i

4-N, Ndimethylamino-4! -N! -methyl-stilbazolium tosylate

(DAST) – Bahan Kristal Optik Non Linier Organik pada Aplikasi

Photonic Kecepatan Tinggi dan Gelombang THz.

Makalah Ini Disusun Untuk

Memenuhi Tugas Mata Kuliah Optik Non Linier

Disusun Oleh :

Anggia Erdienzy 140310120026

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

JATINANGOR

2015

ii

DAFTAR ISI

Daftar isi…………………………………………………………………….…... ii

Bab I Pendahuluan ……………………………………………………………... 1

Bab II Pembahasan……………………………………………………………… 2

2.1 Struktur Kristal DAST………………………………………….…… 3

2.2 Pertumbuhan dari Single Kristal ….…………….………………….. 4

2.3 NLO Properties…………………….…………………………………5

2.4 Origin of the Optical Nonlinearities in DAST……….…………..…. 6

2.5 THZ Generation ……….………….…………………………………7

2.6 Tunable terahertz-wave generation from DAST crystal pumped by a

monolithic dual wavelength fiber laser……………………………….8

Bab III Penutup ……………………………………………………….………. 11

Daftar Pustaka ……………………………………………………….………… 12

1

BAB I

Pendahuluan

Bahan optic non linier (NLO) organik memiliki stabilitas mekanik yang

baik dan mempunyai koefisien NLO yang besar untuk banyak aplikasi. Disisi lain,

NLO organic dapat mencapai efisiensi yang jauh lebih besar dan memberikan

berbagai aplikasi. Selanjutnya, karena bahan NLO organic mempunyai respon

elektronik yang murni, bahan ini menunjukkan optic nonlinerities yang sangat

cepat daripada bahan inorganik. Sehingga , bahan NLO organic menjanjikan

untuk ultrahigh bandwidth photonic devices.

Untuk aplikasi NLO kecepatan tinggi orde kedua, seperti Electro Optics

(EO), Second Harmonic Generation (SHG), Optical Parametric Oscillators (OPO),

dan Optical Rectification (OR), termasuk terahertz (THz) wave generation, yang

sangat asimetris, tanggapan asimetris elektronik yang tinggi dari material untuk

eksternal elektrik sangat diperlukan. NLO organic orde kedua sering didasari

dengan π- molekul terkonjugasi (kromofor) dengan electron donor dan grup

akseptor diujung π- struktur terkonjugasi.

4-N, Ndimethylamino-4! -N! -methyl-stilbazolium tosylate (DAST)

pertama kali ditemukan oleh Marder pada tahun 1989 yang termasuk pada kristal

NLO organic. Kualitas optic yang tinggi dan ukuran yang besar pada kristal

DAST dikembangkan dari larutan methanol dengan metode pendinginan yang

lambat untuk menentukan sifat dielektrik, linier dan sifat optic non linier. Alasan

untuk mengembangkan kualitas tinggi kristal DAST adalah kualitas tinggi orde

kedua NLO dan koefisien elektro optic yang dua kali lebih besar dari pada bahan

inorganic seperti LiNbO3. Hal ini memberikan nonliniaritas yang tinggi dalam

kombinasi dengan konstanta dielektrik yang rendah untuk aplikasi elektro optic

dengan kecepatan yang tinggi dan terahertz (THz) wave generation.

Dalam beberapa tahun terakhir, DAST telah terbukti sebagai bahan

material yang efisien untuk generasi dan deteksi gelombang THz menggunakan

2

proses NLO pembetulan optik atau generasi perbedaan frekuensi. Selain itu,

kemajuan yang signifikan ini telah dicapai dalam hal aplikasi EO terintegrasi

DAST dan kristal organik pada umumnya, yang telah lama terhalang karena

perkembangan yang sulit pada film tipis dengan ketebalan yang dikendalikan oleh

substrat serta proses photolithographic yang dibutuhkan khusus untuk

pengstrukturan.

3

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Struktur Kristal DAST

Gambar 1. Struktur molekul kristal DAST.

DAST merupakan garam organik yang terdiri dari bermuatan positif kation

stilbazolium dan tosylate anion bermuatan negatif . Kristal ini dikemas dengan

interaksi dua molekul dengan interaksi coulomb yang kuat. Kation stilbazolium

adalah salah satu NLO kromofor aktif yang paling efisien yang dikemas dalam

struktur acentric , sedangkan in tosylate digunakan untuk mempromosikan

kristalisasi noncentrosymmetric. Tergantung pada kondisi pertumbuhan , DAST

dapat mengkristal dalam grup ruang centrosymmetric P1 ( titik Grup 1 , z = 2 )

yang mengandung air ( warna oranye ), atau di ruang monoklinik grup Cc ( titik

kelompok m , z = 4 ) warna merah.

Gambar 2. Struktur X - ray dari DAST kristal ionik dengan grup jalur simetri.

