Abstract

We report on linear transmittance and reflectance as well as on third-harmonic generation in photonic crystal alloys formed by various compositions of polystyrene and poly (methyl methacrylate) colloidal spheres of the same size. These photonic crystal alloys are structurally ordered but contain refractive-index disorder and thus provide a random variation of scattering potential. The stopgap shows a monotonic shift in wavelength as a function of composition that can be fitted by assuming an effective dielectric constant for the colloidal spheres. In each alloy a dramatic enhancement of third-harmonic generation is observed, always on the short-wavelength side of the stopgap.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. P. N. Prasad, Nanophotonics (Wiley, New York, 2004).
    [CrossRef]
  4. J. Martorell, R. Vilaseca, and R. Corbalan, Appl. Phys. Lett. 70, 702 (1997).
    [CrossRef]
  5. P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
    [CrossRef]
  6. M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and D. Turner, Phys. Rev. B 53, 8340 (1996).
    [CrossRef]
  7. A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
    [CrossRef]
  8. A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
    [CrossRef]
  9. D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
    [CrossRef]
  10. P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999).
    [CrossRef]
  11. R. J. Pradhan, I. I. Tarhan, and G. H. Watson, Phys. Rev. B 54, 13721 (1996).
    [CrossRef]
  12. M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
    [CrossRef]
  13. P. N. Prasad and D. J. Williams, Introduction to Nonlinear Optical Effects in Molecules and Polymers (Wiley, New York, 1999).
  14. G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]

2004

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

2000

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

1999

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999).
[CrossRef]

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
[CrossRef]

1997

J. Martorell, R. Vilaseca, and R. Corbalan, Appl. Phys. Lett. 70, 702 (1997).
[CrossRef]

1996

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and D. Turner, Phys. Rev. B 53, 8340 (1996).
[CrossRef]

R. J. Pradhan, I. I. Tarhan, and G. H. Watson, Phys. Rev. B 54, 13721 (1996).
[CrossRef]

1995

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1990

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

1987

S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Aklonis, J. J.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Asatryan, A. A.

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

Bertone, J. F.

P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999).
[CrossRef]

Biswas, R.

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
[CrossRef]

Botten, L. C.

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

Boyd, R. W.

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Chan, C. T.

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
[CrossRef]

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and D. Turner, Phys. Rev. B 53, 8340 (1996).
[CrossRef]

Colvin, V. L.

P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999).
[CrossRef]

Corbalan, R.

J. Martorell, R. Vilaseca, and R. Corbalan, Appl. Phys. Lett. 70, 702 (1997).
[CrossRef]

de Sterke, C. M.

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

Derlich, V.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Fischer, G. L.

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Gandhi, K.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Gehr, R. J.

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Ho, K. M.

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
[CrossRef]

Hwang, K. S.

P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999).
[CrossRef]

Jenekhe, S. A.

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Jiang, P.

P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999).
[CrossRef]

John, S.

S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, G.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Kriz, D.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Lee, Y. D.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Lepeshkin, N. N.

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

Markowicz, P. P.

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

Martorell, J.

J. Martorell, R. Vilaseca, and R. Corbalan, Appl. Phys. Lett. 70, 702 (1997).
[CrossRef]

McPhedran, R. C.

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

Nicorovici, N. A.

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

Osaheni, J. A.

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Park, M.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Pradhan, R. J.

R. J. Pradhan, I. I. Tarhan, and G. H. Watson, Phys. Rev. B 54, 13721 (1996).
[CrossRef]

Prasad, P. N.

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

P. N. Prasad, Nanophotonics (Wiley, New York, 2004).
[CrossRef]

P. N. Prasad and D. J. Williams, Introduction to Nonlinear Optical Effects in Molecules and Polymers (Wiley, New York, 1999).

Pudavar, H.

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

Robinson, P. A.

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

Salovey, R.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Sigalas, M. M.

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
[CrossRef]

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and D. Turner, Phys. Rev. B 53, 8340 (1996).
[CrossRef]

Sipe, J. E.

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Soukoulis, C. M.

