细菌视紫红质光开关特性实验研究

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1、细菌视紫红质光开关特性实验研究第22卷第2期2001正应用光学Vo!.22.No.2 2001 文章编号:1o02—2082(2001)02—0046—04 细菌视紫红质光开关特性实验研究 田燕宁,冯晓强,陈烽,候洵. (1_西安变通大学电信学院,陕西西安710049t2.西北大学光子学与光子技术研究所,陕 西西安7100693.中国科学院西安光学精密机槭研究所,陕西西安710068) 摘要:介绍实现光子开关材料BR分子的重要性.理论上分析BR分子材料光学特性.实验观曩『BR 分子材料在400nm和632nm光照射下的

2、相互抑制作用.最后分析BR的光于开关特性. 关键词:光子开关}相互抑制;光异构化;光循环f非线性吸收特性 中围分类号{TN74-34文献标识码:A 引青 细菌视紫红质是一种重要的光敏蛋白生 物光色材料,简称BR或菌紫质,存在于嗜盐 菌的细胞膜上,具有光驱动质子泵功能.BR所 具备的光致变色,非线性光学变换,直视图显 示,高速光电响应,双稳态,开关存储等特性, 在光学信息存储与处理,快速光电探测,人工 神经网络等方面具有潜在的应用前景1. 在特定波长光照射下,处于基态的BR分 子发生一系列相应的分子结构变化,即光异构 化

3、过程,形成一定的光循环.在光循环过程中, 其中问产物的各吸收波长相对于初态发生一 定的频移.光循环如图1所示,图中标出各中问 态对应的吸收峰值和时间常数.对于光子开关 而言,是利用BR分子在570nm,412nm光作用 下,其基态B态和M态对此两束光造成的非 线性吸收特性来实现的.由于BR分子光异构 化过程非常快,达到ps量级(B态与K态之 向),且以分子作为逻辑门理论最小工作单元, 因而有望使光子开关的速度及集成度得到更 进一步的提高. fK ]20fins,w(l 圈1BR分子光循环 1理论分析口～s. 对于BR分

4、子来说,M态的寿命最长.文 中将光循环简化为两个最重要的态;基态B和 最稳中间态M之间的转换,其吸收峰波长分 别为570nm和4l2nm(B态与M态的吸收谱如 图2所示).在波长为570nm黄光的照射下,处 于基态B的BR分子吸收其光子,跃迁到一中 间态,经过热弛豫到M态,使得大部分分子处 收稿日期:2O0O一05浓度随时问的变化由下式描述; =iM+(凡)肪 一Ⅳ()6R](1) 6R和M分别是处于基态B和中间态M的BR 分子浓度,r是M态寿命时间常数,r一() 和()分别是正向和逆向光反应的速率 常数,分别由下式给

5、出: m)s等 以)_2.3.26 和¨分别是由基态到M态,M态 到B态的量子效率;E一?和是波长为 的光引起的正向和逆向反应的摩/尔消光系数. 当细菌视紫红质在这几束光同时作用下 达到稳定时,则dbR/dt一0,N—bR+M由 (1)式可得:? bR一Ⅳ(+三K一))/{{ +三[蛐()+(凡)]} (2) 由比尔一朗珀定律得 dl~,./dz一一nI(3) 其中为膜厚方向,n一一2.3026[~,R—M()bR +()肪]. 2实验 简单光路如图3所示.在实验中,是参 考读出光,由卤钨灯和干涉滤波片获得,波长 为5

6、25nm.是钛宝石激光器输出光的倍频激 光,波长是400nm..是He—Ne激光,波长为 632nm.激发BR分子使之发生光异构化,由 田3简单光路田 B态变为M态.激发BR膜分子使3实验结果与分析 下面对不同光束作用下得到的实验数据 进行分析与处理. 在对下述图的分析中,均将其按一般的光 开关分为,占和C三个区域,占区域为开关工 作区域若L是凡波长光的光强～.和L分 别是波长为凡光波照射到BR膜上的入射和出 射光强.J和J¨分别为图K(一4～7) 情况下的闭值,且在分析过程中,以Jk一 13nW为准.对应于此阚值入射

7、开关控制光亦 存在两个闭值J和,表示波长为的入 射光强.当厶<t时,输出为0,开关闭台; 47 j11&g输出为1,开关打开.以作为控制 光的输入,则可以实现光子开关转换. 2)以525nm黄绿光作为参考读出光, 63ZnmHe—Ne光作为输人信息作用于BR膜, 实验测定的数据如图5所示.该曲线为随入射 He—Ne光功率,入射参考光功率变化时的透 射光功率变化曲线图. .《,l_-L¨1w) 圈5光开关的曲线分析图 对图5所示的曲线进行开关分析;J.为 定值,取一合适的jⅫ和j,对于某一定值 存在对应的∞和02

8、.当J,<孙伍,～ <Ⅷ,输出为0,开关闭合;当k>”,则 “>,输出为1,开关打开.以作为开关 输入控制光,则可实现开关转换. 3)以525nm黄绿光作为参考读出光, 400nm紫光和632nmHe—Ne光同时作为信 息输入作用于BR膜,实验测定的数据如图6 和图7所示.它们为人射He—Ne光功率,紫光