[論文レビュー] Third order nonlinear study of ZnO nano particles under femto-second laser illumination

A. Srinivasa Rao, Gayathri Sethuraman+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2018

Nonlinear Optical Materials Studies参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、130 fsパルスを用いた532 nmのzスキャン法を用いて、フェムト秒レーザー励起下での銀ドープZnOナノ粒子の3次非線形光学的性質を調査した。2PA断面積および非線形屈折率は銀ドーピングに伴い著しく増加し、ナノ秒励起と比較して非線形屈折率が10⁴倍向上した。これは、光エレクトロニクス応用向けに強力な非線形光学的応答を示している。

ABSTRACT

ZnO nano particles are synthesized at different percentages of Ag dopant by facile precipitation method. Two photon absorption (2PA) cross-section and nonlinear refractive index of ZnO nano particles are studied with 130 femto-second laser pulses at a repletion rate of 1 kHz with central wavelength of 532 nm by z-scan technique. The 2PA cross-section of ZnO nano particles are obtained by theoretical calculations, using rate equation approach. Both absorption cross-section and nonlinear refractive index increased with increasing the Ag dopant percentage. We have observed an increase of order of 104 in the nonlinear refractive index in the presence of femto-second laser excitation with reference to nano-second laser excitation.

研究の動機と目的

• 簡便な沈殿法を用いて、さまざまなドーピング割合のAgドープZnOナノ粒子を合成すること。
• フェムト秒レーザー励起下でのZnOナノ粒子の3次非線形光学的性質を調査すること。
• フェムト秒レーザー励起とナノ秒レーザー励起の両条件下での非線形屈折率を比較すること。
• 非線形光学的応答の増大がAgドーパント濃度の上昇とどのように相関するかを特定すること。

提案手法

• 沈殿法を用いて、さまざまなAgドーピング割合のZnOナノ粒子を合成すること。
• 130 fsパルス、532 nm、1 kHz繰り返し周波数のレーザーを用いたオープンアパーチャzスキャン法により非線形光学的性質を測定すること。
• レート方程式アプローチを用いた2光子吸収（2PA）断面積の理論的計算。
• クローズドアパーチャzスキャンデータから非線形屈折率を分析すること。
• フェムト秒励起とナノ秒励起の両条件下での非線形屈折率値を比較すること。
• 非線形光学的パラメータに与えるAgドーパント濃度の影響を系統的に調査すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Agドーピング濃度の上昇は、ZnOナノ粒子における2光子吸収断面積にどのように影響するか？
• RQ2 フェムト秒レーザー励起下でのAgドープZnOナノ粒子における非線形屈折率の大きさはどの程度か？
• RQ3 フェムト秒励起下でのZnOナノ粒子の非線形屈折率は、ナノ秒励起下と比べてどのように異なるか？
• RQ4 ドープZnOにおける観察された非線形光学的応答の増大の理論的根拠は何か？
• RQ5 レート方程式モデルは、これらのナノ構造における2PA断面積をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• ZnOナノ粒子の2光子吸収（2PA）断面積は、Agドーパント濃度の上昇に伴い増加した。
• Agドーピングに伴いZnOナノ粒子の非線形屈折率は著しく増加し、ナノ秒励起と比較して10⁴倍の増幅を示した。
• 最高の非線形屈折率は、最高のAgドーピング割合で観察され、強力な非線形光学的応答を示した。
• レート方程式アプローチに基づく理論的計算は、実験的に観察された2PA断面積の傾向をうまく予測できた。
• zスキャン測定により、非線形光学的応答が強度およびドーピングに依存することが確認された。
• 本結果は、AgドープZnOナノ粒子がフェムト秒レーザー励起下で強力な3次非線形性を示すことを示しており、超高速光デバイスへの応用が有望である。