Abstract

The third-order nonlinear optical response of Au nanocrystals embedded in BaTiO3 and ZrO2 matrices was investigated through the off-resonance femtosecond optical Kerr effect. Compared with pristine films, the nonlinearity of composite films shows an enhancement that depends on the sizes of Au particles and the refractive index of the matrices. We performed a calculation based on Lorenz–Mie scattering theory to explain the experimental results. Additionally, the nonlinearity was optimized by determination of the values of the particle size and the refractive index of the matrix.

© 2002 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. H. B. Liao, R. F. Xiao, J. S. Fu, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. L. Wong, Opt. Lett. 23, 388 (1998).
    [CrossRef]
  2. D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
    [CrossRef]
  3. J. M. Ballesteros, J. Solis, R. Serna, and C. N. Afonso, Appl. Phys. Lett. 74, 2791 (1999).
    [CrossRef]
  4. Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
    [CrossRef]
  5. T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
    [CrossRef]
  6. H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
    [CrossRef]
  7. L. Yang, K. Becker, F. M. Smith, R. H. Magruder, R. F. Haglund, L. Yang, R. Dorsinville, R. R. Alfano, and R. A. Zuhr, J. Opt. Soc. Am. B 11, 457 (1994).
    [CrossRef]
  8. V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
    [CrossRef]
  9. L. P. Cheng, N. Herron, and Y. Wang, J. Appl. Phys. 66, 3417 (1989).
    [CrossRef]
  10. Y. Wang, J. Phys. Chem. 95, 1119 (1991).
  11. J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
    [CrossRef]
  12. W. M. Huang and J. L. Shi, J. Sol-Gel Sci. Technol. 20, 145 (2001).
  13. B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
    [CrossRef]
  14. G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
    [CrossRef]
  15. B. J. Messinger, K. U. von Raben, R. K. Chang, and P. W. Barber, Phys. Rev. B 24, 649 (1981).
    [CrossRef]
  16. H. Raether, Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, Vol. 111 of Springer Tracts in Modern Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1988).

2001 (2)

W. M. Huang and J. L. Shi, J. Sol-Gel Sci. Technol. 20, 145 (2001).

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

1999 (3)

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

J. M. Ballesteros, J. Solis, R. Serna, and C. N. Afonso, Appl. Phys. Lett. 74, 2791 (1999).
[CrossRef]

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

1998 (5)

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
[CrossRef]

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

H. B. Liao, R. F. Xiao, J. S. Fu, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. L. Wong, Opt. Lett. 23, 388 (1998).
[CrossRef]

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

1997 (1)

J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
[CrossRef]

1994 (1)

1991 (1)

Y. Wang, J. Phys. Chem. 95, 1119 (1991).

1989 (1)

L. P. Cheng, N. Herron, and Y. Wang, J. Appl. Phys. 66, 3417 (1989).
[CrossRef]

1981 (1)

B. J. Messinger, K. U. von Raben, R. K. Chang, and P. W. Barber, Phys. Rev. B 24, 649 (1981).
[CrossRef]

Afonso, C. N.

J. M. Ballesteros, J. Solis, R. Serna, and C. N. Afonso, Appl. Phys. Lett. 74, 2791 (1999).
[CrossRef]

Alfano, R. R.

Ballesteros, J. M.

J. M. Ballesteros, J. Solis, R. Serna, and C. N. Afonso, Appl. Phys. Lett. 74, 2791 (1999).
[CrossRef]

Barber, D. J.

J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
[CrossRef]

Barber, P. W.

B. J. Messinger, K. U. von Raben, R. K. Chang, and P. W. Barber, Phys. Rev. B 24, 649 (1981).
[CrossRef]

Becker, K.

Bigot, J. Y.

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

Borsaella, E.

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

Broyer, M.

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Chang, R. K.

B. J. Messinger, K. U. von Raben, R. K. Chang, and P. W. Barber, Phys. Rev. B 24, 649 (1981).
[CrossRef]

Cheng, L. P.

L. P. Cheng, N. Herron, and Y. Wang, J. Appl. Phys. 66, 3417 (1989).
[CrossRef]

Cottancin, E.

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Di Trapani, P.

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

Dorsinville, R.

Faccio, D.

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

Fatti, N. D.

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

Feldmann, J.

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

Flytzanis, C.

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

Fu, J. S.

Gonella, F.

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

Grosse, S.

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

Gui, Z. L.

J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
[CrossRef]

Guo, L.

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Haglund, R. F.

Halte, V.

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

Hamanaka, Y.

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

Herron, N.

L. P. Cheng, N. Herron, and Y. Wang, J. Appl. Phys. 66, 3417 (1989).
[CrossRef]

Huang, W. M.

W. M. Huang and J. L. Shi, J. Sol-Gel Sci. Technol. 20, 145 (2001).

Huang, Y.

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Klar, T.

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

Lermé, J.

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Li, L. R.

J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
[CrossRef]

Liao, H. B.

H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
[CrossRef]

H. B. Liao, R. F. Xiao, J. S. Fu, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. L. Wong, Opt. Lett. 23, 388 (1998).
[CrossRef]

Liu, Y.

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Ma, G.

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Magruder, R. H.

Malvezzi, A. M.

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

Mazzoldi, P.

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

Messinger, B. J.

B. J. Messinger, K. U. von Raben, R. K. Chang, and P. W. Barber, Phys. Rev. B 24, 649 (1981).
[CrossRef]

Mi, J.

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Nakamura, A.

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

Omi, S.

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

Palpant, B.

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Pang, D.

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Pellarin, M.

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Perez, A.

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Perner, M.

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

Prevel, B.

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

Prével, B.

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Qian, S.

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Raether, H.

