Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Characterization of colloidal nanoparticle suspensions using the third harmonic generation at interfaces

1,2Multian V. V., 2Le Dantec R. and 1Gayvoronsky V. Ya.

1Institute of Physics of NASU, 46 Nauky Avenue, 03028 Kyiv, Ukraine
2Université Savoie Mont Blanc, SYMME, F-74000 Annecy, France 
 

Download this article

Abstract. We report the studies of third harmonic generation efficiency using an interface-scanning technique for colloidal suspensions of harmonic ZnO nanoparticles under nanosecond-range pulsed laser excitation at 1064 nm. The harmonic nanoparticles represent a new type of biomarkers for multiphoton imaging, which generate efficiently second-, third- and higher-order optical harmonics. Using the reference data for fused silica, the characteristic orientation-averaged nondegenerate cubic nonlinear optical susceptibility  ~ 10–10 esu is obtained for the ZnO nanoparticles with the mean sizes 40–150 nm. The third harmonic generation efficiency increases with increasing nanoparticle size and achieves the reference data known for the bulk ZnO crystals. The technique suggested by us can be applied in nondestructive express diagnostics of nanoparticles, when characterizing their nonlinear optical properties, studying the effect of their size and shape, and further improving their harmonic generation efficiency. 

Keywords: harmonic nanoparticles, multiphoton imaging, optical harmonic generation

PACS: 42.65.Ky
UDC: 535.3, 535-1, 535-3
Ukr. J. Phys. Opt. 19 92-98
doi: 10.3116/16091833/19/2/92/2018
Received: 06.03.2018

Анотація. Досліджено ефективність генерації третьої гармоніки за допомогою методики сканування поверхонь розділу для колоїдних суспензій гармонічних наночастинок ZnO при збудженні наносекундними лазерними імпульсами на довжині хвилі 1064 нм. Гармонічні наночастинки представляють собою новий тип біомаркерів для технології багатофотонних зображень, які з високою ефективністю генерують оптичні гармоніки другого, третього і більш високих порядків. Використовуючи еталонні дані для плавленого кварцу, для наночастинок ZnO з середніми розмірами 40–150 нм одержано усереднену за орієнтацією характеристичну невироджену кубічну нелінійно-оптичну сприйнятність  ~ 10–10 од. СГСЕ. Ефективність генерації третьої гармоніки зростає зі збільшенням розмірів наночастинок і досягає еталонних даних, відомих для кристалів обємного ZnO. Запропоновану нами методику можна застосувати у неруйнівній експрес-діагностиці наночастинок для характеризування їхніх нелінійно-оптичних властивостей, вивчення впливу на них розмірів і форми наночастинок, а також подальшого підвищення їхньої ефективності генерації гармонік.
 
