Поглощение света что это?

Что такое поглощение света, процессы, оптические свойства

Поглощение света - это процесс, при котором энергия света преобразуется в другую форму энергии. Посредством различных процессов свет может поглощаться в различных средах. Это означает, что оптическая энергия преобразуется в какую-либо другую форму энергии (иногда обратно в оптическую энергию). В большинстве случаев энергия в конечном итоге преобразуется в тепловую энергию.

Термин поглощение используется не только для процессов поглощения, но и часто для связанных величин. Например, вместо коээфициента поглощения - логарифмическая мера для распределенного поглощения в среде. Достаточно сильное поглощение может сделать объект непрозрачным или, по крайней мере, ввести некоторый уровень непрозрачности.

Процессы поглощения

Общее различие заключается в внутреннем и внешнем поглощении. Внешнее поглощение возникает из–за вещей, которых в принципе можно было бы избежать. Например, из-за примесей и структурных дефектов, которые могут отсутствовать в чистом высококачественном материале. Внутреннее поглощение является результатом основных свойств чистого материала.

Процессы внутреннего поглощения

В собственном линейном поглощении света могут быть задействованы следующие физические процессы:

• В изоляционном материале (диэлектрике) или полупроводнике, имеющих определенную энергию запрещенной зоны, сильное линейное поглощение света происходит, когда энергия фотонов света превышает энергию запрещенной зоны (что часто возможно только в ультрафиолетовой области спектра). Каждое поглощение фотона вызывает возбуждение одного электрического носителя через запрещенную зону, так что получается один дополнительный носитель в зоне проводимости и одна дырка в валентной зоне. Энергия электронного возбуждения впоследствии может быть преобразована в тепло (т.е. в несколько фотонов) или частично в флуоресцентный свет, часто в течение наносекунд или даже быстрее.
• Массивное линейное поглощение в ионных кристаллах и в стеклах возможно на длинных (инфракрасный) длинах волн благодаря связи с оптическими фононами. При несколько более коротких длинах волн обычно получается значительное многофононное поглощение. Например, в плавленом кремнеземе это происходит для длин волн за пределами инфракрасного края поглощения примерно на 2 мкм.
• Иная ситуация наблюдается в металлах, где зона проводимости заполнена не полностью. Из-за сильного отражения поглощение света может происходить только в тонком поверхностном слое, который, тем не менее, может быть значительным в определенных областях длин волн. Поглощающие свойства также могут зависеть от шероховатости поверхности и иногда намеренно изменяются путем наноструктурирования.

Существует также много случаев, когда материал содержит некоторое количество поглощающей примеси, в то время как сам материал-носитель проявляет лишь незначительное поглощение. Это относится к твердотельным (легированным изоляторам) средам усиления.

Внешние процессы поглощения

Различные типы процессов, которых в принципе можно было бы избежать, приводят к внешнему поглощению, например, в оптических стеклах, в нелинейных кристаллических материалах и в лазерных кристаллах:

• Могут быть ионные примеси, которые вносят поглощение, основанное на электронных переходах. Обычно это либо редкоземельные материалы, либо материалы с переходными металлами. В зависимости от типа элементов (Cr, Cu или Fe), их зарядового состояния и химического окружения (лигандов) их спектры поглощения могут быть совершенно разными. Линии поглощения в видимом спектральном диапазоне приводят к появлению цвета, если поглощение достаточно сильное.
• Аналогичным образом, полупроводниковые нанокристаллы могут приводить к поглощению, в этом случае связанному с межзонными переходами для энергий фотонов выше энергии запрещенной зоны. Такие полупроводниковые нанокристаллы часто образуются только при вторичной термообработке, детали которой могут существенно влиять на характеристики поглощения.
• Металлические наночастицы, помимо рассеяния, также вызывают поглощение.
• Различные типы дефектов решетки также могут вносить поглощение.

Примеси также могут изменять свойства внутреннего поглощения – например, сдвигать энергию запрещенной зоны и соответствующую границу поглощения при образовании полупроводникового соединения.

