Laser ultrafast yang menghasilkan pulsa mode terkunci dengan durasi femtosekon telah menjadi sangat penting, seperti aplikasi dalam komunikasi berkecepatan tinggi, diagnosis biomedis, penginderaan, pemrosesan bahan, metrologi, dan militer. Berbeda dengan teknik aktif, yang membutuhkan kontrol elektronik yang rumit untuk menggerakkan kristal akustik atau elektro-optik, penguncian mode pasif hanya membutuhkan penambahan saturable absorber (SA) ke rongga laser. Oleh karena itu, penguncian mode yang dicapai oleh SA adalah pendekatan yang cocok untuk menghasilkan pulsa ultrashort pada tingkat pengulangan, durasi pulsa, dan daya puncak yang berbeda. Hal ini dapat dicapai dengan mengubah metode persiapan SA di mana ketebalan SA, kedalaman modulasi, dan absorbansi dapat diubah. Sebelumnya, pulsa dengan mode terkunci dapat dihasilkan oleh semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs), carbon nanotubes (CNTs), graphene, dan black phosphorus (BP). Namun, SA ini memiliki batasan tertentu, misalnya, SESAM memiliki kompleksitas penjajaran cermin, graphene memiliki celah pita nol, penyerapan rendah, dan ambang kerusakan rendah, dan BP adalah bahan hidrofilik. Oleh karena itu, karena keterbatasan SA yang telah dikembangkan sebelumnya, berbagai material 2-D baru perlu dieksplorasi sebagai SA yang memungkinkan.
Saat ini, media penguatan aktif terkenal yang digunakan untuk emisi pita-O adalah praseodymium (Pr3+) doped fluoride fibers (PDFF) dan bismuth (Bi3+) doped fibers (BiDF). Spektrum serapan BiDF sangat dekat dengan pita emisi (1.3 µm), sehingga sebagian besar excited state absorption (ESA) diamati dalam panjang gelombang 750“1600 nm [35,36]. Selain itu, karena konsentrasi doping Bi3+ yang rendah dalam serat silika, panjang BiDF yang diperpanjang diperlukan untuk mencapai penguat 1.3 µm. Di sisi lain, PDFF adalah alternatif yang cocok untuk BiDF untuk emisi O-band. Ini adalah serat doping elemen tanah jarang (Pr3+) dengan emisi pada 1.3 µm. Menariknya, atom Pr3+ didoping dalam serat ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF (ZBLAN) berbasis fluorida, bukan serat silika konvensional. ZBLAN adalah kaca fluoride logam berat yang memiliki titik leleh lebih rendah (>450 â—¦C) berbeda dengan serat silika [40]. ZBLAN dapat dibentuk sebagai pandu gelombang serat optik dengan kehilangan atenuasi rendah dan spektrum transmisi yang luas dari ultraviolet hingga rezim inframerah menengah. Formasi kaca ZBLAN ini mengarah ke berbagai aplikasi dalam penguat serat optik, laser, dan sumber superkontinum berdaya tinggi. Selain itu, ZBLAN memiliki energi fonon yang rendah (energi maksimum ~600 cm−1) dibandingkan kaca silika (~1100 cm−1). Karena energi fonon yang rendah, peluruhan multi-fonon juga berkurang, yang menghasilkan efisiensi radiasi yang tinggi dan meningkatkan ketersediaan tingkat metastabil yang lebih banyak yang ada di kaca ZBLAN [44]. Oleh karena itu, ZBLAN dapat menjadi tuan rumah yang sangat baik untuk laser serat mulai dari yang terlihat hingga inframerah. Pekerjaan ini telah mencapai penguncian mode dalam O-band praseodymium (Pr3+) doped fluoride fiber laser (PDFFL). PDFFL dengan mode terkunci dicapai pada panjang gelombang pusat 1301 nm dengan durasi pulsa 452 fs dan tingkat pengulangan 0.4 MHz. EDFL dengan mode terkunci C-band dihasilkan dengan panjang gelombang operasi, laju pengulangan pulsa, dan durasi pulsa masing-masing sebesar 1561 nm, 19.14 MHz, dan 0.9 ps. Seng fosfat menunjukkan penyerapan saturable yang sangat baik untuk menghasilkan pulsa terkunci mode femtosecond baik di PDFFL maupun EDFL.
