[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用130 fs脉冲、532 nm波长、1 kHz重复频率的飞秒激光激发，利用z-scan技术研究了银掺杂ZnO纳米颗粒在飞秒激光激发下的三阶非线性光学性质。随着Ag掺杂量的增加，两光子吸收截面和非线性折射率显著提升，与纳秒激光激发相比，非线性折射率提高了10⁴倍，表明其在光电子器件应用中具有强烈的非线性光学响应。

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.

研究动机与目标

• 采用简便的沉淀法合成不同掺杂比例的银掺杂ZnO纳米颗粒。
• 研究ZnO纳米颗粒在飞秒激光激发下的三阶非线性光学性质。
• 比较飞秒激光与纳秒激光激发下非线性折射率的差异。
• 将非线性光学响应的增强与Ag掺杂浓度的增加相关联。

提出的方法

• 通过沉淀法合成不同Ag掺杂比例的ZnO纳米颗粒。
• 采用130 fs脉冲、532 nm波长、1 kHz重复频率的激光，利用开孔z-scan技术测量非线性光学性质。
• 基于速率方程方法理论计算两光子吸收（2PA）截面。
• 从闭孔z-scan数据中分析非线性折射率。
• 比较飞秒激光与纳秒激光激发条件下非线性折射率的数值。
• 系统性地改变Ag掺杂浓度，研究其对非线性光学参数的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ag掺杂浓度如何影响ZnO纳米颗粒的两光子吸收截面？
• RQ2 在飞秒激光激发下，银掺杂ZnO纳米颗粒的非线性折射率大小是多少？
• RQ3 与纳秒激光激发相比，飞秒激光激发下ZnO纳米颗粒的非线性折射率有何差异？
• RQ4 掺杂ZnO中观测到的非线性光学响应增强的理论基础是什么？
• RQ5 速率方程模型在多大程度上能准确预测这些纳米结构的2PA截面？

主要发现

• 随着Ag掺杂浓度的增加，ZnO纳米颗粒的两光子吸收（2PA）截面增大。
• Ag掺杂显著提高了ZnO纳米颗粒的非线性折射率，与纳秒激光激发相比，非线性折射率提高了10⁴倍。
• 在最高Ag掺杂比例下观察到最高的非线性折射率，表明其具有强烈的非线性光学响应。
• 基于速率方程方法的理论计算成功预测了实验中观测到的2PA截面变化趋势。
• z-scan测量结果证实，非线性光学响应同时具有强度依赖性和掺杂依赖性。
• 结果表明，银掺杂ZnO纳米颗粒在飞秒激光激发下表现出强烈的三阶非线性光学特性，适用于超快光子器件。