Pernahkah Anda bertanya-tanya, bagaimana teknologi laser serat telah merevolusi berbagai industri? Artikel ini mengeksplorasi prinsip-prinsip inti dan beragam aplikasi laser serat, menyoroti keunggulannya dibandingkan sistem laser tradisional. Temukan bagaimana alat yang ringkas dan presisi tinggi ini digunakan di berbagai bidang mulai dari telekomunikasi hingga teknologi medis, yang menawarkan kualitas sinar yang unggul dan efisiensi energi. Dengan membaca, Anda akan mendapatkan wawasan tentang mekanisme yang menjadikan laser serat sebagai bagian penting dari kemajuan teknik dan industri modern.
Penelitian tentang laser serat yang didoping dengan menggunakan media penguatan sudah ada sejak tahun 1960-an ketika Snitzer melaporkan pada tahun 1963 pembuatan laser serat dengan ion neodymium (Nd3+) yang didoping dalam matriks kaca.
Sejak tahun 1970-an, kemajuan yang signifikan telah dicapai dalam teknologi persiapan serat dan eksplorasi pompa dan struktur rongga resonansi untuk laser serat.
Pada pertengahan tahun 1980-an, sebuah terobosan dalam serat yang didoping (Er3+) di University of Southampton di Inggris, sangat meningkatkan kepraktisan laser serat, menunjukkan prospek aplikasi yang sangat menjanjikan.
Dibandingkan dengan laser padat dan gas tradisional, laser serat memiliki banyak keunggulan unik, seperti kualitas sinar yang tinggi, ukuran kecil, ringan, bebas perawatan, berpendingin udara, mudah dioperasikan, biaya pengoperasian yang rendah, dan penggunaan jangka panjang di lingkungan industri.
Mereka juga menawarkan presisi pemrosesan yang tinggi, kecepatan tinggi, umur panjang, hemat energi, dan fleksibilitas yang sangat baik untuk kecerdasan dan otomatisasi. Oleh karena itu, mereka telah menggantikan laser YAG dan CO2 tradisional di banyak bidang.
Kisaran panjang gelombang keluaran laser serat adalah antara 400-3400nm, dapat diterapkan di berbagai bidang seperti penyimpanan data optik, komunikasi optik, teknologi sensor, spektroskopi, dan aplikasi medis.
Saat ini, perkembangan pesat terlihat pada laser serat yang didoping, laser kisi serat Bragg, laser serat dengan lebar garis sempit yang dapat disetel, dan laser serat berlapis ganda berdaya tinggi.
Laser serat pada dasarnya terdiri dari tiga bagian: media penguatan yang dapat menghasilkan foton, rongga resonansi optik yang memungkinkan umpan balik foton dan amplifikasi resonansi dalam media penguatan, dan sumber pompa yang dapat menggairahkan media laser.
Struktur dasar laser serat ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Media penguatan adalah inti serat yang didoping dengan ion tanah jarang. Serat yang didoping ditempatkan di antara dua cermin dengan reflektifitas yang dipilih. Cahaya pompa digabungkan ke dalam serat dari cermin kiri laser serat dan mengeluarkan cahaya laser melalui sistem optik yang berkolimasi dan filter.
Secara teoritis, sumber pompa dan serat penguatan adalah komponen penting dari laser serat, dan rongga resonansi tidak sangat diperlukan. Pemilihan mode rongga resonansi dan pemanjangan media penguatan tidak diperlukan dalam laser serat karena serat itu sendiri bisa sangat panjang, sehingga memperoleh penguatan lintasan tunggal yang sangat tinggi, dan efek pandu gelombang serat dapat memainkan peran pemilihan mode.
Namun demikian, dalam aplikasi praktis, orang pada umumnya lebih suka menggunakan serat yang lebih pendek, jadi dalam banyak kasus, rongga resonansi digunakan untuk memperkenalkan umpan balik.
