Насыщенное впитывание - Saturable absorption

Для насыщаемого транспорта см. облегченное распространение.

Насыщенное впитывание это свойство материалов, где поглощение света уменьшается с увеличением света интенсивность. Большинство материалов демонстрируют некоторое насыщающееся поглощение, но часто только при очень высоких оптических интенсивностях (близких к оптическому повреждению). При достаточно высокой интенсивности падающего света атомы в основном состоянии материала насыщающегося поглотителя возбуждаются в состояние с более высокой энергией с такой скоростью, что им не хватает времени, чтобы вернуться в основное состояние до того, как основное состояние станет обедненным, и Впоследствии абсорбция насыщается. Насыщаемые поглотители полезны в лазерные резонаторы. Ключевыми параметрами насыщающегося поглотителя являются его длина волны диапазон (где он поглощает), его динамический отклик (как быстро он восстанавливается), а также его интенсивность и флюенс насыщения (при какой интенсивности или энергии импульса он насыщается). Они обычно используются для пассивных Q-переключение.

Феноменология насыщающегося поглощения

В рамках простой модели насыщенного поглощения скорость релаксации возбуждений не зависит от интенсивности. Тогда для непрерывная волна (cw) операция, скорость поглощения (или просто абсорбция) ${\displaystyle A}$ определяется интенсивностью ${\displaystyle I}$:

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

где ${\displaystyle \alpha }$ линейное поглощение, а ${\displaystyle I_{0}}$ - интенсивность насыщения. Эти параметры связаны с концентрация ${\displaystyle N}$ активных центров в среде, эффективные сечения ${\displaystyle \sigma }$ и время жизни ${\displaystyle \tau }$ возбуждений.^[1]

Связь с функцией Омега Райта

Омега-функция Райта

В простейшей геометрии, когда лучи поглощающего света параллельны, интенсивность может быть описана с помощью Закон Бера – Ламберта,

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

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

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

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

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

Решение может быть выражено через Омега-функция Райта ${\displaystyle \omega }$:

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

Связь с W-функцией Ламберта

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

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

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

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

Формальное решение можно записать

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

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

Флюенс насыщенности

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

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

где флюенс насыщения ${\displaystyle F_{0}}$ постоянно.

В промежуточном случае (без непрерывного или короткоимпульсного режима) скоростные уравнения для возбуждение и расслабление в оптическая среда нужно рассматривать вместе.

Плотность насыщения - один из факторов, определяющих порог в усиливающих средах и ограничивает накопление энергии в импульсном дисковый лазер.^[2]

Механизмы и примеры насыщающегося поглощения

Насыщение поглощения, которое приводит к снижению поглощения при высокой интенсивности падающего света, конкурирует с другими механизмами (например, повышение температуры, образование центры окраски и др.), что приводит к увеличению абсорбции.^[3][4]В частности, насыщающееся поглощение - лишь один из нескольких механизмов, которые создают автопульсация в лазерах, особенно в полупроводниковые лазеры.^[5]

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

Насыщаемое поглощение микроволн и терагерцового диапазона

Насыщенное поглощение может происходить даже в микроволновом и терагерцовом диапазонах (соответствует длине волны от 30 мкм до 300 мкм). Некоторые материалы, например графен с 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 т. д. ^[12]

.

Насыщенное поглощение рентгеновских лучей

Для рентгеновских лучей продемонстрировано насыщающееся поглощение. В одном исследовании тонкий 50 нанометров (2,0×10⁻⁶ в) фольга алюминий облучали мягким Рентгеновский лазер радиация (длина волны 13,5 нм (5,3×10⁻⁷ в)). Короткий лазерный импульс выбил сердечник L-оболочка электронов, не нарушая кристаллический структура металла, что делает его прозрачным для мягких рентгеновских лучей той же длины волны около 40 фемтосекунды.^[13][14]

