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2025-09-25T13:40:55Z

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可飽和吸收是材料的一種特性，其對光的吸收會隨著光強度的增加而減少。大多數材料都表現出某種程度的可飽和吸收，但通常只在非常高的光強度（接近光學損傷閾值）下才會發生。在足夠高的入射光強度下，可飽和吸收體材料的基態被激發到高能態的速率，會快到來不及在基態耗盡前衰變回基態，從而導致吸收飽和。可飽和吸收體的關鍵參數為其波長範圍（在電磁波譜的哪個區段吸收）、動態響應（恢復速度）以及飽和強度與飽和通量（在何種強度或脈衝能量下達到飽和）。

可飽和吸收體材料在雷射腔中相當實用。例如，它們常用於被動式Q開關。

==現象學==
在飽和吸收的簡化模型中，激發的弛豫率與強度無關。
那麼，對於連續波（cw）操作，吸收率（或簡稱吸收） A 由強度 I 決定：
: (1)~~ ~~ A= \frac{\alpha}{1+I/I_0}
其中 \alpha 是線性吸收，
I_0 是飽和強度。
這些參數與介質中活性中心濃度 N 、有效截面 \sigma 以及激發的壽命 \tau 有關。

==與萊特ω函數的關係==

在最簡單的幾何結構中，當吸收光的光線平行時，強度可以用比爾-朗伯定律來描述，
: (2)~~ ~~ \frac{\mathrm{d} I}{\mathrm{d}z}=-AI
其中 z 是沿傳播方向的座標。
將(1)代入(2)得到方程式
: (3)~~ ~~ \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}z}=-\frac{\alpha~ I}{1+I/I_0}
使用無因次變量 u=I/I_0 、 t=\alpha z ，
方程式(3)可改寫為
: (4)~~ ~~ \frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}=\frac{-u}{1+u}
其解可用萊特ω函數 \omega 表示：
: (5)~~ ~~ u = \omega(-t)

==與朗伯W函數的關係==
其解也可以透過相關的朗伯W函數來表示。
令 u=V\big(-\mathrm{e}^t\big) 。則
: (6)~~ ~~ -\mathrm{e}^t V'\big(-\mathrm{e}^t\big)= - \frac{V\big(-\mathrm{e}^t\big)}{1+V\big(-\mathrm{e}^t\big)}
使用新的自變數 p=-\mathrm{e}^t ，
方程式(6)可導出方程式
: (7)~~ ~~ V'(p)=\frac{V(p)}{p\cdot (1+V(p))}
其形式解可寫為
: (8)~~ ~~ V(p)=W(p-p_0)
其中 p_0 為常數，但方程式 V(p_0)=0 可能對應到非物理的強度值（零強度），或對應到朗伯W函數的不尋常分支。

==飽和通量==
對於脈衝操作，在短脈衝的極限情況下，吸收可以透過通量來表示
: (9)~~ ~~ F=\int_{0}^t I(t) \mathrm{d}t
其中時間 t 應遠小於介質的弛豫時間；此處假設在 t<0 時強度為零。
那麼，可飽和吸收可寫為如下形式：
: (10)~~ ~~ A=\frac{\alpha}{1+F/F_0}
其中飽和通量 F_0 為常數。

在中間情況下（既非連續波操作，也非短脈衝操作），必須同時考慮光學介質中激發和弛豫的速率方程式。

飽和通量是決定增益介質中閾值的因素之一，並限制了脈衝碟片雷射中的能量儲存。

==機制與範例==
吸收飽和會導致高入射光強度下的吸收減少，它與其他導致吸收增加的機制（例如，溫度升高、色心形成等）相互競爭。
特別是，在雷射（尤其是半導體雷射）中，可飽和吸收只是產生自脈動的幾種機制之一。

單原子層厚度的碳，即石墨烯，用肉眼即可看見，因為它吸收了大約2.3%的白光，這個值是精細結構常數的π倍。石墨烯的可飽和吸收響應在從紫外光到紅外光、中紅外光甚至太赫茲頻率的範圍內，都與波長無關。在捲起的石墨烯片（即碳奈米管）中，可飽和吸收則取決於其直徑和手性。

==微波與太赫茲可飽和吸收==

可飽和吸收甚至可以發生在微波和太赫茲頻段（對應波長從30微米到300微米）。某些材料，例如石墨烯，具有非常小的能隙（數個毫電子伏特），由於其帶間吸收特性，能夠在微波和太赫茲頻段吸收光子。在一篇報告中，石墨烯的微波吸收度隨著功率增加而持續降低，並在功率大於某個閾值後達到一個恆定水平。石墨烯中的微波可飽和吸收幾乎與入射頻率無關，這表明石墨烯在石墨烯微波光子元件中可能具有重要應用，例如：微波可飽和吸收體、調變器、偏振器、微波信號處理、寬頻無線接取網路、感測器網路、雷達、衛星通訊等等。

==可飽和X射線吸收==
可飽和吸收現象也已在X射線中得到證實。在一項研究中，用軟X射線雷射輻射（波長13.5奈米）照射一薄層鋁箔。短暫的雷射脈衝在不破壞金屬晶體結構的情況下，擊出了核心的L層電子，使該金屬對相同波長的軟X射線變得透明，此狀態持續約40飛秒。

==參見==
*雙光子吸收

==參考資料==

[[分類: 待校正]]

可飽和吸收 - 修訂紀錄

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