Physics

Erbium-doped Zinc Oxide Films at different temperatures

Rena J. Kasumova, Sh.Sh. Amirov, G.A. Safarova, Heydarov N.N.

Physics Department, Baku State University

Z. Khalilov str. 23, AZ1148, Baku, Azerbaijan, renajkasumova@gmail.com

 

Abstract

 

Theoretical investigation of nonlinear frequency conversion in undoped and doped ZnO (Er as dopant) films in the constant-intensity approximation with account for phase effects have been carried out. This approach lets estimation of the influence of temperature on the nonlinear optical properties of films using third harmonic generation method. It is shown that the erbium doping increase from 0 to 5%, the third harmonic intensity will also be increased by two orders of magnitude.

Keywords: zinc oxide; dopant; erbium; temperature, third harmonic generation method; constant-intensity approximation.

 

С целью исследования нелинейно оптических параметров материалов используются метод ГВГ [1-2] и ГТГ [3-7], нелинейная интерферометрия [8], вырожденное четырехволновое взаимодействие [9], Z- сканирующий метод [10] и другие. Преимущество метода ГТГ заключается в возможности изучения чисто когерентной электронной нелинейности. На сегодняшний день влияние Al, Cu, Sn, Vn в роли примесей на структуру тонкой пленки ZnO достаточно подробно экспериментально изучено.

В настоящей работе докладываются результаты исследования в приближении заданной интенсивности [11] эффективности частотного преобразования в третью гармонику в чистом оксиде цинка и в ZnO с примесью эрбия (ZnO:Er) при различных температурах термической обработки.

Аналитический анализ был проведен для условий эксперимента, поставленного авторами [6, 7]. В качестве источника излучения ими был использован Nd:YAG лазер в режиме модулированной добротности, обеспечивающий пикосекундные импульсы с интенсивностью 2 ГВт/см2 на длине волны 1.064 мкм. Исследования были проведены при трех разных температурах термической обработки 4000C, 4500C и 5000C для чистого оксида цинка и для ZnO с примесью эрбия в 5%.

На рис. 1 и 2 соответственно представлены результаты расчета в приближении заданной интенсивности эффективности процесса частотного преобразования в гармонику с учетом изменения фаз взаимодействующих волн для чистого оксида цинка и ZnO с 5% примесью эрбия (ZnO:Er).

Рис.1. Зависимости интенсивности третьей гармоники от угла поворота q образца ZnO, рассчитанные в приближении заданной интенсивности, при длине волны и интенсивности основного излучения соответственно 1.064 мкм и 2 ГВт/см2, для толщин ZnO: 270 нм (кривая 1), 210 нм (кривая 2), 220 нм (кривая 3) и температур термической обработки 4009С (кривая 1), 5009С (кривая 2), 4509С (кривая 3).

Рис.2. Зависимости интенсивности третьей гармоники от угла поворота q образца ZnO:Er, рассчитанные в приближении заданной интенсивности, при длине волны и интенсивности основного излучения 1.064 мкм и 2 ГВт/см2, соответственно, для толщин ZnO:Er(5%): 230 нм (кривая 1), 200 нм (кривая 2), 220 нм (кривая 3) и температур термической обработки 4009С (кривая 1), 5009С (кривая 2), 4509С (кривая 3).

 

Как видно из поведения кривых наблюдается немонотонный характер зависимостей с максимумом эффективности преобразования в третью гармонику при температуре термической обработки в 4500C. Данный факт, полученный ранее экспериментально авторами [7], объясняется качеством зернистой структуры образцов. В случае примеси при температурах термической обработки 4000C и 5000C зависимости имеют более пологий характер, нежели при температуре 4500C (сравнить кривые 1, 2 и 3 Рис. 2).

Исследование нелинейного частотного преобразования в случае генерации третьей гармоники показало, что добавление к оксиду цинка примеси эрбия приводит к увеличению эффективности преобразования в ZnO:Er по сравнению с чистым оксидом цинка. Это противоречит случаю с примесями меди и серебра, когда добавление примесей Ag и Cu к оксиду цинка уменьшает эффективность преобразования [1]. Рост интенсивности третьей гармоники связан с увеличением нелинейно оптического отклика в ZnO:Er, так как добавление эрбия к оксиду цинка приводит к росту на порядок кубичной восприимчивости  [5-6].

