Насыщаемое поглощение

О насыщаемом транспорте см. Облегченная диффузия .

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 работы в режиме непрерывного излучения скорость поглощения (или просто поглощения) $A$ определяется интенсивностью $I$:

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

где $\alpha$ – линейное поглощение, а $I_{0}$ – интенсивность насыщения. Эти параметры связаны с концентрацией $N$ активных центров в среде, эффективные сечения $\sigma$ и время жизни $\tau$ возбуждений.

Связь с омега-функцией Райта

Омега-функция Райта

В простейшей геометрии, когда лучи поглощающего света параллельны, интенсивность можно описать выражением Закон Бера-Ламберта ,

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

где $z$ является координатой в направлении распространения. Подстановка (1) в (2) дает уравнение

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

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

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

Решение можно выразить через омега-функцию Райта. $\omega$:

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

Связь с функцией Ламберта W

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

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

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

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

Формальное решение можно записать

$(8)~~~~V(p)=W(p-p_{0})$

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

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

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

где флюенс насыщения $F_{0}$ является постоянным.

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 .

Механизмы и примеры

Насыщение поглощения, приводящее к снижению поглощения при высокой интенсивности падающего света, конкурирует с другими механизмами (например, повышением температуры, образованием центров окраски и т. д.), которые приводят к увеличению поглощения. В частности, насыщающееся поглощение — лишь один из нескольких механизмов, вызывающих автопульсацию в лазерах, особенно в полупроводниковых лазерах .

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 . Реакция насыщаемого поглощения графена не зависит от длины волны от УФ до ИК, среднего ИК и даже ТГц частот. В свернутых листах графена ( углеродных нанотрубках ) насыщающееся поглощение зависит от диаметра и киральности.

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.

Насыщаемое поглощение рентгеновских лучей

Насыщающееся поглощение было продемонстрировано для рентгеновских лучей. В одном исследовании тонкий слой толщиной 50 нанометров (2,0 × 10 ⁻⁶ в) фольгу из алюминия облучали 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 .

См. также

• Двухфотонное поглощение