Karena struktur pandu gelombang laser serat, laser ini dapat mengakomodasi pemompaan yang kuat dan memiliki penguatan yang tinggi (penguatan single-pass hingga 50dB). Elemen tanah jarang dalam matriks kaca memiliki lebar garis dan rentang penyetelan yang lebar (Yb3+ adalah 125nm, Tm3+ >300nm).
Fitur spesifiknya adalah sebagai berikut:
1) Serat berfungsi sebagai media pandu gelombang, menawarkan efisiensi kopling yang tinggi, diameter inti yang kecil, dan kemudahan dalam membentuk kepadatan daya yang tinggi di dalam serat. Ini dapat dengan mudah terhubung dengan sistem komunikasi serat optik saat ini. Laser yang dihasilkan memiliki efisiensi konversi yang tinggi, ambang laser yang rendah, kualitas sinar yang sangat baik, dan lebar garis yang sempit.
2) Mengingat rasio "luas permukaan/volume" yang tinggi dari serat, serat ini memiliki pembuangan panas yang baik. Suhu lingkungan dapat berkisar antara -20 hingga 70 ℃, sehingga tidak memerlukan sistem pendingin air yang besar dan hanya memerlukan pendingin udara yang sederhana.
3) Laser serat dapat beroperasi dalam kondisi yang keras, seperti benturan tinggi, getaran tinggi, suhu tinggi, dan kondisi berdebu.
4) Karena fleksibilitas serat yang sangat baik, laser dapat didesain cukup kecil dan fleksibel, dengan bentuk yang ringkas dan volume yang kecil, sehingga memudahkan untuk integrasi sistem dan menawarkan rasio harga-performa yang tinggi.
5) Laser serat memiliki cukup banyak parameter yang dapat disetel dan selektivitas, memungkinkannya untuk mencakup rentang penyetelan yang luas, monokromatisitas yang sangat baik, dan stabilitas yang tinggi. Ini memiliki masa pakai pompa yang panjang, dengan waktu kerja bebas kesalahan rata-rata 10kh atau bahkan lebih dari 100kh.
Laser serat yang saat ini dikembangkan terutama menggunakan serat yang didoping dengan elemen tanah jarang sebagai media penguatan.
Prinsip kerja laser serat adalah bahwa cahaya pompa disorotkan pada serat yang didoping melalui reflektor depan (atau kisi depan), dan ion tanah jarang yang telah menyerap energi foton akan mengalami transisi tingkat energi, sehingga mencapai "inversi nomor partikel".
Partikel yang terbalik akan bertransisi kembali ke kondisi dasar dalam bentuk radiasi setelah relaksasi, secara bersamaan melepaskan energi dalam bentuk foton, dan mengeluarkan laser melalui reflektor belakang (kisi belakang).
Penguat serat yang didoping dengan elemen tanah jarang telah mendorong pengembangan laser serat, karena penguat serat dapat membentuk laser serat melalui mekanisme umpan balik yang sesuai.
Ketika cahaya pompa melewati ion tanah jarang di dalam serat, cahaya tersebut akan diserap oleh ion tanah jarang. Pada saat ini, atom tanah jarang yang menyerap energi foton akan tereksitasi ke tingkat energi pengionan yang lebih tinggi, sehingga mencapai inversi nomor ion.
Bilangan ion terbalik akan bertransisi dari tingkat energi tinggi ke kondisi dasar dalam bentuk radiasi, dan melepaskan energi, menyelesaikan radiasi terstimulasi. Mode radiasi dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar memiliki dua jenis: radiasi spontan dan radiasi terstimulasi.
Di antaranya, radiasi terstimulasi adalah radiasi dengan frekuensi dan fase yang sama, yang dapat membentuk laser yang sangat koheren. Emisi laser adalah proses fisik di mana radiasi terstimulasi jauh melebihi radiasi spontan.
Agar proses ini dapat berlanjut, inversi bilangan ion harus dibentuk. Oleh karena itu, tingkat energi yang terlibat dalam proses ini harus melebihi dua, dan juga harus ada sumber pompa untuk menyediakan energi.
