Насыщаемое поглощение
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
правитьВ рамках простой модели насыщенного поглощения скорость релаксации возбуждения не зависит от интенсивности. Следовательно, при непрерывной работе 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. [1]
Связь с омега-функцией Райта
правитьВ 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
правитьРешение 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
правитьДля 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[2].
Механизмы и примеры насыщаемого поглощения
правитьНасыщение 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 производят самопульсацию в лазерах, особенно в полупроводниковых лазерах . [5]
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.[6] Отклик графена на насыщаемое поглощение не зависит от длины волны от УФ до ИК, среднего ИК и даже до ТГц-частот.[7][8][9] В свернутых графеновых листах (углеродные нанотрубки ) насыщаемое поглощение зависит от диаметра и хиральности.[10][11]
Микроволновое и терагерцовое насыщаемое поглощение
правитьНасыщаемое 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 поглошение 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. [12]
Насыщаемое поглощение рентгеновских лучей
правитьНасыщаемое 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.[13][14]
См. также
правитьПримечания
править- ↑ Evidence of a saturable-absorption effect in heavily erbium-doped fibers (англ.) // Optics Letters : journal. — 1996. — Vol. 21, no. 24. — P. 1987—1989. — doi:10.1364/OL.21.001987. — . — PMID 19881868.
- ↑ D.Kouznetsov. Storage of energy in disk-shaped laser materials (англ.) // Research Letters in Physics[англ.] : journal. — 2008. — Vol. 2008. — P. 1—5. — doi:10.1155/2008/717414. — .
- ↑ Photodarkening measurements in large mode area fibers (англ.) // Proceedings of SPIE : journal. — 2007. — Vol. 6553, no. 5. — P. 783—789. — doi:10.1117/12.712545. — .
- ↑ L. Dong. Photoinduced absorption change in germanosilicate preforms: evidence for the color-center model of photosensitivity (англ.) // Applied Optics : journal. — 1995. — Vol. 34, no. 18. — P. 3436—3440. — doi:10.1364/AO.34.003436. — . — PMID 21052157.
- ↑ Thomas L. Paoli. Saturable absorption effects in the self-pulsing (AlGa)As junction laser (англ.) // Appl. Phys. Lett. : journal. — 1979. — Vol. 34, no. 10. — doi:10.1063/1.90625. — .
- ↑ Kuzmenko, A. B. Universal infrared conductance of graphite (англ.) // Phys Rev Lett : journal. — 2008. — Vol. 100, no. 11. — P. 117401. — doi:10.1103/PhysRevLett.100.117401. — . — arXiv:0712.0835. — PMID 18517825.
- ↑ Zhang, Han. Graphene mode locked, wavelength-tunable, dissipative soliton fiber laser (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 2010. — Vol. 96, no. 11. — doi:10.1063/1.3367743. — . — arXiv:1003.0154. Архивировано 15 ноября 2010 года.
- ↑ Z. Sun. Graphene Mode-Locked Ultrafast Laser (англ.) // ACS Nano[англ.] : journal. — 2010. — Vol. 4, no. 2. — P. 803—810. — doi:10.1021/nn901703e. — arXiv:0909.0457. — PMID 20099874.
- ↑ F. Bonaccorso. Graphene photonics and optoelectronics (англ.) // Nature Photonics : journal. — 2010. — Vol. 4, no. 9. — P. 611—622. — doi:10.1038/NPHOTON.2010.186. — . — arXiv:1006.4854.
- ↑ F. Wang. Wideband-tuneable, nanotube mode-locked, fibre laser (англ.) // Nature Nanotechnology : journal. — 2008. — Vol. 3, no. 12. — P. 738—742. — doi:10.1038/nnano.2008.312. — . Архивировано 7 марта 2021 года.
- ↑ T. Hasan. Nanotube–Polymer Composites for Ultrafast Photonics (англ.) // Advanced Materials[англ.] : journal. — 2009. — Vol. 21, no. 38—39. — P. 3874—3899. — doi:10.1002/adma.200901122.
- ↑ Zheng. Microwave and optical saturable absorption in graphene (англ.) // Optics Express[англ.] : journal. — 2012. — Vol. 20, no. 21. — P. 23201—23214. — doi:10.1364/OE.20.023201. — . — PMID 23188285..
- ↑ Transparent Aluminum Is 'New State Of Matter' . sciencedaily.com (27 июля 2009). Дата обращения: 29 июля 2009. Архивировано 28 июля 2009 года.
- ↑ Nagler, Bob. Turning solid aluminium transparent by intense soft X-ray photoionization (англ.) // Nature Physics : journal. — 2009. — Vol. 5, no. 9. — P. 693—696. — doi:10.1038/nphys1341. — . Архивировано 22 сентября 2017 года.
На эту статью не ссылаются другие статьи Википедии. |