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 solo a intensidades ópticas muy altas (cercanas al daño óptico). A 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 regrese al estado fundamental antes de que el estado fundamental se agote, provocando la absorción. saturar. Los parámetros clave de un absorbente saturable son su longitud de onda rango (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 satura).
Los materiales absorbentes saturables son útiles en cavidades láser . Por ejemplo, se utilizan comúnmente para Q-switching pasivo .
Fenomenología de la absorción saturable
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 determinado por la intensidad :
dónde 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 transversales efectivas y la vida de las excitaciones. [1]
Relación con la 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 ,
dónde es coordenada en la dirección de propagación. La sustitución de (1) en (2) da la ecuación
Con las variables adimensionales , , la ecuación (3) se puede reescribir como
La solución se puede expresar en términos de la función Omega de Wright :
Relación con la función W de Lambert
La solución también se puede expresar mediante la función W de Lambert relacionada . Dejar. Luego
Con nueva variable independiente , La ecuación (6) conduce a la ecuación
La solución formal se puede escribir
dónde es constante, pero la ecuación puede corresponder al valor no físico de intensidad (intensidad cero) oa la rama inusual de la función de Lambert W.
Fluencia de saturación
Para el funcionamiento por pulsos, en el caso límite de pulsos cortos, la absorción se puede expresar a través de la fluencia
donde el tiempo debe ser pequeño en comparación 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:
donde la fluencia de saturación es constante.
En el caso intermedio (ni cw, ni operación de pulso corto), 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 de absorción saturable
La saturación de absorción, que da como resultado una disminución de la absorción a 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 los varios mecanismos que producen autopulsación en láseres, especialmente en láseres semiconductores . [5]
Una 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 UV a IR, IR medio e incluso a frecuencias de THz. [7] [8] [9] En hojas de grafeno enrolladas ( nanotubos de carbono ), la absorción saturable depende del diámetro y la quiralidad. [10] [11]
Absorción saturable de microondas y terahercios
La absorción saturable puede tener lugar incluso en la banda de microondas y 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 mayor que 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 como: absorbente saturable de microondas, modulador, polarizador, procesamiento de señales de microondas, redes de acceso inalámbrico de banda ancha, sensor. redes, radar, comunicaciones por satélite, etc. [12] [se necesita fuente no primaria ]
Absorción saturable de rayos X
Se ha demostrado la absorción saturable de 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 de 13,5 nm). El pulso de láser corto eliminó los electrones de la capa L del núcleo 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
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