Laser serat sebenarnya dapat disebut sebagai konverter panjang gelombang, di mana cahaya panjang gelombang pompa dapat dikonversi menjadi cahaya panjang gelombang penyinaran yang diperlukan.
Contohnya, laser serat yang didoping erbium memompa cahaya 980nm dan menghasilkan laser 1550nm. Output laser bisa kontinu atau berdenyut.
Laser serat memiliki dua status pengasahan, pengasahan tiga tingkat dan empat tingkat. Prinsip laser tiga tingkat dan empat tingkat ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Pompa (foton berenergi tinggi dengan panjang gelombang pendek) menyebabkan elektron bertransisi dari kondisi dasar ke kondisi energi tinggi E44 atau E33kemudian bertransisi ke tingkat laser atas E43 atau E32 melalui transisi non-radiasi.
Ketika elektron bertransisi lebih lanjut dari tingkat laser atas ke tingkat energi yang lebih rendah E42 atau E31, yang proses laser akan terjadi.
Ada berbagai jenis laser serat optik yang dapat dibagi ke dalam berbagai kategori seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.1. Bagian berikut ini akan memberikan pengenalan terhadap beberapa jenis laser ini.
Tabel 3.1 Klasifikasi Laser Serat Optik
| Klasifikasi berdasarkan Struktur Resonator | Rongga F-P, Rongga Cincin, Resonator Serat Reflektor Lingkaran dan Rongga Bentuk "8", Laser Serat DBR, Laser Serat DFB |
| Klasifikasi berdasarkan Struktur Serat | Laser Serat Cladding Tunggal, Laser Serat Cladding Ganda |
| Klasifikasi berdasarkan Media Penguatan | Laser Serat Doping Tanah Jarang, Laser Serat Efek Nonlinier, Laser Serat Kristal Tunggal, Laser Serat Plastik |
| Klasifikasi berdasarkan Mekanisme Kerja | Laser Serat Konversi Atas, Laser Serat Konversi Bawah |
| Klasifikasi berdasarkan Elemen Doping | Erbium (Er3+), Neodymium (Nd3+), Praseodymium (Pr3+), Thulium (Tm3+), Ytterbium (Yb3+), Holmium (Ho3+) dan 15 jenis lainnya |
| Klasifikasi berdasarkan Panjang Gelombang Keluaran | S-Band (1280-1350nm), C-Band (1528-1565nm), L-Band (1561-1620nm) |
| Klasifikasi berdasarkan Laser Keluaran | Laser Berdenyut, Laser Gelombang Kontinu |
Elemen tanah jarang mencakup 15 elemen, yang diposisikan di baris kelima tabel periodik.
Saat ini, ion tanah jarang yang telah dikembangkan secara matang yang tergabung dalam serat aktif termasuk Er3+Nd3+, Pr3+, Tm3+, dan Yb3+.
Dalam beberapa tahun terakhir, laser serat doping berlapis ganda, yang memanfaatkan teknologi pemompaan cladding, telah secara signifikan meningkatkan daya output, dan menjadi hotspot penelitian lainnya di bidang laser.
Jenis struktur serat ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1, terdiri dari kelongsong luar, kelongsong dalam, dan inti yang didoping.
Indeks bias kelongsong luar lebih kecil daripada kelongsong dalam, yang pada gilirannya lebih kecil daripada indeks bias inti serat, sehingga membentuk struktur pandu gelombang lapisan ganda.
Serat berlapis ganda yang didoping adalah komponen utama dalam konstruksi laser serat. Peran utamanya dalam laser serat meliputi:
1) Mengubah daya cahaya pompa menjadi media kerja laser;
2) Berkolaborasi dengan perangkat lain untuk membentuk resonator laser.
Prinsip kerjanya terutama melibatkan penyuntikan cahaya pompa ke dalam serat, baik secara lateral maupun dari permukaan ujung. Karena indeks bias kelongsong luar jauh lebih rendah daripada indeks bias kelongsong dalam serat, kelongsong dalam dapat memancarkan cahaya pompa multimode.
