Насыщаемое поглощение

Насыщающееся поглощение — это свойство материалов, при котором поглощение света уменьшается с увеличением интенсивности света . Большинство материалов демонстрируют некоторое насыщаемое поглощение, но часто только при очень высоких оптических интенсивностях (близких к оптическому повреждению). При достаточно высокой интенсивности падающего света основное состояние насыщающегося поглощающего материала переходит в верхнее энергетическое состояние с такой скоростью, что у него недостаточно времени для распада обратно в основное состояние, прежде чем основное состояние станет истощенным, вызывая поглощение. насытить. Ключевыми параметрами насыщающегося поглотителя являются его диапазон длин волн (где в электромагнитном спектре он поглощает), его динамический отклик (насколько быстро он восстанавливается), а также его интенсивность насыщения и плотность энергии (при какой интенсивности или энергии импульса он насыщается).

Насыщающиеся поглощающие материалы полезны в лазерных резонаторах . Например, они обычно используются для пассивной модуляции добротности .

Феноменология

В рамках простой модели насыщенного поглощения скорость релаксации возбуждений не зависит от интенсивности. Тогда для режима непрерывной волны (cw) скорость поглощения (или просто поглощения) определяется интенсивностью : $А$ $I$

(1)~~~~A={\frac {\alpha {1+I/I_{0}}}

где – линейное поглощение, – интенсивность насыщения. Эти параметры связаны с концентрацией активных центров в среде, эффективными сечениями и временем жизни возбуждений. ^[1] $\альфа$ $I_{0}$ $N$ ${\ displaystyle \ сигма }$ $\тау$

Связь с омега-функцией Райта

В простейшей геометрии, когда лучи поглощающего света параллельны, интенсивность можно описать законом Бера-Ламберта :

(2)~~~~{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} z}}=-AI

где – координата направления распространения. Подстановка (1) в (2) дает уравнение $z$

(3)~~~~{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} z}}=-{\frac {\alpha ~I}{1+I/I_{0} }}

С безразмерными переменными , уравнение (3) можно переписать в виде $u=I/I_{0}$ $t=\alpha z$

(4)~~~~{\frac {\mathrm {d} u}{\mathrm {d} t}}={\frac {-u}{1+u}}

Решение можно выразить через омега-функцию Райта : ${\ displaystyle \ омега }$

(5)~~~~u=\omega (-t)

Связь с функцией Ламберта W

Решение также может быть выражено через соответствующую функцию Ламберта W. Позволять . Затем $u=V{\big (}-\mathrm {e} ^{t}{\big)}$

(6)~~~~-\mathrm {e} ^{t}V'{\big (}-\mathrm {e} ^{t}{\big)}=-{\frac {V{ \big (}-\mathrm {e} ^{t}{\big )}}{1+V{\big (}-\mathrm {e} ^{t}{\big )}}}

С новой независимой переменной уравнение (6) приводит к уравнению $p=-\mathrm {e} ^{t}$

(7)~~~~V'(p)={\frac {V(p)}{p\cdot (1+V(p))}}

Формальное решение можно записать

(8)~~~~V(p)=W(pp_{0})

где константа, но уравнение может соответствовать нефизическому значению интенсивности (нулевой интенсивности) или необычной ветви W-функции Ламберта. $p_{0}$ $V(p_{0})=0$

Плотность насыщения

При импульсном режиме, в предельном случае коротких импульсов, поглощение можно выразить через флюенс

(9)~~~~F=\int _{0}^{t}I (t)\mathrm {d} t

где время должно быть мало по сравнению со временем релаксации среды; предполагается, что интенсивность равна нулю при . Тогда насыщающееся поглощение можно записать следующим образом: $т$ $т<0$

(10)~~~~A={\frac {\alpha }{1+F/F_{0}}}

где флюенс насыщения постоянен. $F_{0}$

В промежуточном случае (ни в непрерывном режиме, ни в режиме коротких импульсов) скоростные уравнения возбуждения и релаксации в оптической среде необходимо рассматривать совместно.

Плотность насыщения является одним из факторов, определяющих порог в усиливающих средах и ограничивающих запас энергии в импульсном дисковом лазере . ^[2]

Механизмы и примеры

Насыщение поглощения, приводящее к уменьшению поглощения при высокой интенсивности падающего света, конкурирует с другими механизмами (например, повышением температуры, образованием центров окраски и т. д.), которые приводят к увеличению поглощения. ^[3]^[4] В частности, насыщающееся поглощение является лишь одним из нескольких механизмов, вызывающих автопульсацию в лазерах, особенно в полупроводниковых лазерах . ^[5]

Слой углерода толщиной в один атом, графен , можно увидеть невооруженным глазом, поскольку он поглощает примерно 2,3% белого света, что в π раз превышает константу тонкой структуры . ^[6] Реакция насыщаемого поглощения графена не зависит от длины волны от УФ до ИК, среднего ИК и даже ТГц частот. ^[7]^[8]^[9] В свернутых листах графена ( углеродных нанотрубках ) насыщающееся поглощение зависит от диаметра и киральности. ^[10]^[11]

Насыщаемое поглощение микроволнового и терагерцового диапазона

Насыщающееся поглощение может иметь место даже в микроволновом и терагерцовом диапазонах (что соответствует длине волны от 30 до 300 мкм). Некоторые материалы, например графен , с очень слабой энергетической запрещенной зоной (несколько мэВ), могут поглощать фотоны в микроволновом и терагерцовом диапазонах из-за своего межзонного поглощения. В одном отчете микроволновое поглощение графена всегда уменьшается с увеличением мощности и достигает постоянного уровня при мощности, превышающей пороговое значение. Насыщаемое микроволновое поглощение в графене почти не зависит от частоты падения, что показывает, что графен может иметь важные применения в графеновых устройствах микроволновой фотоники, таких как: насыщаемый микроволновый поглотитель, модулятор, поляризатор, обработка микроволновых сигналов, широкополосные сети беспроводного доступа, датчики. сети, радары, спутниковая связь и так далее. ^[12]^{[ нужен неосновной источник ]}

Насыщаемое поглощение рентгеновских лучей

Насыщающееся поглощение было продемонстрировано для рентгеновских лучей. В одном исследовании тонкая алюминиевая фольга толщиной 50 нанометров (2,0 × 10 ^-6 дюймов) была облучена мягким рентгеновским лазерным излучением ( длина волны 13,5 нм). Короткий лазерный импульс выбил электроны L-оболочки ядра , не нарушив кристаллическую структуру металла, сделав его прозрачным для мягких рентгеновских лучей той же длины волны примерно на 40 фемтосекунд . ^[13]^[14]^[^{нужен неосновной источник}^]

Смотрите также

Двухфотонное поглощение