Pendahuluan
Laser serat memiliki berbagai aplikasi industri dan ilmiah, seperti pemrosesan bahan semikonduktor, aplikasi medis bedah laser, light detection & ranging (LIDAR), dan energi terarah dalam aplikasi pertahanan. Ada beberapa mode operasi – continuous wave (CW), Q-switching, dan operasi penguncian mode, yang dikategorikan berdasarkan fitur temporal emisi keluaran. Dibandingkan dengan operasi CW, laser Q-switched menunjukkan daya puncak pulsa yang kuat dan akumulasi panas yang minimal. Selain itu, biaya implementasi dan kompleksitas laser Q-switched relatif lebih rendah daripada laser modelock. Keuntungan di atas memperluas kelayakan laser Q-switched di banyak aplikasi. Saturable Absorbers (SAs) adalah salah satu teknik yang paling efektif untuk menginduksi operasi Q-switching secara pasif. Dalam pengembangan awal laser Q-switched pasif, penelitian ekstensif menggunakan berbagai jenis Saturable Absorbers (SAs), seperti kristal metaldoped, serat Sm-doped, struktur sumur kuantum semikonduktor, dan nanotube karbon telah dilaporkan. Misalnya, Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAMs) banyak digunakan untuk membuat laser serat pulsa Q-switched dan mode-locked. Namun, ambang kerusakan SESAM yang rendah adalah salah satu kendala kritis. Selain itu, SESAM menunjukkan keterbatasan bandwidth operasi yang sempit, dan proses fabrikasi yang kompleks. Akibatnya, menjelajahi SA alternatif dengan biaya produksi dan pemrosesan yang rendah, rentang bandwidth yang lebar, dan kesederhanaan adalah arah penelitian yang disorot.
Dalam pengembangan laser serat dan sistem penguat serat, REE telah banyak digunakan dalam bentuk serat yang didoping tanah jarang berfungsi sebagai media penguatan. Misalnya, iterbium (Yb), praseodymium (Pr), erbium (Er), dan thulium (Tm) digunakan sebagai media penguatan masing-masing untuk daerah 1 m, Oband, C-band dan 2 m. Dengan kinerja luar biasa sebagai media penguatan dalam laser serat dan sistem penguat serat, potensi REE lainnya dalam laser serat banyak dieksplorasi. Misalnya, dengan penyerapan jenuh yang kuat dalam panjang gelombang tertentu, serat yang didoping tanah jarang telah dilaporkan sebagai penyerap jenuh untuk menginduksi denyut dalam sistem laser serat. Namun, serat yang didoping tanah jarang memiliki proses fabrikasi yang kompleks dan dibatasi oleh geometri fisiknya (yaitu, ukuran inti & kelongsong) untuk digabungkan ke dalam sistem laser serat yang berbeda, yang meminimalkan kelayakan penyerap jenuh serat yang didoping tanah jarang untuk terintegrasi dalam produk komersial. Dalam karya ini, kami secara praktis mendemonstrasikan fabrikasi salah satu anggota keluarga tanah jarang, Y2O3, menjadi film tipis. Berturut-turut, Y2O3, film tipis diintegrasikan ke dalam sistem Erbium-Doped Fiber Laser (EDFL) untuk menginduksi operasi Q-switching, dan hasil yang diperoleh sebanding dengan bahan 2D lainnya.
Metode dan Hasil
Usulan fabrikasi film tipis Y2O3 SA menggunakan partikel serbuk Yttrium Oksida (Y2O3) komersial (Xinglu Chemical) dengan kemurnian 99,9%, ukuran partikel sekitar 50 nm dan berat molekul 225,8 g/mol. Dalam proses ini, 1 g bubuk PVA (Sigma Aldrich) dilarutkan ke dalam 120 ml air suling untuk larutan PVA. Larutan diaduk menggunakan magnetic stirrer pada suhu ruang selama kurang lebih 24 jam untuk melarutkan serbuk PVA secara sempurna. Selanjutnya, 50 mg bubuk Y2O3 dicampur ke dalam 50 ml larutan PVA yang telah disiapkan dengan perbandingan 1:1. Larutan Y2O3-PVA SA selanjutnya diaduk selama 24 jam dengan magnetic stirrer untuk mendapatkan campuran yang homogen. Larutan campuran kemudian disonikasi dalam penangas ultrasonik selama 3 jam untuk memutuskan ikatan antara molekul yang terikat menurut gaya van der Waals dan melarutkan bubuk senyawa. Pada akhir proses, larutan homogen yang diperoleh dituangkan ke dalam cawan petri kaca kecil. Itu diperlukan untuk mengeringkan pada suhu ruang selama kira-kira 48 jam untuk berkembang menjadi bentuk film tipis. Hasil menunjukkan proses fabrikasi lengkap Y2O3-PVA SA. Ketebalan film sekitar 50 µm.