Смотрите также

• Двухфотонное поглощение

использованная литература

1. Colin S, Contesse E, Boudec PL, Stephan G, Sanchez F (1996). «Доказательства эффекта насыщающегося поглощения в волокнах, сильно легированных эрбием». Письма об оптике. 21 (24): 1987–1989. Bibcode:1996OptL ... 21.1987C. Дои:10.1364 / OL.21.001987. PMID  19881868.
2. Д.Кузнецов. (2008). «Хранение энергии в дисковых лазерных материалах». Письма об исследованиях по физике. 2008: 1–5. Bibcode:2008RLPhy2008E..17K. Дои:10.1155/2008/717414.
3. Копонен Дж., Седерлунд М., Хоффман Х. Ф., Клинер Д., Коплоу Дж., Аршамбо Дж. Л., Рики Л., Рассел П. Сент-Дж., Пейн Д. Н. (2007). «Измерения затемнения в волокнах с большой площадью моды». Труды SPIE. Волоконные лазеры IV: технологии, системы и приложения. 6553 (5): 783–9. Bibcode:2007SPIE.6453E..1EK. Дои:10.1117/12.712545.
4. Л. Донг; Ж. Л. Аршамбо; Л. Рики; П. Сент-Дж. Рассел; Д. Н. Пейн (1995). "Фотоиндуцированное изменение поглощения в германосиликатных преформах: свидетельство модели цветного центра светочувствительности". Прикладная оптика. 34 (18): 3436–40. Bibcode:1995ApOpt..34.3436D. Дои:10.1364 / AO.34.003436. PMID  21052157.
5. Томас Л. Паоли (1979). «Эффекты насыщающегося поглощения в самопульсирующем (AlGa) лазере на As-переходе». Appl. Phys. Латыш. 34 (10): 652. Bibcode:1979АпФЛ..34..652П. Дои:10.1063/1.90625.
6. Кузьменко, А.Б .; van Heumen, E .; Carbone, F .; ван дер Марель, Д. (2008). «Универсальная инфракрасная проводимость графита». Phys Rev Lett. 100 (11): 117401. arXiv:0712.0835. Bibcode:2008PhRvL.100k7401K. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.117401. PMID  18517825.
7. Чжан, Хан; Тан, Динъюань; Knize, R.J .; Чжао, Люмин; Бао, Цяолян; Ло, Киан Пинг (2010). "Диссипативный солитонный волоконный лазер с перестраиваемой длиной волны и синхронизацией мод графена" (PDF). Письма по прикладной физике. 96 (11): 111112. arXiv:1003.0154. Bibcode:2010ApPhL..96k1112Z. Дои:10.1063/1.3367743. Архивировано из оригинал (PDF) 15.11.2010.
8. Z. Sun; Т. Хасан; Ф. Торриси; Д. Попа; Г. Привитера; Ф. Ван; Ф. Бонаккорсо; Д. М. Баско; А.С. Феррари (2010). "Сверхбыстрый лазер с синхронизацией мод графена". САУ Нано. 4 (2): 803–810. arXiv:0909.0457. Дои:10.1021 / nn901703e. PMID  20099874.
9. Ф. Бонаккорсо; Z. Sun; Т. Хасан; А.С. Феррари (2010). «Графеновая фотоника и оптоэлектроника». Природа Фотоника. 4 (9): 611–622. arXiv:1006.4854. Bibcode:2010НаФо ... 4..611Б. Дои:10.1038 / НПХОТОН.2010.186.
10. Ф. Ван; Рожин А.Г .; В. Скардачи; Z. Sun; Ф. Хеннрих; И. Х. Уайт; В. И. Милн; Феррари А.С. (2008). "Широкополосный перестраиваемый волоконный лазер с синхронизацией мод на нанотрубках" (PDF). Природа Нанотехнологии. 3 (12): 738–742. Bibcode:2008НатНа ... 3..738Вт. Дои:10.1038 / nnano.2008.312.
11. Т. Хасан; Z. Sun; Ф. Ван; Ф. Бонаккорсо; П. Х. Тан; Рожин А.Г .; А.С. Феррари (2009). «Нанотрубки – полимерные композиты для сверхбыстрой фотоники». Передовые материалы. 21 (38–39): 3874–3899. Дои:10.1002 / adma.200901122.
12. Чжэн; и другие. (2012). «Микроволновое и оптическое насыщающееся поглощение в графене». Оптика Экспресс. 20 (21): 23201–14. Bibcode:2012OExpr..2023201Z. Дои:10.1364 / OE.20.023201. PMID  23188285..
13. «Прозрачный алюминий - новое слово в жизни»'". sciencedaily.com. 27 июля 2009 г.. Получено 29 июля 2009.
14. Наглер, Боб; Застрау, Ульф; Fustlin, Roland R .; Винко, Сэм М .; Уитчер, Томас; Нельсон, А. Дж .; Соберайски, Рышард; Кшивинский, Яцек; и другие. (2009). «Превращение твердого алюминия в прозрачный с помощью интенсивной мягкой рентгеновской фотоионизации» (PDF). Природа Физика. 5 (9): 693–696. Bibcode:2009НатФ ... 5..693Б. Дои:10.1038 / nphys1341.