Dimensi penampang kelongsong bagian dalam lebih besar daripada inti. Dengan demikian, untuk panjang gelombang laser yang dihasilkan, kelongsong bagian dalam dan inti yang didoping tanah jarang membentuk pandu gelombang mode tunggal yang sempurna, sedangkan kelongsong bagian luar dan inti membentuk pandu gelombang multimode untuk mentransmisikan daya cahaya pompa.
Hal ini memungkinkan cahaya pompa multimode berdaya besar digabungkan ke dalam kelongsong bagian dalam. Cahaya pompa multimode diserap beberapa kali saat bergerak di sepanjang serat, melintasi inti. Karena eksitasi ion tanah jarang di dalam inti, output laser sinyal daya tinggi dihasilkan.
Prinsip kerja diilustrasikan pada Gambar 3.1.
Semakin matangnya teknologi kisi serat Bragg yang ditulis dengan UV pada tahun 1990-an telah menyebabkan peningkatan perhatian pada laser kisi serat Bragg, terutama laser kisi serat Distributed Bragg Reflector (DBR) dan Distributed Feedback (DFB).
Perbedaan utama di antara keduanya adalah laser serat DFB hanya menggunakan satu kisi untuk mencapai umpan balik optik dan pemilihan panjang gelombang, sehingga menawarkan stabilitas yang lebih baik dan menghindari kehilangan fusi antara serat yang didoping Er dan kisi.
Namun, meskipun kisi-kisi dapat langsung ditulis ke dalam serat yang didoping Er menggunakan UV, fabrikasi praktis laser serat DEB tidak mudah karena kandungan Ge yang rendah dalam inti serat dan fotosensitivitas yang buruk.
Sebaliknya, laser serat DBR dapat dibuat dengan lebih mudah dengan memadukan kisi-kisi serat yang didoping Ge di kedua ujung serat yang didoping Er untuk membentuk rongga resonansi.
Laser kisi serat DBR dan DFB menghadapi beberapa masalah seperti efisiensi penyerapan pompa yang rendah karena rongga resonansi yang pendek, garis spektral yang lebih luas daripada laser cincin, dan lompatan mode.
Upaya terus menerus dilakukan untuk memecahkan masalah ini. Perbaikan yang diusulkan termasuk menggunakan serat yang didoping bersama Er: Yb sebagai media penguatan, mengadopsi metode pemompaan intrakavitas, dan mengintegrasikan osilator dan penguat daya.
Laser pulsa ultra-pendek saat ini merupakan topik penelitian yang hangat dalam laser serat, terutama memanfaatkan teknik penguncian mode pasif.
Mirip dengan laser solid-state, laser serat menghasilkan output laser pulsa pendek berdasarkan prinsip penguncian mode. Ketika laser serat beroperasi pada sejumlah besar mode longitudinal dalam bandwidth penguatan, penguncian mode dicapai ketika setiap fase mode longitudinal disinkronkan dan perbedaan fase antara dua mode longitudinal yang berdekatan konstan.
Pulsa tunggal yang bersirkulasi dalam rongga resonansi mengeluarkan energi melalui penggandeng keluaran. Laser serat dibagi menjadi laser serat terkunci mode aktif dan laser serat terkunci mode pasif.
Kemampuan modulasi penguncian mode aktif membatasi lebar pulsa dari pulsa terkunci-mode, yang umumnya dalam urutan pikodetik. Laser serat terkunci mode pasif memanfaatkan efek optik nonlinier dari serat atau komponen optik lainnya untuk mencapai penguncian mode.
Struktur laser ini sederhana dan dapat mencapai penguncian mode start sendiri dalam kondisi tertentu tanpa komponen modulasi apa pun. Menggunakan laser serat terkunci mode pasif dapat menghasilkan pulsa ultra-pendek dalam urutan femtodetik.