Bahan SA seng fosfat digabungkan secara terpisah dalam dua rongga cincin untuk mencapai pulsa mode-terkunci pada 1.3 µm dan 1.5 µm. SA pertama kali dimasukkan dalam PDFFL untuk mencapai pulsa mode terkunci O-band dan kemudian ditempatkan di EDFL untuk mencapai pulsa mode terkunci C-band. Pengaturan generik untuk mencapai dua pulsa mode terkunci menggunakan seng fosfat SA. Pertama, rongga dipompa menggunakan sumber laser diode (LD), diikuti oleh wavelength division multiplexer (WDM) dan media penguatan. Isolator dihubungkan setelah media penguatan untuk mempertahankan perambatan sinyal searah. Pada saat yang sama, polarization controller (PC), seng fosfat SA dan coupler dihubungkan setelah isolator. Satu output dari coupler diekstraksi dan dihubungkan ke perangkat pengukuran, sedangkan ujung output lainnya dilingkarkan kembali ke dalam rongga. PC 3-paddle (Thorlabs: FPC031) dengan diameter loop 27 mm digunakan di kedua pengaturan eksperimental. Karena nonlinier SA bervariasi pada polarisasi yang berbeda, PC sangat penting untuk menyesuaikan rongga rongga sebelum memasuki SA untuk mencapai pulsa mode terkunci.
Hasil dari dua laser mode terkunci di atas diberikan dalam sub-bagian berikut 5.1 untuk mode-terkunci serat fluorida praseodymium yang didoping O-band dan 5.2 untuk mode C-band yang dikunci dengan erbium-doped, yaitu sebuah laser yang dikunci mode O-band dicapai ketika SA berbasis seng fosfat ditambahkan ke laser serat fluorida yang didoping praseodymium dengan penyesuaian pada PC. Pulsa mode terkunci muncul pada daya pompa 156 mW dan tetap stabil hingga 196 mW. Hasilnya menunjukkan spektrum optik penguncian mode laser, mulai dari 1250 hingga 1350 nm. PDFFL yang dikunci dengan mode pulsa yang diregangkan dicapai pada panjang gelombang operasi 1301 nm. Spektrum 3 dB dari laser mode terkunci diukur, memiliki nilai 5.7 nm. Karena PDF dan SMF memperkenalkan dispersi positif dan negatif, laser terkunci mode pulsa yang diregangkan diamati di atas OSA ketika rongga berada dalam rezim dispersi normal. Dalam operasi pulsa yang diregangkan, bandwidth spektral yang lebih panjang dengan pulsa energi tinggi dan daya puncak (~10 kW) dapat dicapai. Hasilnya mewakili jejak AC, garis biru (putus-putus) mewakili data eksperimen kami, dan garis merah mewakili kecocokan kurva Gaussian. Lebar pulsa dianalisis dengan nilai 452 fs dengan mengambil faktor dekonvolusi pulsa Gaussian sebesar 0,707, yang merupakan rasio lebar pulsa terhadap lebar penuh pada setengah maksimum/ full-width at half-maximum (Ï„FWHM) dari jejak AC [60]. Oleh karena itu, time-bandwidth product (TBP) dihitung menjadi 0.45. Diamati bahwa pulsa sedikit berkicau karena TBP hanya sedikit lebih tinggi dari batas transformasi pulsa Gaussian (0.44).
Laser serat yang dikunci mode pita lebar dicapai dengan menggunakan serat berbentuk busur berlapis seng fosfat sebagai SA. Laser ultrafast pada 1.3 µm diperoleh dengan menggabungkan SA seng fosfat dalam rongga PDFFL, dan laser dengan mode terkunci pada 1.5 µm diamati ketika SA ditambahkan ke EDFL. Laser ini menunjukkan operasi terkunci mode yang stabil dengan pulsa ultrashort masing-masing 452 fs dan 900 fs untuk PDFFL dan EDFL. Tingkat pengulangan pulsa untuk PDFFL mode terkunci adalah 0.4 MHz dengan SNR 50 dB. Untuk EDFL yang dikunci mode, tingkat pengulangan dan SNR masing-masing adalah 19.14 MHz dan 52 dB. Penggunaan PDFF dan seng fosfat dalam pekerjaan ini memungkinkan untuk menghasilkan pulsa mode terkunci di wilayah O-band, yang jarang dieksplorasi, dan akan memacu penelitian lebih lanjut untuk menghasilkan pulsa pendek dalam rezim panjang gelombang ini, terutama untuk komunikasi optik.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