4

Struktur dari orde kedua NLO aktif fase noncentrosymmetric ditunjukkan

pada Gambar 2. Dimana kristal DAST terdiri dari berturut-turut lapisan

ofstilbazolium dan molekul tosylate . Parameter kisi adalah a = 10,365 Ǻ, b =

11,322 Ǻ , dan c = 17,893 Ǻ. Kristalografi sumbu a membentuk sudut β = 92.2◦

dengan kristalografi sumbu c .

2.2 Pertumbuhan dari Single Kristal

Kristalisasi molekul organik NLO didasarkan pada solusi perkembangan ,

perkembangan lelehan, atau pertumbuhan uap , tergantung pada produksi massal

baik tiga dimensi , dua dimensi dan kristal -seperti serat satu dimensi. Karena

DAST leleh pada 256 ◦C , cara yang paling umum untuk mendapatkan kristal

DAST kualitas optik tinggi dari pertumbuhan solusi suhu rendah dekat dengan

termodinamika yang kesetimbangan . Pertumbuhan kristal DAST masih diteliti

oleh para ilmuan di seluruh dunia. Methanol merupakan pelarut yang paling

sering , metanol digunakan sebagai pelarut, seperti pada gambar dibawah ini :

Gambar 3. Diagram fasa dan daerah metastabil dari DAST dalam methanol

Pada gambar 3, DAST dikembangkan dari methanol yang jenuh dengan

pemurnian awal ( > 99,8 % ). Pertumbuhan yang bagus aalah pada saat suhu 40–

45 ◦C hingga suhu ruangan.

5

Gambar 4. ( a) DAST berwarna hijau (dipasang pada dudukan pertumbuhan ) . ( b

) DAST tampak merah dalam transmisi.

2.3 NLO Properties

Koefisien NLO d111 , d122 , dan d212 dari DAST adalah diukur dengan

Maker-fringe experiments dan dirangkum pada Tabel berikut :

Tabel 1. Hasil pengukuran metode Maker-fringe experiments

Berdasarkan tabel 1, digunakan panjang gelombang fundamental 1318 ,

1542 , dan 1907 nm . Pada DAST ditemukan hal yang menarik mengenai higher-

order optical nonlinerities, khususnya suseptibilitas orde ketiga NLO dan

keretntanan secondcorder NLO. DAST menunjukkan sifat yang menarik untuk

Optical Parametric Oscillation (OPO) di dekat inframerah. Konfigurasi yang

paling menarik untuk konversi frekuensi yang efisien ke wilayah inframerah

dengan panjang gelombang kontinu dari 800 nm sampai 2500 nm.

6

Gambar 5. Kurva Phase matching untuk osilasi parametric pada DAST.

2.4 Origin of the Optical Nonlinearities in DAST

7

Jika kita membandingkan pengukuran optik dan parameter NLO dan

ketergantungan frekuensi DAST dan kristal anorganik LiNbO3 dan KNbO3 , kita

dapat melihat bahwa pada DAST, kontribusi elektroniknya adalah dominan,

sedangkan pada kristal anorganik, sebagian besar respon datang dari akustik dan

kisi getaran optik. Perbedaan ini sangat penting penting untuk electro optics

kecepatan tinggi dan aplikasi gelombang THz. Dalam bahan organik, gelombang

listrik yang berjalan dengan kecepatan gelombang sama sperti gelombang optik

karena konstanta dielektrik rendah di frekuensi rendah ɛ ≈ n2, yang tidak terjadi

untuk kebanyakan bahan elektro-optik anorganik dengan ɛ >> n2. Jenis

pencocokan fasa ini sangat penting ketika membangun modulator EO frekuensi

tinggi. Konstanta dielektrik rendah bahan organic juga akan mengurangi

kebutuhan daya dari EO modulator. Keuntungan lain dari organik daripada bahan

anorganik adalah koefisien elektro optik hampir konstan pada rentang frekuensi.

Sifat ini penting untuk membangun broadband modulator dan detektor medan

elektro optik. Tanggapan elektronik yang hampir murni juga merupakan

keuntungan untuk THz pulsa generasimelalui perbaikan optik dalam bahan NLO.

Sebuah efisiensi pembangkit THz tinggi hanya dapat diperoleh jika yang disebut

kecepatan-pencocokan antara pulsa pompa di optic frekuensi dan gelombang THz

dihasilkan tercapai. Hal ini dikarenakan dalam bahan organik, dielektrik relatif

rendah, konstanta memungkinkan untuk pencocokan antara kecepatan fase dari

gelombang THz dan kecepatan kelompok pulsa pompa optic.

2.5 THZ Generation

DAST telah menarik banyak perhatian sebagai sumber yang efisien

radiasi THz dalam dekade terakhir. Dengan menggunakan proses perbaikan optik

, radiasi THz broadband dapat secara efisien dihasilkan dalam bahan NLO

noncentrosymmetric dipompa oleh pulsa femtosecond . Pulsa laser ultrashort ( <

200 fs ) menginduksi polarisasi kuasi - statis dalam materi tersebut melalui

perbaikan optik , yang mengikuti amplitude pompa pulsa , dan dengan demikian

bertindak sebagai sumber untuk pulsa THz .

