Z-scan studies on metal nanoparticles embedded in dielectric thin film

Abstract

Noble metal nanoparticles embedded in dielectric matrices have a great potential for nonlinear optical devices due to their large nonlinear optical property in the surface plasmon absorption region. The large third-order nonlinear optical susceptibility in the metal-doped glass was known to stem from the enhancement of the local electric field near and inside the metal particles at the surface plasmon resonance. We measured the nonlinear optical coefficients of ellipsoidal silver nanoparticles in the longitudinal surface plasmon absorption region by using the Z-scan technique. The Z-scan technique is useful because it provide the magnitude of nonlinear coefficients as well as the signs. We used a femotsecond mode-locked Ti:sapphire laser system. The measurement was achieved at 800nm which contained the surface plasmon resonance absorption peak of ellipsoidal silver nanoparticles. We obtained with α2=1.73 cm/GW and α3=-0.08cm3/GW2. The α2 is originated from a surface plasmon resonance. And the α3 is originated from interband transition Nonlinear refractive index was obtained from closed data without nonlinear absorption effect. The data was fitted by calculation program then we calculated ΔTp-v value, and obtained n2=2.0x10-4cm2/GW. Also we measured nonlinearities of Au nanoparticles in TiO2 matrix at the 750nm, around surface plasmon resonance absorption bane. Au nanoparticles showed saturation nonlinear absorption, α2=-148z10-3cm/GW. The closed data was fitted with γ=-9.8x10-2cm2/GW. Therefore we obtained Re χ(3) = -1.11x10-7 esu and Im χ(3)=-2.07x10-8esu. The value are negative. This corresponds to the absolute χ(3) value of 1.13x10-7esu.;유전체 박막에 함유된 금속 나노 클러스터는 표면 플라즈몬 흡수 영역에서 큰 비선형 광학 성질을 갖고 있기 때문에 비성형 광한 소자로의 응용가능성이 매우 높다. 이러한 물질의 삼차 비선형 광학 감응률은 표면 플라즈몬 공명에서의 금속 입자 내에서와 그 주변에서의 국부 전기장의 강화로부터 기인 하는 것으로 알려져 왔다. 우리는 borosilicate 유리에 함유된 타원형의 은 나노입자의 비선형 광학계수를 장축 표면 플라즈몬 흡수 영역인 800nm에서 Z-scan 방법을 이용하여 측정했다. Z-scan 방법은 비선형 광학 성질의 측정 방법 중에서도 계수의 크기 뿐 아니라 부호도 함께 측정할 수 있다는 점과 비선형 굴절률의 계수와 비선형 흡수 계수를 함께 측정할 수 있다는 점에서 유용하다. 이때 광원은 femto초 모드-잠금 Ti:sapphire 레이저 장치를 썼다. 우리는 비선형 흡수 계수인 α2와 α3는 열림 Z-스캔 결과로부터 각각 1.73cm/GW, -0.08cm3/GW2으로 얻었다. 이때, α2는 두광자 흡수계수로 표면 플라즈몬 흡수로부터 기인한 것이다. 또한 α3는 밴드간 전이로부터 기인한 것으로 실험 조건에서의 포화 흡수를 보여준다. 비선형 굴절 계수는 열림 Z-스캔 효과가 포함되지 않으며 닫힌 Z-스캔 결과를 계산 프로그램을 이용하여 곡선맞춤으로부터 ΔTp-v 값을 계산했고, n2값은 2.0x10-4cm2/GW으로 얻어졌다. 우리는 또한 금 나노 입자가 TIO2매질에 함유되어 있는 박막의 비선형 광학성질을 750nm인 표면 플라즈몬 흡수 영역 근처에서 같은 방법으로 측정했다. 금 나노 입자의 α2 값은 포화 비선형 흡수를 나타내며 -1.48x10-3cm/GW의 값이 곡선 맞춤을 통해 얻어졌다. 닫힘 Z-스캔 결과로부터 γ는 -9.8x10-2cm/GW였다. 이 각각의 값들로부터 감차 감응률의 실수부(Rex(3))와 허수부인 (IMx(3)) 값이 각각 -1.11x10-7esu와 -2.07x10-8esu로 계산되었다. 각 값은 음의 부호를 가졌고, 이로부터 절대적인 x(3)값은 1.13x10-7esu였다.