[논문 리뷰] Third order nonlinear study of ZnO nano particles under femto-second laser illumination

A. Srinivasa Rao, Gayathri Sethuraman외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 25.

Nonlinear Optical Materials Studies참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 130 fs 펄스를 사용하는 532 nm에서의 z-scan 기법을 이용하여 펌트세컨드 레이저에 의해 자극된 Ag 도핑된 ZnO 나노입자에서의 삼차 비선형 광학적 성질을 조사한다. Ag 도핑에 따라 2PA 단면적과 비선형 굴절률이 크게 증가하였으며, 나노세컨드 자극과 비교해 비선형 굴절률이 10⁴배 향상되어 광전자 응용 분야에 매우 강한 비선형 광학적 반응을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 간편한 침전법을 이용해 다양한 도핑 비율의 Ag 도핑 ZnO 나노입자를 합성하기 위해.
• 펌트세컨드 레이저 자극 하에서 ZnO 나노입자의 제3차 비선형 광학적 성질을 조사하기 위해.
• 펌트세컨드 레이저 자극과 나노세컨드 레이저 자극 조건에서의 비선형 굴절률을 비교하기 위해.
• 비선형 광학적 반응의 향상 정도를 증가하는 Ag 도핑 농도와 연관지기 위해.

제안 방법

• 다양한 Ag 도핑 비율을 가진 ZnO 나노입자를 침전법을 통해 합성하기 위해.
• 130 fs 펄스, 532 nm 파장, 1 kHz 반복 주기의 레이저를 사용하여 개방형 아퍼처 z-scan 기법을 이용해 비선형 광학적 성질 측정하기 위해.
• 비율 방정식 접근법을 사용하여 이광자 흡수(2PA) 단면적을 이론적으로 계산하기 위해.
• 폐쇄형 아퍼처 z-scan 데이터에서 비선형 굴절률 분석하기 위해.
• 펌트세컨드 레이저 자극 조건과 나노세컨드 레이저 자극 조건에서의 비선형 굴절률 값 비교하기 위해.
• 비선형 광학적 매개변수에 대한 Ag 도핑 농도의 영향을 연구하기 위해 체계적으로 도핑 농도 변화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ag 도핑 비율이 ZnO 나노입자에서의 이광자 흡수 단면적에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 펌트세컨드 레이저 자극 하에서 Ag 도핑 ZnO 나노입자에서의 비선형 굴절률의 크기는 얼마인가?
• RQ3 펌트세컨드 자극 조건에서 ZnO 나노입자의 비선형 굴절률은 나노세컨드 자극 조건과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 비선형 광학적 반응 향상에 대한 이론적 근거는 무엇인가?
• RQ5 비율 방정식 모델이 이러한 나노구조에서 2PA 단면적을 얼마나 정확하게 예측하는가?

주요 결과

• ZnO 나노입자의 이광자 흡수(2PA) 단면적이 Ag 도핑 비율 증가에 따라 증가하였다.
• Ag 도핑에 따라 ZnO 나노입자의 비선형 굴절률이 크게 증가하였으며, 나노세컨드 자극과 비교해 10⁴배 향상되었다.
• 가장 높은 Ag 도핑 비율에서 가장 높은 비선형 굴절률이 관측되어 강한 비선형 광학적 반응을 나타내었다.
• 비율 방정식 접근법에 기반한 이론적 계산이 실험적으로 관측된 2PA 단면적 경향을 성공적으로 예측하였다.
• z-scan 측정 결과는 비선형 광학적 반응이 강도 및 도핑 농도에 모두 의존함을 확인하였다.
• 결과적으로 Ag 도핑 ZnO 나노입자는 펌트세컨드 레이저 자극 하에서 강한 제3차 비선형성을 나타내며, 초고속 광전자 장치에 적합함을 보였다.