8

Gambar 6. Spektrum puncak gelombang THz gelombang yang dihasilkan dalam

DAST 1 - mm – tebal kristal menggunakan difference frequency generation.

2.6 Tunable terahertz-wave generation from DAST crystal pumped by a

monolithic dual wavelength fiber laser

Konfigurasi fiber laser dan skema THz – wave generation , terlihat pada

gambar t berikut . Bagian atas ( cincin rongga ) adalah blok bangunan untuk fiber

ring laser dual- panjang gelombang, di mana fiber pig-tailed wideband 1060 nm

SOA ( Innolume Inc ) adalah medium gain . Ini merupakn fitur saturasi tinggi

daya output 18 dBm dan bandwidth 60 nm ( + 15 dB gain ) . Isolator optic dan

olatization controller ( PCs ) digunakan untuk mempertahankan rongga cincin

searah dan menstabilkan osilasi laser. Keadaan polarisasi laser menyebarkan

sepanjang serat dioptimalkan untuk operasi penguat dan amplifikasi selanjutnya .

9

Gambar 7. Sistematika konfigurasi sistem skema . Bagian atas adalah sistem fiber

laser dual- wavelength dan bagian bawah adalah sistem DAST - THz generation

Dua CFBGs identik disambung ke dalam rongga di mana CFBG1

digunakan dalam mode transmisi dan CFBG2 digunakan untuk refleksi bersama

dengan circulator optic. Panjang CFBG adalah 2,5 cm dan tingkat linear chirp

adalah 4,5 nm / cm . Oleh karena itu ~ 10 nm refleksi / stop band diperoleh (

seperti yang diilustrasikan pada Gambar 8).

10

Gambar 8. Demonstrasi spectrum refleksi CFBG2 , spektrum transmisi CFBG1

dan puncak transmisi dual - panjang gelombang CFBG1 dengan kabel pemanas

Resolusi : 0,01 nm

11

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Kristal organik NLO sangat menarik untuk aplikasi photonic

berkecepatan tinggi dan aplikasi gelombang THz. Kefiesien NLO organic lebih

tinggi beberapa kali lipat dibandingkan dengan anorganik, dan orientational

jangka panjang mereka dan photochemicalstability lebih baik seperti dalam

elektrooptik konvensional polimer. Tantangan utama bagi kristal NLO organik

tetap yang microstructuring untuk VLSI Photonics. Dalam beberapa tahun

terakhir, sudah ada beberapa teknik pengstrukturan untuk NLO DAST kristal

organic yang tinggi, yang membuka spektrum yang luas dari kemungkinan baru

dan fungsi pada teknologi pandu gelombang fotonik.

Evaluasi teoritis menunjukkan bahwa batas atas secondorder nonlinier

optik kristal organik memiliki jauh yang belum tercapai. Olehkarena itu,

penelitian dan pengembangan NLO crystalsis organik masih dilakukan. Baru-baru

ini, beberapa garam baru stilbazolium telah diidentifikasi dengan sejenis atau

bahkan sifat unggul NLO dari DAST , juga dikombinasikan dengan kemungkinan

pertumbuhan yang lebih baik . Selain itu, yang kristal molekul optic nonlinier

terbaik berdasarkan ikatan Van der Waals atau ikatan hidrogen yang mengikat

seperti pada DAST . DAST mempunyai stabilitas yang lebih baik termal yang

memungkinkan proses pelelehan sederhana dan proses penguapan material.

Bahan-bahan ini juga bisa menjadi lebih unggul terhadap aplikasi gelombang THz

karena penyerapan phonon hadir atau shifted optical phonon puncak pada kisaran

panjang gelombang THz.

12

DAFTAR PUSTAKA

Mojca Jazbinsek, Lukas Mutter, and Peter Gunter, “Photonic Applications

With the Organic Nonlinear Optical Crystal DAST”. IEEE JOURNAL OF

SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 5,

SEPTEMBER/OCTOBER 2008.

Ming Tang,Hiroaki Minamide,Yuye Wang,Takashi Notake,Seigo

Ohno,and Hiromasa Ito. “Tunable terahertz-wave generation from DAST

crystal pumped by a monolithic dual-wavelength fiber laser”. Received 18

Nov 2010; revised 3 Dec 2010; accepted 3 Dec 2010; published 5 Jan

2011 , 17 January 2011 / Vol. 19, No. 2 / OPTICS EXPRESS 779

A. Schneider, M. Stillhart and P. Günter, “High Efficiency Generation and

Detection of Terahertz Pulses Using Laser Pulses at Telecommunication

Wavelengths”; Opt. Express 14, 5376-5384 (2006)