Laser pulsa ultra-pendek telah digunakan dalam sumber cahaya ultra-cepat, menghasilkan berbagai spektroskopi dan teknik pemompaan yang terselesaikan dalam waktu. Teknologi pembangkitan pulsa ultra-pendek adalah kunci untuk mencapai optical time division multiplexing (OTDM) berkecepatan sangat tinggi. Laser serat pulsa ultra-pendek tersebar luas di berbagai bidang seperti material, biologi, kedokteran, kimia, dan militer.
Laser adalah inti dari teknologi laser, dan arah pengembangan laser serat di masa depan adalah untuk lebih meningkatkan kinerja laser serat, seperti lebih meningkatkan daya keluaran dan meningkatkan kualitas sinar; memperluas panjang gelombang laser baru, memperluas rentang laser yang dapat disetel; mempersempit spektrum laser; mengembangkan pulsa ultra-pendek (tingkat ps dan fs) dari laser kecerahan tinggi; dan melakukan penelitian tentang miniaturisasi, kepraktisan, dan kecerdasan secara keseluruhan.
Dalam beberapa tahun terakhir, pengembangan terutama difokuskan pada tiga aspek:
(1) meningkatkan kinerja kisi-kisi serat Bragg, sehingga dapat diaplikasikan dengan baik pada laser serat;
(2) laser serat dengan lebar pulsa dan garis spektral yang lebih sempit, daya output yang lebih tinggi, rentang penyetelan yang lebih luas, dll.;
(3) membuat laser serat menjadi lebih praktis.
Aplikasi Industri: Aplikasi serat yang paling menonjol laser dalam industri adalah pemrosesan material. Dengan kekuatannya yang terus meningkat, laser serat telah mulai digunakan dalam skala besar untuk pemotongan industri.
Laser serat ideal untuk memotong, memproses, dan menangani logam dan bahan non-logam. Dapat digunakan untuk kalibrasi produk laser, pemotongan presisi, pengukiran laser, pengelasan laserpengeboran presisi, deteksi laser, pembengkokan mikro, pengukuran laser, dan aspek teknis lainnya.
Aplikasi Telekomunikasi: Untuk memenuhi persyaratan saat ini untuk komunikasi berkapasitas tinggi, penerapan laser serat telah menjadi teknologi yang sedang berkembang dalam komunikasi.
Teknologi komunikasi masa depan akan berangsur-angsur beralih dari komunikasi listrik ke komunikasi optik. Laser serat tidak hanya dapat menghasilkan output laser kontinu tetapi juga menghasilkan pulsa laser ultra-pendek dalam hitungan pikodetik (ps) atau bahkan femdetik (fs).
Laser serat telah membuat langkah besar dalam mengurangi ambang batas, memperluas rentang panjang gelombang, dan kemampuan panjang gelombang yang dapat disetel. Komunikasi soliton, sebuah teknologi praktis, dapat mencapai jarak transmisi jutaan kilometer, kecepatan transmisi 20 Gb/s, dan tingkat kesalahan bit lebih rendah dari 10-13, sehingga mencapai transmisi sinyal berkecepatan tinggi dan berkualitas tinggi.
Aplikasi Militer: Dengan terus meningkatnya kekuatan laser serat, aplikasinya di bidang militer menjadi semakin luas.
Untuk mencapai tujuan senjata energi terarah, beberapa laser serat digabungkan ke dalam struktur susunan yang koheren, yang dapat meningkatkan kekuatan laser serat.
Di Laboratorium Penelitian Angkatan Udara di Amerika Serikat, saat ini sedang dilakukan penelitian tentang laser serat 100kW untuk memenuhi tujuan aplikasi militer.
Sebagai pendiri MachineMFG, saya telah mendedikasikan lebih dari satu dekade karier saya untuk industri pengerjaan logam. Pengalaman saya yang luas telah memungkinkan saya untuk menjadi ahli di bidang fabrikasi lembaran logam, permesinan, teknik mesin, dan peralatan mesin untuk logam. Saya terus berpikir, membaca, dan menulis tentang subjek-subjek ini, terus berusaha untuk tetap menjadi yang terdepan di bidang saya. Biarkan pengetahuan dan keahlian saya menjadi aset bagi bisnis Anda.
ID 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR