Насыщаемое поглощение
Нелинейный оптический эффект

Насыщаемое 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 насыщаемого поглотителя возбуждается в верхнее энергетическое состояние с такой скоростью, что у него недостаточно времени для того, чтобы вернуться в основное состояние, прежде чем основное состояние истощится, что приведет к насыщению поглощения. Ключевыми параметрами для насыщаемого поглотителя являются его диапазон длин волн (где в электромагнитном спектре он поглощает), его динамический отклик (как быстро он восстанавливается), а также его интенсивность насыщения и флюенс (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 непрерывной работы (cw) скорость поглощения (или просто поглощение) определяется интенсивностью : А {\displaystyle А} я {\displaystyle Я}

( 1 )         А = α 1 + я / я 0 {\displaystyle (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] α {\displaystyle \альфа} я 0 {\displaystyle I_{0}} Н {\displaystyle N} σ {\displaystyle \сигма} τ {\displaystyle \тау}

Связь с омега-функцией Райта

Омега-функция Райта

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

( 2 )         г я г з = − А я {\displaystyle (2)~~~~{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} z}}=-AI}

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

( 3 )         г я г з = − α   я 1 + я / я 0 {\displaystyle (3)~~~~{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} z}}=-{\frac {\alpha ~I}{1+I/I_{0}}}}

С безразмерными переменными , , уравнение (3) можно переписать в виде ты = я / я 0 {\displaystyle u=I/I_{0}} т = α з {\displaystyle t=\альфа z}

( 4 )         г ты г т = − ты 1 + ты {\displaystyle (4)~~~~{\frac {\mathrm {d} u}{\mathrm {d} t}}={\frac {-u}{1+u}}}

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

( 5 )         ты = ω ( − т ) {\displaystyle (5)~~~~u=\omega (-t)}

Связь с функцией Ламберта W

Решение можно выразить также через связанную функцию Ламберта W. Пусть . Тогда ты = В ( − е т ) {\displaystyle u=V{\big (}-\mathrm {e} ^{t}{\big )}}

( 6 )         − е т В ′ ( − е т ) = − В ( − е т ) 1 + В ( − е т ) {\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 п = − е т {\displaystyle p=-\mathrm {e} ^{t}}

( 7 )         В ′ ( п ) = В ( п ) п ⋅ ( 1 + В ( п ) ) {\displaystyle (7)~~~~V'(p)={\frac {V(p)}{p\cdot (1+V(p))}}}

Формальное решение можно записать

( 8 )         В ( п ) = Вт ( п − п 0 ) {\displaystyle (8)~~~~V(p)=W(pp_{0})}

где — константа, но уравнение может соответствовать нефизическому значению интенсивности (нулевая интенсивность) или необычной ветви функции Ламберта W. п 0 {\displaystyle p_{0}} В ( п 0 ) = 0 {\displaystyle V(p_{0})=0}

Плотность потока насыщения

Для импульсного режима работы, в предельном случае коротких импульсов, поглощение может быть выражено через плотность потока

( 9 )         Ф = ∫ 0 т я ( т ) г т {\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: т {\displaystyle т} т < 0 {\displaystyle т<0}

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

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

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

Плотность потока насыщения является одним из факторов, определяющих порог в среде усиления и ограничивающих запас энергии в импульсном дисковом лазере . [2]

Механизмы и примеры

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. [3] [4] В частности, насыщаемое поглощение является лишь одним из нескольких механизмов, которые вызывают самопульсацию в лазерах, особенно в полупроводниковых лазерах . [5]

Слой углерода толщиной в один атом, графен , можно увидеть невооруженным глазом, поскольку он поглощает приблизительно 2,3% белого света, что в π раз больше постоянной тонкой структуры . [6] Насыщаемая поглощающая способность графена не зависит от длины волны от УФ до ИК, среднего ИК и даже до ТГц частот. [7] [8] [9] В скрученных листах графена ( углеродных нанотрубках ) насыщаемая поглощающая способность зависит от диаметра и хиральности. [10] [11]

Насыщаемое поглощение микроволн и терагерца

Насыщающееся поглощение может иметь место даже в микроволновом и терагерцовом диапазонах (соответствующих длине волны от 30 мкм 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 его межзонного поглощения. В одном отчете микроволновое поглощение графена всегда уменьшается с увеличением мощности и достигает постоянного уровня для мощности, превышающей пороговое значение. Микроволновое насыщающееся поглощение в графене почти не зависит от падающей частоты, что показывает, что графен может иметь важные приложения в графеновых микроволновых фотонных устройствах, таких как: микроволновый насыщающийся поглотитель, модулятор, поляризатор, обработка микроволновых сигналов, широкополосные беспроводные сети доступа, сенсорные сети, радары, спутниковая связь и т. д. [12] [ необходим непервичный источник ]