Линейное и нелинейное поглощение

Линейное поглощение означает, что коэффициент поглощения не зависит от оптической интенсивности. Существуют также нелинейные процессы поглощения, где коэффициент поглощения является линейной функцией интенсивности или более высокого порядка. Например, двухфотонное поглощение - это процесс, при котором два фотона поглощаются одновременно, а коэффициент поглощения линейно возрастает с интенсивностью. Процессы многофотонного поглощения более высокого порядка часто участвуют в лазерно-индуцированных повреждениях, вызванных интенсивными лазерными импульсами.

Насыщаемое поглощение также можно рассматривать как разновидность нелинейного поглощения. Здесь, однако, коэффициент поглощения снижается под воздействием интенсивного света, например, из-за истощения начального электронного уровня для поглощения света.

Влияние на поглощающую среду и ее оптические свойства

Поскольку свет несет энергию, поглощение света связано с отложением энергии в поглощающей среде. В большинстве случаев эта энергия в основном преобразуется в тепло, хотя иногда значительное количество полученной энергии излучается в виде флуоресценции. При сверхкоротких световых импульсах выделение энергии может привести к сильно неравновесным состояниям и, следовательно, не только к простому нагреву.

Процессы поглощения света, например, в твердых материалах, обычно возникают в результате взаимодействия электромагнитной волны с электронами, возбуждая их до уровней возбужденной энергии. После этого требуется некоторое время (время термализации электронной решетки) для передачи этой энергии атомным ядрам, т. е. энергии колебаний. Обычно это происходит в течение пары пикосекунд, а затем требуется гораздо больше времени, чтобы распределить это тепло по некоторому объему среды. 

Это означает, что термализация, не говоря уже о теплопроводности, может занять гораздо больше времени, чем длительность импульса фемтосекундного лазера. Это имеет важные последствия для лазерной обработки металлов с помощью сверхбыстрых лазеров, где задействованные процессы нельзя понимать как простой нагрев материала. Вместо этого мы имеем дело с сильно неравновесными состояниями вещества, которые могут привести к быстрому нанесению материала, в то время как находящийся совсем рядом другой материал, на который непосредственно не попадает лазерное излучение, даже существенно не нагревается. Возникающее в результате возбуждение может сильно увеличить поглощение света.

Кроме того, измененная популяция электронных состояний может существенно изменять поглощение на длине волны поглощаемого света, а также на других длинах волн. Выше уже упоминалось, что поглощение может быть насыщенным. В других случаях поглощение света сильно увеличивается из-за изменений состояния вещества, вызванных светом. 

Это часто используется при лазерной обработке материалов, где начальное поглощение, например, металлом слабое, но сильно увеличивается, когда материал сильно возбужден (аномальное поглощение). В различных материалах можно получить поглощение в возбужденном состоянии на длинах волн, на которых материал обычно не поглощает. В полупроводниках при высоких интенсивностях происходит поглощение свободных носителей. Неоднородный нагрев за счет поглощения света приводит к механическому напряжению.

Если поглощение света вызывает нагрев поглощающей среды, это впоследствии приведет к тепловому расширению. Нагрев часто сильно неоднороден; например, он может происходить внутри сфокусированного лазерного луча. Локальное тепловое расширение затем приводит к механическому напряжению в среде, которое может даже привести к разрушению, когда осажденная тепловая мощность или энергия достаточно высоки. Кроме того, температура вызывает небольшую локальную модификацию показателя преломления, которая (вместе с эффектами, связанными со стрессом) может вызывать эффекты теплового линзирования.

Поглощение света также может иметь электрические эффекты. Например, существуют фоторезисторы, в которых электрическое сопротивление уменьшается за счет поглощенного света. В фотодиодах и фототранзисторах используется внутренний фотоэлектрический эффект, связанный с возбуждением электрических носителей за счет поглощения света. В некоторых случаях поглощение света приводит к охлаждению, а не к нагреву.

В некоторых особых случаях почти весь поглощенный свет вызывает флуоресценцию, а не тепло, и может быть даже эффект чистого охлаждения. Может даже случиться так, что на некоторых (обычно более длинных) длинах волн можно получить лазерное усиление для достаточно сильного возбуждения среды, обычно с инверсией неселенности. Затем среда может генерировать лазерное излучение, которое может удалять значительную часть осажденной энергии.

