Sebuah tim peneliti internasional, termasuk seorang ilmuwan dari Aston University, telah mengembangkan kerangka matematika baru yang menjelaskan perilaku aneh dari apa yang disebut pulsa laser “bernafas”. Terobosan ini menyatukan dua jenis dinamika laser yang sangat berbeda dalam satu model untuk pertama kalinya.
Laser ultracepat menghasilkan semburan cahaya sangat singkat yang hanya berlangsung beberapa pikodetik atau femtodetik. Laser ini banyak digunakan dalam teknologi seperti bedah mata, pencitraan biomedis, manufaktur maju, dan pemrosesan bahan presisi. Pemahaman yang lebih mendalam tentang perilaku laser ini dapat membantu para ilmuwan meningkatkan stabilitasnya dan mengadaptasinya secara lebih efektif untuk aplikasi khusus.
Di dalam laser ultracepat, gelombang cahaya berulang kali merambat melalui struktur yang disebut rongga laser. Dalam kondisi tertentu, pulsa ini dapat membentuk paket gelombang stabil yang disebut soliton. Tidak seperti gelombang cahaya biasa yang merambat secara bertahap, soliton mempertahankan bentuknya saat bergerak.
Seringkali, soliton berperilaku stabil dan dapat diprediksi, menghasilkan denyut teratur yang mirip dengan detak jantung. Namun, pada laser “pernapasan”, denyutnya terus berubah seiring waktu. Mereka tumbuh dan menyusut berulang kali selama perjalanan berturut-turut melalui rongga laser, menciptakan osilasi berirama yang menyerupai pernapasan. Perilaku ini mewakili keadaan non-ekuilibrium di mana keluaran laser terus berubah dan bukannya tetap stabil.
Dua jenis “pernapasan” laser yang berbeda
Eksperimen sebelumnya telah mengungkapkan dua bentuk perilaku pernapasan yang berbeda pada laser ini.
Ketika laser beroperasi di atas daya minimum yang diperlukan untuk mempertahankan emisi pulsa, yang disebut ambang batas, soliton berosilasi dengan cepat. Pada sistem ini, siklus pernapasan berulang setelah hanya beberapa kali masuk ke dalam rongga.
Di bawah ambang batas, perilaku menjadi jauh lebih lambat. Soliton memerlukan ratusan atau bahkan ribuan perjalanan bolak-balik untuk menyelesaikan satu siklus pernapasan.
Hingga saat ini, para peneliti mengandalkan dua model matematika yang berbeda untuk menjelaskan rezim yang berbeda ini. Studi baru ini mengubah hal tersebut dengan menunjukkan bahwa kedua perilaku tersebut dapat dijelaskan dalam kerangka kerja yang terpadu.
Karya tersebut, yang melibatkan Dr Sonia Boscolo dari Aston Institute of Photonic Technologies, diterbitkan di Surat Pemeriksaan Fisik dalam makalah berjudul “Model terpadu untuk pernapasan soliton dalam laser serat: mekanisme lintas rezim di bawah ambang batas dan di atas ambang batas.”
Penjelasan terpadu tentang dinamika laser yang kompleks
Para peneliti menciptakan model revisi yang menggabungkan dua faktor penting: perubahan cepat cahaya di dalam rongga laser dan perubahan pasokan energi laser yang lebih lambat. Dengan mempertimbangkan kedua proses tersebut bersama-sama, tim menunjukkan bahwa kedua bentuk pernapasan tersebut bukanlah fenomena yang terpisah melainkan muncul dari ilmu fisika yang mendasarinya.
Dr Boscolo berkata:
“Soliton pernapasan di atas dan di bawah ambang batas menunjukkan perilaku yang sangat berbeda. Pernafasan di atas ambang batas berosilasi dengan cepat dan dapat mengunci ke dalam rongga, menghasilkan spektrum frekuensi radio berbentuk sisir dan status frekuensi terkunci tingkat tinggi, dengan pita samping yang khas pada spektrum optiknya. Pernafasan di bawah ambang batas berevolusi jauh lebih lambat, menghasilkan spektrum frekuensi radio yang berkerumun padat tanpa kesepadanan yang ketat dan tanpa pita samping optik. Simulasi baru kami secara akurat memprediksi siklus cepat dan lambat dalam satu siklus tunggal. pergi, yang sebelumnya dianggap mustahil dengan satu model.
“Pekerjaan kami memperkenalkan model diskrit yang direvisi yang menggabungkan dinamika lambat dari media penguatan laser sambil tetap mempertahankan deskripsi rinci dari rongga. Kerangka kerja terpadu ini secara akurat mereproduksi semua perilaku yang diamati secara eksperimental di kedua rezim dan mengungkapkan mekanisme yang mendasarinya: pernapasan subthreshold dihasilkan dari Q-switching yang dikombinasikan dengan pembentukan soliton, sedangkan pernapasan di atas ambang batas didominasi oleh nonlinier dan dispersi Kerr.
“Penemuan ini mengisi kesenjangan yang sudah lama ada dalam ilmu laser dan merupakan alat penting untuk merancang teknologi berbasis cahaya generasi berikutnya.”
Aplikasi laser ultracepat di masa depan
Para peneliti yakin kerangka baru ini dapat menjadi alat penting bagi para insinyur untuk mengembangkan sistem optik masa depan. Seiring dengan meningkatnya permintaan akan teknologi laser yang lebih kuat dan andal, model ini dapat membantu para ilmuwan memprediksi perilaku laser yang kompleks dengan lebih efektif tanpa bergantung pada beberapa simulasi yang tidak terhubung.
Tim berharap karya ini pada akhirnya akan berfungsi sebagai panduan praktis untuk merancang laser ultracepat generasi berikutnya yang digunakan dalam bidang kedokteran, pencitraan, manufaktur, dan teknologi canggih lainnya.
