Laser serat Q-switched banyak digunakan di berbagai bidang seperti kedokteran, telekomunikasi, manufaktur, dan penginderaan optik. Aktif atau pasif adalah dua metode yang dikenal yang dapat digunakan untuk menghasilkan laser pulsa Q-switched. Laser Q-switched pasif menawarkan beberapa manfaat intrinsik berbeda dengan yang aktif. Laser Q-switched pasif memiliki desain yang tidak rumit, nyaman, dan biaya konstruksi minimal. Penggunaan saturable absorber (SAs) berdasarkan bahan 2 dan 3 dimensi telah meningkat akhir-akhir ini, meskipun ada banyak pendekatan dan proses untuk membuat pulsa Q-switched secara pasif. Fosfor hitam adalah bahan yang menunjukkan kemampuan optoelektronik yang menguntungkan sebagai SA. Nanomaterial lain yang telah dilaporkan adalah graphene dan karbon nanotube.
Logam transisi trikalkogenida fosfor adalah bagian dari keluarga bahan 2D trikalkogenida logam transisi dan diwakili oleh simbol MPX3, dengan M mewakili logam transisi seperti Besi (Fe), Mangan (Mn), atau Nikel (Ni), P mewakili Fosfor dan X mewakili chalcogen, Sulfur (S) atau Selenium (Se). Bahan-bahan ini menunjukkan potensi dalam optoelektronik, penyimpanan energi, dan semikonduktor karena rentang celah pita antara 1.3–3.5 eV. Penelitian ini berfokus pada kinerja salah satu bahan, Iron Phosphorus Trisulfide (FePS3), sebagai SA yang layak untuk pembangkit pulsa Q-switched TDFF di wilayah S-band.
- Metode dan Hasil:
Kristal FePS3 diperoleh dari semikonduktor 2D, dan PVA berasal dari Sigma Aldrich dengan MW sekitar 31.000. Pertama, kristal FePS3 100 mg menjalani pengelupasan fase cair/liquid phase exfoliation (LPE) dalam volume 10 ml alkohol isopropil yang keji. Teknik sonikasi penangas air kemudian digunakan pada larutan lebih dari 8 jam untuk memungkinkan pemecahan gaya Van-derWaals antara lapisan individu dengan efek kavitasi ultrasonik. Selanjutnya, larutan disentrifugasi pada 5000 rpm selama 15 menit untuk memisahkan FePS3 yang tidak terkelupas. Metode LPE ini telah dibahas dalam penelitian kami sebelumnya. Akhirnya, supernatan yang terpisah dikumpulkan untuk digunakan.
Konfigurasi laser TDFF Q-switched berbasis FePS3 ditunjukkan pada Gambar 5. Media penguatan adalah TDFF sepanjang 8.3 m yang diperoleh dari FiberLabs Inc. Penyambungan serat fluoride secara manual itu rumit, seperti yang ditunjukkan oleh Al-Mahrous et al. Seperti yang diperoleh dari pabrikan, TDFF telah disegel secara kedap udara dalam kotak logam untuk mencegah kerusakan akibat kelembapan, karena serat fluorida bersifat higroskopis. Di dalam kotak, TDFF telah disambungkan sebelumnya ke serat Nufern PWG1-XP. Ini kemudian disambungkan ke sepasang SMF-28e bare fiber dengan konektor FC/PC. Ujung serat kemudian dihubungkan ke panjang gelombang multiplexor divisi/wavelength division multiplexor (WDM) dan isolator (ISO) menggunakan adaptor FC / PC. Rongga tersebut dipompa dengan laser diode (LD) 1400 nm (FOL1405RTD-1400) yang diperoleh dari Fitel, melewati ISO optik untuk mencegah perambatan cahaya mundur, yang akan merusak LD. Laser pompa pertama kali melewati port 1400 nm dari WDM 1400/1500 nm. Port umum kemudian dihubungkan ke media penguatan. WDM lain mengikuti media penguatan melalui outputnya untuk menghilangkan kelebihan pompa. Setelah WDM kedua, ISO kedua ditempatkan untuk memungkinkan aliran sinyal optik searah. Coupler 90:10 dipasang setelah ISO kedua, di mana sinyal keluaran 10% digunakan untuk analisis. Akhirnya, 90% dari sinyal dihubungkan ke FePS3 SA melalui WDM untuk menyelesaikan rongga. Analisis dilakukan melalui port 10%. Spektrum optik dianalisis melalui penganalisa spektrum optik (OSA) Yokogawa AQ6370Q. Pola pulsa diamati menggunakan osiloskop InfiniVision DSOX3102T dari Keysight dengan fotodetektor Thorlabs DET08FC/M. Fotodetektor serupa juga digunakan untuk analisis frekuensi radio menggunakan penganalisa spektrum frekuensi radio/ radio frequency spectrum analyzer (RFSA) Rhode & Schwarz FPC1000.