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
[CrossRef]

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and D. Turner, Phys. Rev. B 53, 8340 (1996).
[CrossRef]

Sun, L.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Tarhan, I. I.

R. J. Pradhan, I. I. Tarhan, and G. H. Watson, Phys. Rev. B 54, 13721 (1996).
[CrossRef]

Tiryaki, H.

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

Turner, D.

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and D. Turner, Phys. Rev. B 53, 8340 (1996).
[CrossRef]

Vilaseca, R.

J. Martorell, R. Vilaseca, and R. Corbalan, Appl. Phys. Lett. 70, 702 (1997).
[CrossRef]

Watson, G. H.

R. J. Pradhan, I. I. Tarhan, and G. H. Watson, Phys. Rev. B 54, 13721 (1996).
[CrossRef]

Weller-Brophy, L. A.

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Williams, D. J.

P. N. Prasad and D. J. Williams, Introduction to Nonlinear Optical Effects in Molecules and Polymers (Wiley, New York, 1999).

Yablonovitch, E.

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Zou, D.

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

J. Martorell, R. Vilaseca, and R. Corbalan, Appl. Phys. Lett. 70, 702 (1997).
[CrossRef]

Chem. Mater.

P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999).
[CrossRef]

J. Polym. Sci. A

D. Zou, V. Derlich, K. Gandhi, M. Park, L. Sun, D. Kriz, Y. D. Lee, G. Kim, J. J. Aklonis, and R. Salovey, J. Polym. Sci. A 28, 1909 (1990).
[CrossRef]

Phys. Rev. B

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, and D. Turner, Phys. Rev. B 53, 8340 (1996).
[CrossRef]

R. J. Pradhan, I. I. Tarhan, and G. H. Watson, Phys. Rev. B 54, 13721 (1996).
[CrossRef]

M. M. Sigalas, C. M. Soukoulis, C. T. Chan, R. Biswas, and K. M. Ho, Phys. Rev. B 59, 12767 (1999).
[CrossRef]

Phys. Rev. E

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 60, 6118 (1999).
[CrossRef]

A. A. Asatryan, P. A. Robinson, L. C. Botten, R. C. McPhedran, N. A. Nicorovici, and C. M. de Sterke, Phys. Rev. E 62, 5711 (2000).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

G. L. Fischer, R. W. Boyd, R. J. Gehr, S. A. Jenekhe, J. A. Osaheni, J. E. Sipe, and L. A. Weller-Brophy, Phys. Rev. Lett. 74, 1871 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

P. P. Markowicz, H. Tiryaki, H. Pudavar, P. N. Prasad, N. N. Lepeshkin, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 92, 083903 (2004).
[CrossRef]

S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Other

P. N. Prasad, Nanophotonics (Wiley, New York, 2004).
[CrossRef]

P. N. Prasad and D. J. Williams, Introduction to Nonlinear Optical Effects in Molecules and Polymers (Wiley, New York, 1999).

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 (4)

Fig. 1
Fig. 1

Scanning electron microscope images indicating a comparable structural order of photonic crystal alloys of PS and PMMA. The ratio of PMMA to PS was (a) 0, (b) 50, (c) 100 vol. %. The scale bar in all images is 600 nm.

Fig. 2
Fig. 2

(a) Reflection spectra of photonic crystal alloys. The PMMA/PS ratio is 100% (solid curve), 50% (dashed curve), 0% (dotted curve). (b) Transmission spectra: 100% (solid curve), 50% (dashed curve), 0% (dotted curve).

Fig. 3
Fig. 3

Position of the stopgap center as a function of PMMA concentration with respect to PS. The solid line represents the theoretical values determined by using the effective dielectric function approach. The squares are the experimental values.

Fig. 4
Fig. 4

Intensity of the generated third harmonic as a function of wavelength. The dotted curves are the linear transmission spectra of corresponding photonic crystal alloys. The values 0% and 100% correspond to pure PS and pure PMMA, respectively; 50% corresponds to 50% PS and 50% to PMMA.

Equations (1)

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

eff=f12+f22,

Metrics