Sumber cahaya inframerah-tengah yang beroperasi pada sekitar 2 碌m telah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir karena aplikasi potensialnya di berbagai bidang, termasuk diagnostik biomedis, analisis gas atmosfer, komunikasi ruang bebas, dan pembangkitan THz. Sampai saat ini, banyak sumber laser telah diusulkan dan dikembangkan untuk operasi di wilayah 2 碌m, termasuk laser solid-state berbasis kaskade kuantum dan laser serat yang didoping thulium atau holmium. Dalam hal ini, sistem laser berbasis serat lebih disukai, karena banyak keunggulannya: kompak, bebas pelurusan, biaya perawatan rendah, dan menampilkan pembuangan panas yang sangat baik, dll.
Banyak SA telah dilaporkan untuk digunakan dalam pembangkitan pulsa melalui Q-switching seperti Semiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM) [8], carbon nanotube (CNT) dan graphene. SESAM menawarkan stabilitas tinggi selama intensitas cahaya tinggi tetapi beroperasi dalam rezim bandwidth yang sempit. Karena keterbatasan ini, lebih banyak penelitian difokuskan pada CNT dan graphene, yang dapat dibuat dengan biaya lebih rendah dan dioperasikan dalam rezim bandwidth yang luas. Baru-baru ini, kelompok isolator topologi, dichalcogenide logam transisi, nanopartikel logam mulia dan fosfor hitam juga telah digunakan sebagai Q-switcher. Baru-baru ini, karbida/nitrida logam terner yang disebut MXene juga menarik minat sebagai anggota baru untuk kelas material nano 2D. Ia memiliki rumus umum Mn+1XnTx, di mana M, X dan T adalah logam transisi, karbon atau nitrogen (dengan n = 1, 2, 3. . . ), dan kelompok terminasi muka seperti oksigen atau fluorin. MXene dapat diproduksi dengan mengetsa lapisan MAX secara selektif. MXene sebelumnya telah digunakan dalam berbagai aplikasi fotonik dan nanosains karena sifat optik, termal, dan fisiknya yang sangat baik. Ini memiliki ukuran celah pita kecil, konduktivitas logam yang sangat baik, dan sifat hidrofilik permukaannya, yang merupakan keuntungan untuk banyak aplikasi. Mxene juga memiliki karakteristik penyerapan jenuh yang sangat baik, yang cocok untuk dioda fotonik. Dilaporkan juga bahwa MXene juga menunjukkan struktur zero-bandgap, yang berpotensi digunakan untuk perangkat optik broadband [20]. Di sini, kami mengusulkan penggunaan film Mxene Ti3C2Tx untuk mewujudkan operasi Q-switching di Thulium doped fiber laser (TDFL). Mxene Ti3C2Tx yang diperoleh dengan teknik etsa selektif sederhana dicampur dengan larutan polyvinyl alcohol (PVA) untuk membuat film tipis saturable absorber (SA). Film ditempatkan di antara dua ferrules dan dimasukkan ke dalam rongga cincin TDFL untuk berfungsi sebagai Q-switcher.
MAX Ti3AlC2 dan asam fluorida diperoleh masing-masing dari Shanghai Winfay Industry Ltd dan Merck KGaA sedangkan bubuk PVA dibeli dari Sigma Aldrich. Kami melakukan etsa selektif Ti3C2Tx dengan asam fluorida untuk membuat MXene Ti3C2Tx. Proses etsa dilakukan pada suhu kamar selama enam jam. Kemudian, kami memperoleh sampel Ti3C2Tx melalui penyaringan vakum dengan membran filter polivinil difluorida. Itu dikeringkan dengan oven vakum pada suhu 80 鈦癈 selama 24 jam untuk pembentukan lempung. Serbuk dikumpulkan dan dimasukkan ke dalam gelas kimia yang bersih. Selanjutnya 20 mg serbuk Ti3C2Tx dicampur dengan 10 mg serbuk PVA dan 40 ml akuades. Campuran kemudian diaduk pada suhu kamar selama 24 jam. Kami menggunakan rendaman ultrasonik selama 2 jam untuk memisahkan aglomerat partikel Ti3C2Tx dengan kavitasi. Akibatnya, sekitar 5 mL larutan Ti3C2Tx ditempatkan di dalam cawan petri bersih dan dibiarkan selama 48 jam hingga kering. Akhirnya, film MXene Ti3C2Tx kering dikupas untuk digunakan sebagai Q-switcher.