Operasi Q-switching dimulai pada daya pompa 70 mW, menunjukkan pulsa stabil hingga 166 mW, dengan panjang gelombang pusat 1502 nm. Spektrum yang mencakup wilayah S-band dapat dilihat memiliki puncak yang luas, dengan bandwidth 3 dB 3.68 nm menggunakan OSA (Yokogawa AQ6370C). Ini karena FePS3 SA menginduksi osilasi intensitas tinggi, menghasilkan modulasi fase sendiri, atau SPM, di dalam rongga dan menyebabkan efek perluasan spektrum. Spektrum yang lebih luas, dengan overlay spektrum optik pada daya pompa Q-switching ambang 70 mW untuk menampilkan kontribusi emisi spontan yang diperkuat/amplified spontaneous emission (ASE) dalam pulsa Q-switched yang diukur. Semua pengukuran spektrum optik diambil pada resolusi 0.02 nm. Daya pompa ambang 70 mW, ada kontribusi sinyal seperti noise yang sedikit lebih tinggi di bagian bawah jejak. Namun, pada daya pompa 166 mW yang lebih tinggi, kontribusi pompa pada 1400 nm relatif kecil hanya 79 dBm dibandingkan dengan puncak spektrum Q-switched pada −20 dBm.
Stabilitas sistem laser ditentukan menggunakan RFSA (RFSA, Rhode & Schwarz, FPC1000). Laser yang beroperasi pada daya pompa 166 mW, menunjukkan frekuensi dasar 29.8 kHz. Rasio signal-to-noise (SNR) ditentukan menjadi ∼46 dB, menunjukkan Q-switching yang stabil. Sistem dioperasikan pada daya pompa 166 mW selama 1 jam, dengan pembacaan RFSA dilakukan setiap 10 menit. Hasilnya menunjukkan fluktuasi SNR kurang dari 0.01 dB dan fluktuasi frekuensi kurang dari 0.01 kHz, menunjukkan sistem laser Q-switched yang sangat stabil. Tes serupa juga dilakukan selama 8 jam dengan hasil yang serupa.
Kesimpulannya, penelitian ini menunjukkan kelayakan FePS3 untuk menghasilkan pulsa Q-switched dalam laser TDFF. FePS3 SA menunjukkan kedalaman modulasi 34.5% dengan intensitas saturasi 0.551 kW cm−2. Laser Q-switched dimulai dengan daya pompa 70 mW dan dipertahankan hingga 166 mW dengan panjang gelombang operasi 1502 nm. Menyesuaikan daya pompa antara kisaran tersebut, 70 mW–166 mW, memungkinkan tingkat pengulangan diubah dari 19.7 kHz menjadi 29.8 kHz. Pada daya pompa 166 mW, laser memiliki SNR tinggi ∼46 dB dan bertahan selama satu jam dengan hasil serupa diperoleh selama 8 jam. Tunability dicapai lebih dari 66 nm, mulai dari panjang gelombang 1450 nm sampai 1516 nm ketika TBPF ditambahkan. Laser Q-switched TDFF berbasis FePS3 SA yang dilaporkan dapat digunakan dalam beberapa aplikasi yang memerlukan panjang gelombang di wilayah S-band.
Pengusul: Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Paper ini ada di link:
file:///E:/Laser%20phys%20-%20yasin%20hba%20-%20June%202023.pdf
DOI 10.1088/1555-6611/acd4b2
