4-N, Ndimethylamino-4! -N! -methyl-stilbazolium tosylate (DAST) – Bahan Kristal Optik Non Linier Organik pada Aplikasi Photonic Kecepatan Tinggi dan Gelombang THz

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.

Gambar 1. Struktur molekul kristal DAST.

Dalam beberapa tahun terakhir, DAST telah terbukti sebagai bahan material yang efisien

untuk generasi dan deteksi gelombang THz menggunakan 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.

A. Struktur 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.

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 c – sumbu .

B. 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.

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

tampak merah dalam transmisi.

C. 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.

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

D. Origin of the Optical Nonlinearities in DAST

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.

E. 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 .

Gambar 6. Spektrum puncak gelombang THz gelombang yang dihasilkan dalam DAST 1 - mm –

tebal kristal menggunakan difference frequency generation.

F.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 .

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).

Gambar 8. Demonstrasi spectrum refleksi CFBG2 , spektrum transmisi CFBG1 dan

puncak transmisi dual - panjang gelombang CFBG1 dengan kabel pemanas . Resolusi : 0,01 nm