Rongga cincin TDFL dibuat untuk memeriksa kinerja SA berbasis Ti3C2Tx yang diusulkan sebagai Q-switcher. Total panjang rongga diperkirakan sekitar 13 m. Dalam percobaan, serat yang didoping thulium 5 m (diproduksi oleh Nufern) dengan penyerapan nominal masing-masing sekitar 27 dan 9.3 dB/m pada 793 dan 1180 nm digunakan sebagai media aktif. TDF dipompa melalui wavelength division multiplexer (WDM) oleh erbium-ytterbium co-doped fiber laser (EYDFL) buatan sendiri yang beroperasi pada 1552 nm hingga daya maksimum 1.8 W. 10% dari laser berosilasi digabungkan dari laser rongga oleh coupler keluaran 10 dB. 90% dari laser berosilasi dipertahankan dalam rongga cincin. Karakteristik spektral dan temporal dari laser Q-switched dianalisis menggunakan spektrometer mid-inframerah (Miriad Technologies) dan fotodetektor 7.8 GHz (ELECTRO-OPTICS TECHNOLOGY, INC., ET-3500F) diikuti oleh osiloskop digital 350 MHz (GWINSTEK, GDS-3352). Spektrum listrik dari TDFL Q-switched diukur dengan penganalisis spektrum RF.
Untuk membuktikan bahwa operasi Q-switching di sini diinduksi oleh film tipis Ti3C2Tx, kami sengaja mengeluarkan film tipis dari rongga TDFL. Tidak ada operasi Q-switching yang dapat diamati oleh pengaturan laser saat ini meskipun daya pompa bervariasi di seluruh rentang dan pengaturan rongga dimanipulasi. Dengan Ti3C2Tx, perilaku Q-switching dimulai di laser saat kami menyetel daya dari daya pompa 1552 nm dalam kisaran 161.8 hingga 237.1 mW. Karakteristik operasi Q-switching dari laser serat diringkas dalam Gambar 3. Gambar 3(a) menunjukkan karakteristik spektral dari laser. Laser dioperasikan pada 1996 nm karena transisi ion thulium dari tingkat energi 3F4 ke 3H6 saat TDF dipompa pada panjang gelombang sekitar 1552 nm. Hasilnya menunjukkan jejak osiloskop terukur dalam skala waktu 1000 s ketika pompa 1552 nm dipasang pada ambang batas 161.8 mW. Ini menunjukkan periode puncak-ke-puncak 51 s, yang dapat diterjemahkan ke tingkat pengulangan 19.6 kHz. Diamati bahwa periode pulsa berkurang dengan peningkatan daya pompa, sesuai dengan perilaku pulsa khas laser Q-switched. Hasilnya menggambarkan spektrum RF rangkaian pulsa Q-switched pada daya pompa maksimum 237.1 mW. Puncak fundamental diperoleh pada 33.3 kHz, yang sesuai dengan tingkat pengulangan laser pada daya pompa 237.1 mW. Signal to noise ratio (SNR) dari frekuensi dasar diukur sekitar 31 dB di atas tingkat kebisingan, yang menunjukkan bahwa pulsa Q-switched yang stabil sedang diproduksi. Stabilitas operasi Q-switching oleh film Ti3C2Tx lebih lanjut dikonfirmasi oleh pengamatan banyak harmonik dalam spektrum RF pita lebar.
Laju pengulangan dan lebar pulsa laser serat Ti3C2Tx Q-switched dapat disetel dengan memvariasikan daya pompa 1552 nm. Laju pengulangan pulsa meningkat hampir secara linear dari 19.6 kHz pada pompa ambang 161.8 menjadi 33.3 kHz pada daya maksimum 237.1 mW. Sebaliknya, lebar pulsa berkurang dari 6.71 menjadi 3.55 s dengan peningkatan daya pompa dalam kisaran yang sama. Fenomena ini disebabkan oleh pemompaan yang kuat, yang menyebabkan efek kompresi penguatan; tren serupa telah umum diamati pada laser serat Q-switched berbasis SA. Hubungan antara daya keluaran rata-rata dan daya pompa. Daya keluaran naik dengan pompa dan daya keluaran maksimal sebesar 3.7 mW diperoleh pada daya pompa 237.1 mW. Efisiensi kemiringan laser adalah 1.84%. Tidak ada pompa sisa diamati pada 1552 nm, yang menunjukkan lampu pompa sepenuhnya diserap oleh TDF aktif. Energi pulsa dihitung menjadi sekitar 111 nJ pada daya pompa 237.1 mW. Kinerja laser Q-switched dapat ditingkatkan dengan mengurangi kehilangan rongga total dengan mengoptimalkan SA dan mendapatkan parameter medium. Akhirnya, perbandingan kinerja antara TDFL Q-switched yang ditunjukkan sebelumnya dengan SA dan laser kami disajikan pada Tabel 1. Secara komparatif, laser yang dihasilkan dalam pekerjaan ini memiliki energi pulsa yang lebih rendah, yang terutama disebabkan oleh daya keluarannya yang kecil. Namun, terlihat jelas dari tabel bahwa laser kami menunjukkan film tipis Ti3C2Tx yang lebih baik sebagai SA untuk menghasilkan pulsa Q-switched secara pasif.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
DOI 10.17586/2220-8054-2021-12-4-436-441