Из сравнения кривых 3 Рис. 1 и 2, полученных в приближении заданной интенсивности, видно, что по сравнению с чистым оксидом цинка добавление 5% эрбия приводит к росту интенсивности третьей гармоники в 161.83 раза. Дальнейший анализ показал, что изменение концентрации примеси, а также толщин исследуемых образцов сказывается на эффективности процесса частотного преобразования.

Таким образом, в результате анализа процесса преобразования излучения на фундаментальной частоте в третью гармонику, во-первых, наибольший эффект достигается при оптимальном значении температуры термической обработки, а именно при 4500С, во-вторых, добавлением примеси эрбия удается на два порядка повысить интенсивность гармоники. Метод позволяет оценить влияние и других параметров на эффективное протекание нелинейного преобразования.

 

1.      B. Kulyk, B. Sahraoui, V. Figa, B. Turko, V. Rudyk, and V. Kapustianyk, Influence of Ag, Cu dopants on the second and third harmonic response of ZnO films, Journal of Alloys and Compounds. 481 (2009) 819–825.

2.      M.C. Larciprete, D. Haertle, A. Belardini, M. Bertolotti, F. Sarto, and P.Güunter, Characterization of second and third order optical nonlinearities of ZnO sputtered films, Appl. Phys. B 82 (2006) 431–437.

3.      X.H. Wang, D.P. West, N.B. McKeon, T.A. King, Determining the cubic susceptibility of films by the Maker fringe method: a representative study of spin-coated films of copper phthalocyanine derivation. J. Opt. Soc. Am. B 15 (1998) 1895-1903.

4.      V. Figa, J. Luc, B. Kulyk, M. Baitoul, B. Sahraoui, Characterization and investigation of NLO properties o some selected electrodeposited polythiophenes, Journal of the European Optical Society-Rapid Publication 4 (2009) 090161-6.

5.      Z. Sofiani, B. Shahraoui, M. Addou, R. Adhiri, M.A. Lamrani, L. Dghoughi, N. Fellahi, B. Derkowska, W. Bala, Third harmonic generation in undoped and X doped ZnO films (X: Ce, F, Er, Al, Sn0 deposited by spray pyrolysis, J. of Applied Physics, 101 (2007) 063104-1-5.

6.      M.A. Lamrani, M. Addou, Z. Sofiani, B. Shahraoui, J. Ebothe, A. El Hichou, N. Fellahi, J.C. Bernede, R. Dounia, Cathodoluminescent and nonlinear optical properties od undoped and erbium doped nanostructured ZnO films deposited by spray pyrolysis, Optics Comminications, 277 (2007) 196-201.

7.      M.A. Lamrani, M. El Jouad, M. Addou, T. El Habbani, N. Fellahi, K. Bahedi, M. Ebn Touhami, Z. Essaidi, Z. Sofiani, B. Shahraoui, A. Meghea, I. Rau, Influence of roughness surfaces on third-order nonlinear-optical properties of erbium-doped zinc oxide thin films, Spectroscopy Letters, 41 (2008) 292-298.

8.      M.J. Moran, C.Y. She, R.L. Carman, Interferometric measurements of the nonlinear refractive-index coefficient relative to CS2in laser-system-related materials, IEEE J. Quant. Electron. 11 (1975) 259-263.

9.      H.B. Liao, R.F. Xiao, J.S. Fu, H. Wang, K.S. Wong, G.K. Wong, Origin of third-order optical nonlinearity in Au: SiO2 composite films on femtosecond and picosecond time scales, Opt. Lett. 23 (1998) 388-390.

10.  M. Sheik-Bahae, A.A. Said, T.H. Wei, D.J. Hagan, E.W. Van Stryland, Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam, IEEE J. Quantum Electron. 26 (1990) 760- 769.

11.  Z.H.Tagiev, and A.S.Chirkin, Fixed intensity approximation in the theory of nonlinear waves, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 73 (1977) 1271-1282 [Sov. Phys. JETP, 46, (1977) 669-680]; Z.H. Tagiev, R.J. Kasumova, R.A. Salmanova, and N.V. Kerimova, Constant-intensity approximation in a non-linear wave theory, J. Opt. B: Quantum Semiclas. Opt.3 (2001) 84-87.