Serat optik mode tunggal baru yang terbuat dari safir, bukan silika biasa, dapat menahan suhu lebih dari 2000°C serta radiasi tingkat tinggi. Meskipun panjang serat saat ini dibatasi hingga 1 cm, pengembangnya di Universitas Oxford, Inggris, mengatakan bahwa teknik yang mereka gunakan untuk membuatnya dapat diperpanjang hingga beberapa meter, sehingga berguna untuk penginderaan jauh di lingkungan ultra-ekstrim.
Serat optik biasanya terdiri dari inti pusat yang dikelilingi oleh kelongsong. Karena inti memiliki indeks bias yang sedikit lebih tinggi daripada kelongsong, cahaya merambat ke bawah serat dengan mengalami refleksi internal hampir total pada antarmuka inti/kelongsong. Dalam serat dengan inti yang relatif besar (sekitar 50 m), ruang ekstra memungkinkan cahaya untuk mengikuti jalur dengan panjang yang bervariasi, yang berarti bahwa banyak panjang gelombang cahaya yang berbeda dipantulkan sekaligus. Serat tersebut disebut “multimode”, dan setiap mode memiliki indeks bias efektif yang berbeda. Sebaliknya, serat dengan inti yang lebih sempit (sekitar 9 m ) dapat mendukung mode tunggal, sehingga cahaya hanya mengikuti satu jalur.
Dari serat safir yang sangat multimode hingga mode tunggal
Serat optik yang terbuat dari safir berbeda dari desain ini dalam beberapa hal, jelas anggota tim Mohan Wang . Alih-alih memiliki inti dan kelongsong, serat safir dibuat dari bahan kristal tunggal yang solid, dan cahaya dipandu oleh antarmuka antara safir dan udara di sekitarnya. Diameter kristal yang relatif besar (antara 60 dan 425 m ) berarti bahwa serat safir sangat multimodal: serat 75 m tipikal dapat berisi 20.000 mode. Cahaya di setiap mode merambat pada kecepatan yang berbeda, menghasilkan distorsi sinyal optik.
Dalam karya baru, Wang dan rekan menemukan cara untuk membuat serat safir mode tunggal dengan menulis saluran sepanjang serat berdiameter 425 m sedemikian rupa sehingga cahaya terkandung dalam penampang kecil kurang dari 10 diameter m . Para peneliti melakukan ini dengan memilih titik di dalam penampang serat safir untuk menjadi “inti”. Mereka kemudian mengekspos safir di sekitar wilayah ini ke pulsa sinar laser yang sangat pendek (170 femtodetik), secara efektif membentuk kelongsong dengan menurunkan indeks bias lokal.
“Kami mencapai ini dengan menulis serangkaian garis di sepanjang serat, mulai dari bawah dan bergerak di sekitar inti ke atas,” jelas Wang. Tantangan yang cukup signifikan, lanjutnya, adalah batu safir memiliki indeks bias yang tinggi dan tidak rata. Sebaliknya, penampangnya menyerupai segi enam bulat, menimbulkan distorsi yang signifikan ketika para peneliti mencoba untuk memfokuskan cahaya di dalam serat dan memaksa mereka untuk menggunakan optik adaptif untuk mengoreksinya.
Sensor berbasis kisi Bragg
Para peneliti menggunakan teknik penulisan laser ini untuk membuat apa yang disebut kisi Bragg, yang merupakan variasi periodik dari indeks bias sepanjang serat. “ Jika serat adalah mode tunggal, kisi Bragg serat memantulkan cahaya pada panjang gelombang (Bragg) tertentu sesuai dengan nada kisi dan indeks bias efektif,” jelas Wang. “Perubahan suhu dan regangan mempengaruhi sifat-sifat ini dan dapat diukur dari panjang gelombang cahaya yang dipantulkan, memungkinkan serat untuk digunakan sebagai sensor. Upaya sebelumnya pada kisi-kisi Bragg dalam serat safir multimode memiliki beberapa puncak refleksi – satu untuk setiap mode, menghasilkan ketidakpastian pengukuran.”
Tim Universitas Oxford sekarang bekerja untuk membuat serat safirnya lebih panjang – beberapa sentimeter untuk memulai, tetapi akhirnya hingga beberapa meter, kata pemimpin studi Julian Fells. Serat yang lebih panjang dapat berisi beberapa sensor dan dapat digunakan untuk mengukur suhu di seluruh volume mesin jet, di mana suhu dengan mudah melebihi batas maksimum 1000 °C untuk serat silika. Fells menunjukkan bahwa data dari pengukuran tersebut dapat membantu mengurangi emisi nitrogen dioksida dengan mengubah kondisi mesin di tengah penerbangan atau meningkatkan efisiensi secara keseluruhan. “Kami juga menjajaki peluang untuk instrumen aero-engine test-rig dengan mitra kami Rolls-Royce dan Cranfield University,” katanya.
Aplikasi lain yang mungkin untuk serat termasuk penginderaan di lingkungan dengan tingkat radiasi yang tinggi. “Karena safir kuat terhadap radiasi, ia memiliki keunggulan dibandingkan serat silika konvensional, yang rusak oleh radiasi,” kata Fells kepada Physics World . Di masa depan, tim berencana untuk memasok perangkat ke MDA Space and Robotics dan ke Otoritas Energi Atom Inggris untuk evaluasi oleh divisi Aplikasi Jarak Jauh di Lingkungan yang Menantang (RACE). “Safir juga transparan pada panjang gelombang yang jauh lebih luas daripada silika, hingga inframerah pertengahan, jadi menarik untuk penginderaan gas menggunakan spektroskopi,” Fells menyimpulkan.