pompa dinaikkan melebihi 105,0 mW. Pada cahaya intensitas tinggi, film SA menjadi terlalu jenuh dan membatasi proses de-eksitasi. Daya luaran dan karakteristik energi pulsa dari pulsa luaran seperti yang dapat dilihat bahwa baik daya luaran dan energi pulsa hampir meningkat secara linier seiring dengan peningkatan daya pompa. Ini berarti bahwa ketika daya pompa meningkat, energi yang tersimpan dalam serat aktif meningkat dan hal ini menyebabkan peningkatan intensitas luaran laser. Sebaliknya energi pulsa maksimum sebesar 31,2 nJ diperoleh pada daya pompa 105,0 mW. Durasi pulsa yang lebih pendek dapat diharapkan dengan lebih lanjut mengurangi panjang rongga total dan meningkatkan kedalaman modulasi SA. Kedalaman modulasi dapat ditingkatkan dengan meningkatkan proses persiapan SA.
Kesimpulannya, Kami berhasil meningkatkan film Sb2Te3 yang digunakan dalam rongga EDFL untuk Q-switching. Laser beroperasi pada 1560,7 nm, dan laser Q-switched diperoleh karena daya pompa 980 nm melebihi daya pompa 69,9 mW. Operasi Q-switching tetap stabil sampai daya pompa 105,0 mW. Laju pengulangan pulsa bervariasi dari 47,7 hingga 74,8 kHz dengan perubahan daya pompa dari 69,9 menjadi 105,0 mW. Pada daya pompa 105,0 mW, lebar pulsa minimum dan energi pulsa maksimum dicatat masing-masing pada 6,7 µs dan 31,2 nJ. Frekuensi dasar laser dalam spektrum RF menunjukkan SNR setinggi 51,5 dB, sehingga menunjukkan stabilitas pulsa Q-switched. Hasil ini menunjukkan bahwa film PVA Sb2Te3 dapat digunakan untuk pembangkitan pulsa di daerah panjang gelombang 1,55 m.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://link.springer.com/article/10.1007/s10946-022-10057-yUmi Namirah Zakaria, Mukul Chandra Paul, Shyamal Das, Anirban Dhar, Nur Farhanah Zulkipli, Ahmad Haziq Aiman Rosol, Moh Yasin & Sulaiman Wadi Harun