REFERENCES
  1. Bonacina L, 2013. Nonlinear nanomedicine: harmonic nanoparticles toward targeted diagnosis and therapy. Mol. Pharm. 10: 783–792. doi:10.1021/mp300523e
  2. Boyd R W. Nonlinear optics. Academic Press (2003).
  3. Lippitz M, van Dijk M A and Orrit M, 2005. Third-harmonic generation from single gold nanoparticles. Nano Lett. 5: 799–802. doi:10.1021/nl0502571
  4. Schwartz O and Oron D, 2009. Background-free third harmonic imaging of gold nanorods. Nano Lett. 9: 4093–4097. doi:10.1021/nl902305w
  5. Butet J, Duboisset J, Bachelier G, Russier-Antoine I, Benichou E, Jonin C and Brevet P-F, 2010. Optical second harmonic generation of single metallic nanoparticles embedded in a homogeneous medium. Nano Lett. 10: 1717–1721. doi:10.1021/nl1000949
  6. Butet J, Brevet P-F and Martin O J F, 2015. Optical second harmonic generation in plasmonic nanostructures: from fundamental principles to advanced applications. ACS Nano. 9: 10545–10562. doi:10.1021/acsnano.5b04373
  7. Locharoenrat K and Damrongsak P, 2015. Plasmonic properties of gold-palladium core–shell nanorods. Ukr. J. Phys. Opt. 16: 120–126. doi:10.3116/16091833/16/3/120/2015
  8. Dai J, Yuan M-H, Zeng J-H, Dai Q-F, Lan S, Xiao C and Tie S-L, 2014. Controllable color display induced by excitation-intensity-dependent competition between second and third harmonic generation in ZnO nanorods. Appl. Opt. 53: 189–194. doi:10.1364/AO.53.000189
  9. Extermann J, Bonacina L, Cuna E, Kasparian C, Mugnier Y, Feurer T and Wolf J-P, 2009. Nanodoublers as deep imaging markers for multi-photon microscopy. Opt. Express. 17: 15342–15349. doi:10.1364/OE.17.015342
  10. Riporto J, Demierre A, Schmidt C, Campargue G, Kilin V, Urbain M, Dantec R L, Wolf J-P, Mugnier Y and Bonacina L, 2017. Dielectric nanoparticles as efficient RGB sources by second, third, and fourth harmonic generation excited at telecom wavelengths. ArXiv170708451 Phys.
  11. Schmidt C, Riporto J, Uldry A, Rogov A, Mugnier Y, Dantec R L, Wolf J-P and Bonacina L, 2016. Multi-order investigation of the nonlinear susceptibility tensors of individual nanoparticles. Sci. Rep. 6: 25415. doi:10.1038/srep25415
  12. Clay G O, Millard A C, Schaffer C B, Aus-der-Au J, Tsai P S, Squier J A and Kleinfeld D, 2006. Spectroscopy of third-harmonic generation: evidence for resonances in model compounds and ligated hemoglobin. J. Opt. Soc. Amer. B. 23: 932–950. doi:10.1364/JOSAB.23.000932
  13. Barad Y, Eisenberg H, Horowitz M and Silberberg Y, 1997. Nonlinear scanning laser microscopy by third harmonic generation. Appl. Phys. Lett. 70: 922–924. doi:10.1063/1.118442
  14. Barbano E C, Harrington K, Zilio S C and Misoguti L, 2016. Third-harmonic generation at the interfaces of a cuvette filled with selected organic solvents. Appl. Opt. 55: 595–602. doi:10.1364/AO.55.000595
  15. Multian V V, Uklein A V, Zaderko A N, Kozhanov V O, Lisnyak V V, Gayvoronsky V Ya, Boldyrieva O Y and Linnik R P, 2017. Synthesis, characterization, luminescent and nonlinear optical responses of nanosized ZnO. Nanoscale Res. Lett. 12: 164. doi:10.1186/s11671-017-1934-y
  16. Bosshard C, Gubler U, Kaatz P, Mazerant W and Meier U, 2000. Non-phase-matched optical third-harmonic generation in noncentrosymmetric media: cascaded second-order contributions for the calibration of third-order nonlinearities. Phys. Rev. B. 61: 10688–10701. doi:10.1103/PhysRevB.61.10688
  17. Hui P M, Cheung P and Stroud D, 1998. Theory of third harmonic generation in random composites of nonlinear dielectrics. J. Appl. Phys. 84: 3451–3458. doi:10.1063/1.368519
  18. Débarre D and Beaurepaire E, 2007. Quantitative characterization of biological liquids for third-Harmonic generation microscopy. Biophys. J. 92: 603–612. doi:10.1529/biophysj.106.094946
  19. Pillai R S, Brakenhoff G J and Müller M, 2006. Analysis of the influence of spherical aberration from focusing through a dielectric slab in quantitative nonlinear optical susceptibility measurements using third-harmonic generation. Opt. Express. 14: 260–269. doi:10.1364/OPEX.14.000260
  20. Zappettini A, Amore F D, Pietralunga S M, Terio A and Martinelli M, 2004. Wavelength dependence of the third order non-linear coefficient in hydrothermally grown ZnO crystals. Phys. stat. sol. (c) Conf. 1: 997–1000. doi:10.1002/pssc.200304274
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics