Absorción saturable

Efecto óptico no lineal

La absorción saturable es una propiedad de los materiales donde la absorción de luz disminuye al aumentar la intensidad de la luz . La mayoría de los materiales muestran cierta absorción saturable, pero a menudo sólo a intensidades ópticas muy altas (cercanas al daño óptico). Con una intensidad de luz incidente suficientemente alta, el estado fundamental de un material absorbente saturable se excita a un estado de energía superior a una velocidad tal que no hay tiempo suficiente para que vuelva a decaer al estado fundamental antes de que el estado fundamental se agote, provocando la absorción. para saturar. Los parámetros clave para un absorbente saturable son su rango de longitud de onda (en qué parte del espectro electromagnético absorbe), su respuesta dinámica (qué tan rápido se recupera) y su intensidad de saturación y fluencia (a qué intensidad o energía de pulso se satura).

Los materiales absorbentes saturables son útiles en las cavidades láser . Por ejemplo, se utilizan comúnmente para conmutación Q pasiva .

Fenomenología

Dentro del modelo simple de absorción saturada, la tasa de relajación de las excitaciones no depende de la intensidad. Luego, para la operación de onda continua (cw), la tasa de absorción (o simplemente absorción) está determinada por la intensidad : ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle I}$

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

donde es la absorción lineal y es la intensidad de saturación. Estos parámetros están relacionados con la concentración de los centros activos en el medio, las secciones efectivas y la vida útil de las excitaciones. ^[1] ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle I_{0}}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \tau }$

Relación con la función omega de Wright

Función omega de Wright

En la geometría más simple, cuando los rayos de la luz absorbente son paralelos, la intensidad se puede describir con la ley de Beer-Lambert ,

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

donde es la coordenada en la dirección de propagación. La sustitución de (1) en (2) da la ecuación ${\displaystyle z}$

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

Con las variables adimensionales , la ecuación (3) se puede reescribir como ${\displaystyle u=I/I_{0}}$ ${\displaystyle t=\alpha z}$

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

La solución se puede expresar en términos de la función omega de Wright : ${\displaystyle \omega }$

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

Relación con la función Lambert W

La solución también se puede expresar mediante la función relacionada de Lambert W. Dejar . Entonces ${\displaystyle u=V{\big (}-\mathrm {e} ^{t}{\big )}}$

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

Con la nueva variable independiente , la ecuación (6) conduce a la ecuación ${\displaystyle p=-\mathrm {e} ^{t}}$

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

La solución formal se puede escribir

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

donde es constante, pero la ecuación puede corresponder al valor no físico de intensidad (intensidad cero) o a la rama inusual de la función W de Lambert. ${\displaystyle p_{0}}$ ${\displaystyle V(p_{0})=0}$

fluencia de saturación

Para funcionamiento pulsado, en el caso límite de pulsos cortos, la absorción se puede expresar a través de la fluencia

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

donde el tiempo debería ser pequeño comparado con el tiempo de relajación del medio; se supone que la intensidad es cero en . Entonces, la absorción saturable se puede escribir de la siguiente manera: ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle t<0}$

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

donde la fluencia de saturación es constante. ${\displaystyle F_{0}}$

En el caso intermedio (ni operación en corriente continua ni en pulsos cortos), las ecuaciones de velocidad para excitación y relajación en el medio óptico deben considerarse juntas.

La fluencia de saturación es uno de los factores que determina el umbral en los medios de ganancia y limita el almacenamiento de energía en un láser de disco pulsado . ^[2]

Mecanismos y ejemplos

La saturación de absorción, que da como resultado una disminución de la absorción con una alta intensidad de luz incidente, compite con otros mecanismos (por ejemplo, aumento de temperatura, formación de centros de color , etc.), que dan como resultado una mayor absorción. ^{[3] [4]} En particular, la absorción saturable es sólo uno de varios mecanismos que producen la autopulsación en los láseres, especialmente en los láseres semiconductores . ^[5]

La capa de carbono de un átomo de espesor, el grafeno , se puede ver a simple vista porque absorbe aproximadamente el 2,3% de la luz blanca, que es π veces la constante de estructura fina . ^[6] La respuesta de absorción saturable del grafeno es independiente de la longitud de onda de las frecuencias UV a IR, IR media e incluso THz. ^{[7] [8] [9]} En láminas de grafeno enrolladas ( nanotubos de carbono ), la absorción saturable depende del diámetro y la quiralidad. ^{[10] [11]}

Absorción saturable en microondas y terahercios.

La absorción saturable puede tener lugar incluso en la banda de microondas y de terahercios (correspondiente a una longitud de onda de 30 µm a 300 µm). Algunos materiales, por ejemplo el grafeno , con una banda prohibida de energía muy débil (varios meV), podrían absorber fotones en la banda de microondas y terahercios debido a su absorción entre bandas. En un informe, la absorbancia de microondas del grafeno siempre disminuye al aumentar la potencia y alcanza un nivel constante para una potencia superior a un valor umbral. La absorción saturable de microondas en el grafeno es casi independiente de la frecuencia incidente, lo que demuestra que el grafeno puede tener aplicaciones importantes en dispositivos fotónicos de microondas de grafeno tales como: absorbente saturable de microondas, modulador, polarizador, procesamiento de señales de microondas, redes de acceso inalámbrico de banda ancha, sensores. redes, radares, comunicaciones por satélite, etc. ^{[12] [ se necesita fuente no primaria ]}

Absorción de rayos X saturable

Se ha demostrado una absorción saturable para los rayos X. En un estudio, se irradió una delgada  lámina de aluminio de 50 nanómetros (2,0 × 10 ^{−6 pulgadas) con radiación} láser de rayos X suave ( longitud de onda 13,5 nm). El corto pulso láser eliminó los electrones del núcleo de la capa L sin romper la estructura cristalina del metal, haciéndolo transparente a los rayos X suaves de la misma longitud de onda durante aproximadamente 40 femtosegundos . ^{[13] [14] [ se necesita fuente no primaria ]}

Ver también

• Absorción de dos fotones

Referencias

1. Colin S, Contesse E, Boudec PL, Stephan G, Sánchez F (1996). "Evidencia de un efecto de absorción saturable en fibras fuertemente dopadas con erbio". Letras de Óptica . 21 (24): 1987–1989. Código Bib : 1996OptL...21.1987C. doi :10.1364/OL.21.001987. PMID  19881868.
2. D. Kouznetsov. (2008). "Almacenamiento de energía en materiales láser en forma de disco". Cartas de investigación en física . 2008 : 1–5. Código Bib : 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 (eds.). "Medidas de fotooscurecimiento en fibras de área modal grande". Actas de SPIE . Láseres de fibra IV: tecnología, sistemas y aplicaciones. 6553 (5): 783–9. Código Bib : 2007SPIE.6453E..1EK. doi :10.1117/12.712545. S2CID  27204182.
4. L. Dong; JL Archambault; L. Reekie; P. St. J. Russell; DN Payne (1995). "Cambio de absorción fotoinducida en preformas de germanosilicato: evidencia del modelo de fotosensibilidad del centro de color". Óptica Aplicada . 34 (18): 3436–40. Código Bib : 1995ApOpt..34.3436D. doi :10.1364/AO.34.003436. PMID  21052157.
5. Thomas L. Paoli (1979). "Efectos de absorción saturable en el láser de unión autopulsante (AlGa) As". Aplica. Física. Lett . 34 (10): 652. Código bibliográfico : 1979ApPhL..34..652P. doi : 10.1063/1.90625 .
6. Kuzmenko, AB; van Heumen, E.; Carbone, F.; van der Marel, D. (2008). "Conductancia infrarroja universal del grafito". Médico Rev Lett . 100 (11): 117401. arXiv : 0712.0835 . Código Bib : 2008PhRvL.100k7401K. doi :10.1103/PhysRevLett.100.117401. PMID  18517825. S2CID  17595181.
7. Zhang, Han; Tang, Dingyuan; Knize, RJ; Zhao, Luming; Bao, Qiaoliang; Loh, Kian Ping (2010). "Láser de fibra de solitón disipativo, sintonizable en longitud de onda y bloqueado en modo grafeno" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 96 (11): 111112. arXiv : 1003.0154 . Código Bib : 2010ApPhL..96k1112Z. doi : 10.1063/1.3367743. S2CID  119233725. Archivado desde el original (PDF) el 15 de noviembre de 2010.
8. Z. Sol; T. Hasan; F. Torrisi; D. Popá; G. Privitera; F. Wang; F. Bonaccorso; DM Basko; AC Ferrari (2010). "Láser ultrarrápido bloqueado en modo grafeno". ACS Nano . 4 (2): 803–810. arXiv : 0909.0457 . doi :10.1021/nn901703e. PMID  20099874. S2CID  33091530.
9. F. Bonaccorso; Z. Sol; T. Hasan; AC Ferrari (2010). "Fotónica y optoelectrónica del grafeno". Fotónica de la naturaleza . 4 (9): 611–622. arXiv : 1006.4854 . Código Bib : 2010NaPho...4..611B. doi :10.1038/NPHOTON.2010.186. S2CID  15426689.
10. F. Wang; AG Rozhin; V. Scardaci; Z. Sol; F. Hennrich; blanco IH; WI Milne; AC Ferrari (2008). "Láser de fibra con bloqueo de modo de nanotubos, sintonizable de banda ancha" (PDF) . Nanotecnología de la naturaleza . 3 (12): 738–742. Código bibliográfico : 2008NatNa...3..738W. doi :10.1038/nnano.2008.312. PMID  19057594.
11. T. Hasán; Z. Sol; F. Wang; F. Bonaccorso; PH Bronceado; AG Rozhin; AC Ferrari (2009). "Compuestos de nanotubos y polímeros para fotónica ultrarrápida". Materiales avanzados . 21 (38–39): 3874–3899. doi :10.1002/adma.200901122. S2CID  36587931.
12. Zheng; et al. (2012). "Microondas y absorción óptica saturable en grafeno". Óptica Express . 20 (21): 23201–14. Código Bib : 2012OExpr..2023201Z. doi : 10.1364/OE.20.023201 . PMID  23188285..
13. "El aluminio transparente es el nuevo estado de la materia'". sciencedaily.com. 27 de julio de 2009 . Consultado el 29 de julio de 2009 .
14. Nagler, Bob; Zastrau, Ulf; Fustlin, Roland R.; Vinko, Sam M.; Whitcher, Thomas; Nelson, AJ; Sobierajski, Ryszard; Krzywinski, Jacek; et al. (2009). "Convertir aluminio sólido en transparente mediante una intensa fotoionización suave de rayos X" (PDF) . Física de la Naturaleza . 5 (9): 693–696. Código bibliográfico : 2009NatPh...5..693N. doi : 10.1038/nphys1341.