Dari hasil eksperimen, kami menyajikan pengaturan eksperimental EDFL menggunakan EDF (Fibercore, I-25) dengan panjang 2,8 m dengan penyerapan inti pada 90 dB/m pada 980 nm, sebagai media penguatan. Panjang EDF dioptimalkan untuk operasi pada wilayah 1560 nm. Dioda laser 980 nm memompa melalui multiplexer divisi panjang gelombang (WDM) 980/1550 nm. Isolator optik yang tidak sensitif terhadap polarisasi secara langsung disambungkan antara ferrule SA Y2O3 dan EDF untuk membentuk propagasi penguat searah. Selanjutnya, coupler 90/10 digunakan untuk mengekstrak 10% dari laser berosilasi di rongga cincin untuk analisis lebih lanjut. Laser keluaran dianalisis menggunakan penganalisis spektrum optik (OSA) untuk mempelajari karakteristik panjang gelombang operasi, osiloskop (GWINSTEK) dengan fotodetektor kecepatan tinggi untuk mengamati rangkaian pulsa, dan penganalisis spektrum Radio Frequency (RF) (Anritsu MS2683A) untuk pengamatan stabilitas laser Q-switched. Daya keluaran rata-rata diukur dengan meteran daya (ILX Lightwave OMM 6810B) yang dipasangkan dengan kepala dayanya (ILX Lightwave). Perlu disebutkan bahwa tidak ada pengontrol polarisasi (PC) di dalam rongga. Kami mengamati bahwa laser Q-switched dimulai sendiri, dan operasinya tidak terpengaruh secara signifikan dengan penggabungan PC. Rongga total awalnya, dengan tidak adanya SA, EDFL beroperasi pada CW yang stabil pada 1565 nm pada rentang pompa input 30 mW–200 mW. Dengan penggabungan SA, laser mulai menghasilkan pulsa Q-switching yang stabil pada daya pompa 1289,2 mW dan panjang gelombang bergeser biru menjadi 1560,53 nm dengan bandwidth spektral 0,43 nm seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4 (a). Perilaku pergeseran panjang gelombang dalam operasi Q-switching pasif disebabkan oleh hilangnya penyisipan tambahan SA. Pada daya pompa ambang 128,92 mW, tingkat pengulangan laser Q-switched adalah sekitar 88,03 kHz sesuai dengan lebar pulsa 3,30 s. Tidak ada getaran signifikan yang diamati pada osiloskop, yang menunjukkan bahwa rongga yang diusulkan beroperasi secara stabil dalam rentang daya pompa.
Selanjutnya, respon dari sifat pulsa Q-switched terhadap variasi daya pompa input diselidiki. Dengan meningkatkan daya pompa dari 128,92 menjadi 175,87 mW, laju pengulangan pulsa meningkat secara proporsional dari 88,03 menjadi 99,22 kHz, dan durasi pulsa berkurang dari 3,30 menjadi 2,97 s. Perlu dicatat bahwa pulsa Q-switched menjadi tidak stabil dan menghilang ketika daya pompa di atas 175,87 mW. Kami percaya bahwa tingkat pengulangan pulsa yang lebih tinggi dapat dicapai dengan mengoptimalkan lebih lanjut Y2O3 SA serta rongga laser. Pengurangan penyerapan non-jenuh dapat meningkatkan rentang daya pompa operasi dari laser Q-switched.
Hasil eskperimen menunjukkan karakteristik daya keluaran dan energi pulsa tunggal pada variasi daya pompa. Daya keluaran yang diamati meningkat secara linier dari 13,81 menjadi 17,86 mW dengan efisiensi kemiringan 8,88 %, sedangkan energi pulsa maksimum tercatat sebesar 177,77 nJ. Selain itu, hasil menunjukkan tren kenaikan linier pada daya puncak terhadap daya pompa dari 40,92mW ke 52,67mW. Analisis stabilitas pulsa keluaran dilakukan melalui pengamatan spektrum Radio Frequency (RF). Spektrum RF menunjukkan rasio signal-to-noise (SNR) sekitar 56,79 dB pada frekuensi dasar 88,03 kHz tanpa modulasi spektral dalam resolusi 1300 kHz yang menunjukkan stabilitas yang sangat baik dari laser Q-switched yang dihasilkan.
Kesimpulannya, pulsa EDFL Q-switched mandiri yang stabil telah berhasil dihasilkan menggunakan Y2O3 sebagai SA. Laser Q-switched beroperasi pada panjang gelombang tengah 1560,53 nm dengan daya pompa ambang 128,92 mW hingga 175,87 mW dan menghasilkan frekuensi pulsa yang bervariasi dari 88,03 hingga 99,22 kHz. Lebar pulsa terpendek dan energi pulsa maksimum yang tercatat masing-masing menjadi 2,97 s, dan 177,77 nJ. Stabilitas operasi pulsa keluaran diverifikasi melalui analisis RF, yang tercatat 56,79 dBm. Dengan keberhasilan operasi Q-switching dalam pekerjaan ini, mungkin akan lebih banyak penelitian awal di tanah jarang, terutama dalam sistem laser daya pulsa tinggi.
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/S2666950122000426
N.F.Zulkipli, A.R.Muhammad, A.H.A.Rosol, A.Altuncu, M.Yasin, Z.C.Tiu, S.W.Harun