Если свет поглощается атомами или молекулами газа, световые силы, связанные с поглощением, могут стать актуальными. Их можно использовать, например, для доплеровского охлаждения.

Физические свойства поглощения

Поглощение в полупрозрачной среде обычно определяется количественно с помощью коэффициента поглощения, указывающего, какая доля оптической мощности теряется на единицу длины. Величина, обратная коэффициенту поглощения, называется длиной поглощения. Поглощение материала заданной длины (например, пластины определенной толщины) может быть количественно определено с помощью коэффициента поглощения.

Если поглощение вызвано какой-либо поглощающей примесью, вклад в поглощение на атом или ион примеси часто количественно определяется с помощью поперечного сечения поглощения. Поскольку коэффициенты поглощения зависят от длины волны, часто получают спектры поглощения, показывающие коэффициент поглощения как функцию длины волны или оптической частоты.

Непрозрачным объектам можно приписать поглощающую способность, которая представляет собой долю падающего света, которая поглощается, а не передается, отражается или рассеивается.

Коэффициент поглощения

Поглощение света на единицу длины в среде часто количественно определяется с помощью коэффициента поглощения α, также называемого коэффициентом ослабления. Для короткой длины распространения коэффициент составляет приблизительно 1 −  αz. Для более длинных длин распространения коэффициент пропускания равен exp(− αz). (Предполагалось, что другие процессы, приводящие к рассеянию или отражению света, не происходят.) Внимание: коэффициенты поглощения для амплитуд поля в два раза меньше!

Обратите внимание, что иногда коэффициенты поглощения используются для амплитуд поля вместо оптических мощностей или интенсивностей. Они в два раза меньше, чем соответствующие коэффициенты поглощения интенсивности, поскольку интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды поля.

В некоторых случаях используется декадный коэффициент поглощения, который меньше в 10 раз, так что поглощение - это просто коэффициент, умноженный на длину оптического пути.

Обратите внимание, что экспоненциальное уменьшение интенсивности света может быть результатом не только поглощения, но и отражения, что наблюдается, например, для металлов. Тогда коэффициент экспоненциального затухания не следует называть коэффициентом поглощения.

Если поглощение вызвано поглощением атомов или ионов (например, ионов легирующей примеси в каком−либо прозрачном стекле или кристаллическом материале), коэффициент поглощения представляет собой произведение плотности легирования (в единицах м^-3) и поперечного сечения поглощения (в единицах ^м2) на соответствующей оптической длине волны.

Длина поглощения

Когда свет поглощается в однородной среде с определенным коэффициентом поглощения α, оптическая интенсивность экспоненциально уменьшается пропорционально exp (− αz), где z - расстояние распространения. (Предполагается, что на интенсивность не влияет расходимость или сходимость луча.) Длина поглощения определяется как величина, обратная коэффициенту поглощения. После этой длины распространения интенсивность уменьшается до 1 / e (≈37%) от ее первоначального значения. После четырех длин поглощения остается только ≈1,8% от начальной интенсивности.

Среда усиления лазера с оптической накачкой часто изготавливается с длиной, которая составляет примерно от 2 до 3 длин поглощения на длине волны накачки, так что поглощение накачки является достаточно эффективным.

Термин глубина проникновения часто используется в том же значении, что и длина поглощения, но его следует рассматривать как более общий термин, поскольку ограниченное проникновение в материал может быть результатом не только поглощения света, но и отражения. Это типичная ситуация, например, для металлов, где быстрое снижение интенсивности происходит в основном из-за отражения.

Генерация квантового шума посредством поглощения

Даже простые линейные процессы поглощения вносят некоторое количество квантового шума. Это можно интуитивно понять, если учесть, что часть падающего фотона случайным образом удаляется, в то время как другие фотоны остаются в световом луче. Таким образом, изначально совершенно регулярный поток фотонов будет преобразован в случайный поток фотонов, проявляющий некоторый шум интенсивности.

Если падающий свет находится в когерентном состоянии, демонстрируя стандартный уровень шума выстрела, дополнительного шума, добавляемого за счет линейного поглощения, достаточно, чтобы поддерживать остаточный свет на уровне шума выстрела (который относительно сильнее для более слабого света). Нелинейные процессы поглощения могут изменять свойства квантового шума более сложными способами.