Насыщаемое поглощение — свойство материалов, заключающееся в том, что поглощение света уменьшается с увеличением интенсивности света. Большинство материалов демонстрируют некоторое насыщаемое поглощение, но часто только при очень высокой оптической интенсивности (близкой к оптическому повреждению). При достаточно высокой интенсивности падающего света атомы в основном состоянии насыщаемого поглощающего материала возбуждаются в состояние с высокой энергией с такой скоростью, что у них недостаточно времени для того, чтобы вернуться в основное состояние, в результате чего поглощение входит в стадию насыщения. Насыщенные поглотители полезны в лазерных резонаторах. Ключевыми параметрами для насыщаемого поглотителя являются диапазон длин волн (где он поглощает), динамический отклик (как быстро он восстанавливается), а также его интенсивность насыщения и флюенс (при какой интенсивности или энергии импульса он насыщается). Они обычно используются для пассивной модуляции добротности.
Феноменология насыщаемого поглощения В рамках простой модели насыщенного поглощения скорость релаксации возбуждения не зависит от интенсивности. Следовательно, при непрерывном излучении скорость поглощения (или просто поглощение) определяется интенсивностью :
где — линейное поглощение; — интенсивность насыщения. Эти параметры связаны с концентрацией активных центров в среде, эффективным сечением и временем жизни возбуждений.
Связь с омега-функцией Райта
В простейшем случае, когда лучи поглощаемого света параллельны, интенсивность можно описать с помощью закона Бугера–Ламберта,
где — координата в направлении распространения. Подстановка (1) в (2) дает уравнение
Введя безразмерные переменные , уравнение (3) можно переписать в виде
Решение может быть выражено через омега-функцию Райта :
Связь с функцией Ламберта W Решение может быть выражено также через связанную W-функцию Ламберта. Пусть , тогда
С новой независимой переменной Уравнение (6) запишется как
Формальное решение может быть записано в виде
где — постоянная, но уравнение может соответствовать нефизическому значению интенсивности (нулевой интенсивности) или необычной ветви W-функции Ламберта.
Флюенс насыщения Для импульсного режима в предельном случае коротких импульсов, поглощение может быть выражено через флюенс
где время должно быть небольшим по сравнению со временем релаксации среды; предполагается, что интенсивность равна нулю при . Тогда насыщаемое поглощение можно записать следующим образом:
где флюенс насыщения — постоянная.
В промежуточном случае (ни непрерывный, ни короткий импульсный режим) уравнения скорости для возбуждения и релаксации в оптической среде должны рассматриваться вместе.
Флюенс насыщения является одним из факторов, которые определяют порог в усиливающей среде и ограничивают накопление энергии в импульсном дисковом лазере.
Механизмы и примеры насыщаемого поглощения Насыщение поглощения, которое приводит 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. В частности, насыщаемое поглощение является лишь одним из нескольких механизмов, которые производят самопульсацию в лазерах, особенно в полупроводниковых лазерах .
Атомы углерода толщиной в один слой, графен, можно увидеть невооруженным глазом, поскольку он поглощает приблизительно 2,3% белого света, что в π раз превышает постоянную тонкой структуры. Отклик графена на насыщаемое поглощение не зависит от длины волны от УФ до ИК, среднего ИК и даже до ТГц-частот. В свернутых графеновых листах (углеродные нанотрубки ) насыщаемое поглощение зависит от диаметра и хиральности.
Микроволновое и терагерцовое насыщаемое поглощение Насыщаемое 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 шириной запрещенной зоны (несколько мэВ), могут поглощать фотоны в микроволновом и терагерцовом диапазонах из-за его межзонного поглощения. В одном отчете отмечается, что микроволновое поглощение графена всегда уменьшается с увеличением мощности и достигает постоянного уровня для мощности, превышающей пороговое значение. Насыщаемое микроволновое поглощение излучения в графене практически не зависит от частоты падающего излучения, что свидетельствует о том, что графен может найти важные применения в графеновых микроволновых фотонных устройствах, таких как: поглотитель СВЧ-излучения, модулятор, поляризатор, обработка микроволнового сигнала, широкополосные сети беспроводного доступа, датчики сети, радары, спутниковая связь и т. д. .
Насыщаемое поглощение рентгеновских лучей Насыщаемое поглощение было продемонстрировано для рентгеновских лучей. В одном исследовании алюминиевую фольгу толщиной 50 нм облучали мягким рентгеновским лазерным излучением (длина волны 13,5 нм). Короткий лазерный импульс выбивал основные электроны L-оболочки, не нарушая кристаллическую структуру металла, делая его прозрачным для мягкого рентгеновского излучения той же длины волны в течение примерно 40 фемтосекунд.
См. также
Двухфотонное поглощение
Примечания
Категория:Нелинейная оптика