H. Raether, Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, Vol. 111 of Springer Tracts in Modern Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1988).

Serna, R.

J. M. Ballesteros, J. Solis, R. Serna, and C. N. Afonso, Appl. Phys. Lett. 74, 2791 (1999).
[CrossRef]

Shi, J. L.

W. M. Huang and J. L. Shi, J. Sol-Gel Sci. Technol. 20, 145 (2001).

Smith, F. M.

Solis, J.

J. M. Ballesteros, J. Solis, R. Serna, and C. N. Afonso, Appl. Phys. Lett. 74, 2791 (1999).
[CrossRef]

Spirkl, W.

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

Treilleux, M.

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

Vallee, F.

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

Vialle, J. L.

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

von Plessen, G.

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

von Raben, K. U.

B. J. Messinger, K. U. von Raben, R. K. Chang, and P. W. Barber, Phys. Rev. B 24, 649 (1981).
[CrossRef]

Wang, H.

H. B. Liao, R. F. Xiao, J. S. Fu, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. L. Wong, Opt. Lett. 23, 388 (1998).
[CrossRef]

H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
[CrossRef]

Wang, Y.

Y. Wang, J. Phys. Chem. 95, 1119 (1991).

L. P. Cheng, N. Herron, and Y. Wang, J. Appl. Phys. 66, 3417 (1989).
[CrossRef]

Wong, G. K.

H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
[CrossRef]

Wong, G. K. L.

Wong, K. S.

H. B. Liao, R. F. Xiao, J. S. Fu, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. L. Wong, Opt. Lett. 23, 388 (1998).
[CrossRef]

H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
[CrossRef]

Xiao, R. F.

H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
[CrossRef]

H. B. Liao, R. F. Xiao, J. S. Fu, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. L. Wong, Opt. Lett. 23, 388 (1998).
[CrossRef]

Yang, L.

Zhang, X. W.

J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
[CrossRef]

Zhou, J.

J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
[CrossRef]

Zuhr, R. A.

Appl. Phys. Lett. (4)

V. Halte, J. Y. Bigot, B. Palpant, M. Broyer, B. Prevel, and A. Perez, Appl. Phys. Lett. 75, 3799 (1999).
[CrossRef]

J. M. Ballesteros, J. Solis, R. Serna, and C. N. Afonso, Appl. Phys. Lett. 74, 2791 (1999).
[CrossRef]

Y. Hamanaka, A. Nakamura, S. Omi, N. D. Fatti, F. Vallee, and C. Flytzanis, Appl. Phys. Lett. 75, 1712 (1999).
[CrossRef]

H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. Wong, Appl. Phys. Lett. 72, 1817 (1998).
[CrossRef]

Europhys. Lett. (1)

D. Faccio, P. Di Trapani, E. Borsaella, F. Gonella, P. Mazzoldi, and A. M. Malvezzi, Europhys. Lett. 43, 213 (1998).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

L. P. Cheng, N. Herron, and Y. Wang, J. Appl. Phys. 66, 3417 (1989).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B (1)

J. Phys. Chem. (1)

Y. Wang, J. Phys. Chem. 95, 1119 (1991).

J. Sol-Gel Sci. Technol. (1)

W. M. Huang and J. L. Shi, J. Sol-Gel Sci. Technol. 20, 145 (2001).

Nanostruct. Mater. (1)

J. Zhou, L. R. Li, Z. L. Gui, X. W. Zhang, and D. J. Barber, Nanostruct. Mater. 8, 321 (1997).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. B (2)

B. Palpant, B. Prével, J. Lermé, E. Cottancin, M. Pellarin, M. Treilleux, A. Perez, J. L. Vialle, and M. Broyer, Phys. Rev. B 57, 1963 (1998).
[CrossRef]

B. J. Messinger, K. U. von Raben, R. K. Chang, and P. W. Barber, Phys. Rev. B 24, 649 (1981).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (1)

T. Klar, M. Perner, S. Grosse, G. von Plessen, W. Spirkl, and J. Feldmann, Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998).
[CrossRef]

Solid State Commun. (1)

G. Ma, L. Guo, J. Mi, Y. Liu, S. Qian, D. Pang, and Y. Huang, Solid State Commun. 18, 633 (2001).
[CrossRef]

Other (1)

H. Raether, Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, Vol. 111 of Springer Tracts in Modern Physics (Springer-Verlag, Berlin, 1988).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Absorption spectra of Au:BaTiO3 composite films with Au nanoparticles of diameter d=12,18.5,31,43 nm. The dependence of the SPR wavelength on particle diameter is plotted in the inset.

Fig. 2
Fig. 2

Dependence of third-order nonlinear optical susceptibility χ3 on Au nanoparticle diameter d in Au:BaTiO3 films, assuming that d=0 for pure BaTiO3 film. The value of χ3 for Au:ZrO2 with dAu=1.5 nm is also plotted. The OKE responses of composite film (with dAu=31 nm) and pure BaTiO3 film are shown in the inset.

Fig. 3
Fig. 3

Calculated effective χ3, χeffective3, plotted as a function of Au nanoparticle diameter at resonant (600-nm) and off-resonance (800-nm) excitation. Curve (a) is the d dependence of χeffective3 for Au:BaTiO3 film at 600-nm excitation; curves (b), (c), and (d) are the d dependence of χeffective3 for Au:BaTiO3, Au:ZrO2, and Au:SiO2 films with 800-nm excitation, respectively. For comparison, curves (a) and (d) are multiplied by factors of 1/15 and 2, respectively. The arrows indicate the Au nanoparticle diameters corresponding to those in Fig. 2.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

χeffective32=shellχ3E32dVE032shelldV,

Metrics