Насыщенное впитывание

Насыщенное поглощение - это свойство материалов, при котором поглощение света уменьшается с увеличением интенсивности света . Большинство материалов демонстрируют некоторое насыщающееся поглощение, но часто только при очень высоких оптических интенсивностях (близких к оптическому повреждению). При достаточно высокой интенсивности падающего света основное состояние насыщающегося материала поглотителя возбуждается в состояние с более высокой энергией с такой скоростью, что у него недостаточно времени для его распада обратно в основное состояние до истощения основного состояния, вызывая поглощение насытить. Ключевыми параметрами насыщающегося поглотителя являются его длина волны. диапазон (где в электромагнитном спектре он поглощает), его динамический отклик (как быстро он восстанавливается), а также его интенсивность и флюенс насыщения (при какой интенсивности или энергии импульса он насыщается).

Материалы насыщающегося поглотителя используются в лазерных резонаторах . Например, они обычно используются для пассивной модуляции добротности .

Феноменология насыщающегося поглощения [ править ]

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

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

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

Связь с функцией Омеги Райта [ править ]

Омега-функция Райта

В простейшей геометрии, когда лучи поглощающего света параллельны, интенсивность может быть описана законом Бера – Ламберта :

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

где - координата в направлении распространения. Подстановка (1) в (2) дает уравнение${\ displaystyle z}$

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

С безразмерных переменных , уравнение (3) можно переписать в виде ${\ displaystyle u = I / I_ {0}}$${\ Displaystyle т = \ альфа г}$

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

Решение можно выразить с помощью функции Омеги Райта :${\ displaystyle \ omega}$

${\ displaystyle (5) ~~~~ u = \ omega (-t)}$

Связь с функцией Ламберта W [ править ]

Решение может быть также выражено через соответствующий функции Ламберта W . Пусть . потом${\ displaystyle u = V {\ big (} - \ mathrm {e} ^ {t} {\ big)}}$

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

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

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

Формальное решение можно записать

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

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

Плотность насыщенности [ править ]

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

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

где время должно быть малым по сравнению со временем релаксации среды; предполагается, что интенсивность равна нулю при . Тогда насыщающееся поглощение можно записать следующим образом:${\displaystyle t}$${\displaystyle t<0}$

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

где плотность потока насыщения постоянна.${\displaystyle F_{0}}$

В промежуточном случае (ни непрерывный, ни короткий импульсный режим) уравнения скорости возбуждения и релаксации в оптической среде должны рассматриваться вместе.

Плотность насыщения - один из факторов, определяющих порог в усиливающей среде и ограничивающий накопление энергии в импульсном дисковом лазере . ^[2]

Механизмы и примеры насыщающегося поглощения [ править ]

Насыщение поглощения, которое приводит 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. ^{[3] [4]} В частности, насыщающееся поглощение является лишь одним из нескольких механизмов, которые вызывают самопульсацию в лазерах, особенно в полупроводниковых лазерах . ^[5]

Слой углерода, графена толщиной в один атом , можно увидеть невооруженным глазом, потому что он поглощает примерно 2,3% белого света, что в π раз больше постоянной тонкой структуры . ^[6] Отклик 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 хиральности. ^{[10] [11]}

Насыщаемое поглощение микроволн и терагерцового диапазона [ править ]

Насыщенное поглощение может происходить даже в микроволновом и терагерцовом диапазонах (соответствует длине волны от 30 до 300 мкм). Некоторые материалы, например графенс очень слабой шириной запрещенной зоны (несколько мэВ) мог 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 для мощности, превышающей пороговое значение. Поглощение, насыщающееся микроволновым излучением в графене, почти не зависит от частоты падающего излучения, что демонстрирует, что графен может иметь важные применения в графеновых устройствах микроволновой фотоники, таких как: насыщающийся микроволновый поглотитель, модулятор, поляризатор, обработка микроволнового сигнала, широкополосные сети беспроводного доступа, датчик сети, радары, спутниковая связь и тд. ^{[12] [необходим неосновной источник ]}

Поглощение насыщенного рентгеновского излучения [ править ]

Для рентгеновских лучей продемонстрировано насыщающееся поглощение. В одном исследовании тонкую алюминиевую  фольгу размером 50 нанометров (2,0 × 10 ^{-6 дюймов} ) облучали мягким рентгеновским лазерным излучением ( длина волны 13,5 нм). Короткий лазерный импульс выбивал основные электроны L-оболочки без нарушения кристаллической структуры металла, делая его прозрачным для мягкого рентгеновского излучения той же длины волны в течение примерно 40 фемтосекунд . ^{[13] [14] [ требуется неосновной источник ]}

См. Также [ править ]

• Двухфотонное поглощение

Ссылки [ править ]