Насыщаемое поглощение рентгеновских лучей

Насыщаемое поглощение было продемонстрировано для рентгеновских лучей. В одном исследовании тонкая 50-нанометровая (2,0 × 10−6  дюймов) фольга алюминия была облучена мягким рентгеновским лазерным излучением ( длина волны 13,5 нм). Короткий лазерный импульс выбивал электроны ядра L-оболочки , не нарушая кристаллической структуры металла, делая его прозрачным для мягких рентгеновских лучей той же длины волны в течение примерно 40 фемтосекунд . [13] [14] [ необходим непервичный источник ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Colin S, Contesse E, Boudec PL, Stephan G, Sanchez F (1996). «Доказательства эффекта насыщаемого поглощения в сильно легированных эрбием волокнах». Optics Letters . 21 (24): 1987–1989. Bibcode : 1996OptL...21.1987C. doi : 10.1364/OL.21.001987. PMID  19881868.
  2. ^ Д.Кузнецов. (2008). «Хранение энергии в дисковых лазерных материалах». Research Letters in Physics . 2008 : 1–5. Bibcode : 2008RLPhy2008E..17K. doi : 10.1155/2008/717414 .
  3. ^ Koponen J, Söderlund M, Hoffman HF, Kliner D, Koplow J, Archambault JL, Reekie L, Russell P.St.J., Payne DN (2007). Harter DJ, Tünnermann A, Broeng J, Headley III C (ред.). "Измерения фотозатемнения в волокнах с большой площадью моды". Труды SPIE . Волоконные лазеры IV: Технология, системы и приложения. 6553 (5): 783–9. Bibcode : 2007SPIE.6453E..1EK. doi : 10.1117/12.712545. S2CID  27204182.
  4. ^ L. Dong; JL Archambault; L. Reekie; P. St. J. Russell; DN Payne (1995). «Фотоиндуцированное изменение поглощения в германосиликатных заготовках: доказательства в пользу модели цветового центра фоточувствительности». Applied Optics . 34 (18): 3436–40. Bibcode :1995ApOpt..34.3436D. doi :10.1364/AO.34.003436. PMID  21052157.
  5. ^ Томас Л. Паоли (1979). "Эффекты насыщаемого поглощения в самопульсирующемся лазере на (AlGa)As". Appl. Phys. Lett . 34 (10): 652. Bibcode :1979ApPhL..34..652P. doi : 10.1063/1.90625 .
  6. ^ Кузьменко, А.Б.; ван Хоймен, Э.; Карбоне, Ф.; ван дер Марель, Д. (2008). «Универсальная инфракрасная проводимость графита». Преподобный Летт по физике . 100 (11): 117401. arXiv : 0712.0835 . Бибкод : 2008PhRvL.100k7401K. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.117401. PMID  18517825. S2CID  17595181.
  7. ^ Чжан, Хан; Тан, Динъюань; Книзе, Р.Дж.; 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 . Бибкод : 2010ApPhL..96k1112Z. дои : 10.1063/1.3367743. S2CID  119233725. Архивировано из оригинала (PDF) 15 ноября 2010 г.
  8. ^ З. Сан; Т. Хасан; Ф. Торриси; Д. Попа; Г. Привитера; Ф. Ван; Ф. Бонаккорсо; Д.М. Баско; ФК Феррари (2010). «Сверхбыстрый лазер с синхронизацией мод на графене». АСУ Нано . 4 (2): 803–810. arXiv : 0909.0457 . дои : 10.1021/nn901703e. PMID  20099874. S2CID  33091530.
  9. ^ Ф. Бонаккорсо; З. Сунь; Т. Хасан; ФК Феррари (2010). «Графеновая фотоника и оптоэлектроника». Природная фотоника . 4 (9): 611–622. arXiv : 1006.4854 . Бибкод : 2010NaPho...4..611B. дои :10.1038/NPHOTON.2010.186. S2CID  15426689.
  10. ^ F. Wang; AG Rozhin; V. Scardaci; Z. Sun; F. Hennrich; IH White; WI Milne; AC Ferrari (2008). "Широкополосный настраиваемый волоконный лазер с синхронизированными модами на нанотрубках" (PDF) . Nature Nanotechnology . 3 (12): 738–742. Bibcode : 2008NatNa...3..738W. doi : 10.1038/nnano.2008.312. PMID  19057594.
  11. ^ T. Hasan; Z. Sun; F. Wang; F. Bonaccorso; PH Tan; AG Rozhin; AC Ferrari (2009). «Композиты нанотрубка–полимер для сверхбыстрой фотоники». Advanced Materials . 21 (38–39): 3874–3899. doi :10.1002/adma.200901122. S2CID  36587931.
  12. ^ Чжэн и др. (2012). «Микроволновое и оптическое насыщаемое поглощение в графене». Optics Express . 20 (21): 23201–14. Bibcode : 2012OExpr..2023201Z. doi : 10.1364/OE.20.023201 . PMID  23188285..
  13. ^ «Прозрачный алюминий — это «новое состояние вещества»». sciencedaily.com. 27 июля 2009 г. Получено 29 июля 2009 г.
  14. ^ Наглер, Боб; Застрау, Ульф; Фастлин, Роланд Р.; Винко, Сэм М.; Уитчер, Томас; Нельсон, Эй Джей; Соберайский, Рышард; Крживинский, Яцек; и др. (2009). «Превращение твердого алюминия в прозрачный путем интенсивной фотоионизации мягкими рентгеновскими лучами» (PDF) . Физика природы . 5 (9): 693–696. Бибкод : 2009NatPh...5..693N. дои : 10.1038/nphys1341.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Saturable_absorption&oldid=1253210043"