基于细菌视紫红质薄膜的空间光调制器实验研究.doc

基于细菌视紫红质薄膜的空间光调制器实验研究 第52卷第3期2003年3月 1000.329012003152(03)10761.06 物理学报 ACTAPHYSICASINICA Vo1.52,No.3,March,2003 @2003Chin.Phys.Soc. 基于细菌视紫红质薄膜的空间光调制器实验研究* 杨文正’杨青’陈烽’’冯晓强’侯洵’’ (中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学技术国家重点实验室,西安710068) (西安交通大学电子科学与技术系,西安710049) (2002年4月6日收到;2002年5月23日收到修改稿) 阐述了利用细菌视紫红质薄膜(BR薄膜)优良的非线性光学特性作为光寻址的空间光调制器的实验研究.BR 有两个重要的光敏中间态(B态和M态),其吸收带(B态吸收峰为570nm,M态吸收峰为412rim)重叠区域较少,利用 其正向(B—M)和逆向(M—B)光反应之间转化关系和B态与M态的差异吸收实现了相干光学图像到非相干光学 图像的转换实验.采用经基因改性的细菌视紫红质薄膜(BR)材料,使用670nm相干光作为写入光,530nm非相干 光作为读出光,得到了分辨率约为200lines/mm,对比度约为2.1:l的实验结果. 关键词:光寻址空间光调制器,细菌视紫红质薄膜(BR薄膜),非线性光学特性,相干光与非相干 光图像相互转换 PACC:8000,8170G 1.引言 在目前多媒体信息化的社会里,信息量正在与 日剧增,如何有效而快速地处理和存储庞大的信息 量,解决日益拥挤的存储空间,已成为当前紧迫的问 题.光学信息处理具有大容量,高速度,信息带宽,可 多通道并行或交叉传播等特点.对光子所携带的相 关信息进行处理离不开数据控制,其有效的数据控 制一般可通过空间光调制器(spatiallightmodulator, 简称SLM)实现. SLM可以实现多种不同的功能,如变换器功能, 放大功能,算术运算功能,记忆功能,线性和非线性 变换特性,阈值操作功能,光学限幅功能等.因此可 用作调制器,开关,放大器,相干光与非相干光转换 器,存贮器或运算器等方面,所以SLM是光信息处 理和光计算系统的基本功能器件之一,SLM最为突 出的是其并行处理能力,作为并行的光学处理器,可 以完成数字光学处理和图像处理的许多任务,在实 时的图形识别,白光和彩色图像处理中起关键作用. 按照SLM携带的信息信号是电的或光的区别, 可将SLM分成两种主要类型:电寻址的SLM(EA. SLM)和光寻址的SLM(OA.SLM).EA.SLM的优势在 于电子系统与光学系统间的接口能力,但其分辨率 一 般不高,信息量也不够大,响应速度慢,光能利用 率不高.OA.SLM的最大优点在于并行寻址方式,把 写入图像成像或投影到OA.SLM上瞬间完成,具有 高度并行的特点.表1列出几种典型SLM的性 能]. 表1SLM的性能 国家”九五”攀登计划预选项目(批准号:95.预.20),国家自然科学基金(批准号及中国科学院知识创新方向性项目资助的 课题. 762物理学报 表1对比可看出目前常用的几种SIM在分辨 率,响应时间,对比度,感光灵敏度,以及可循环使用 次数等方面的优势和不足之处,其原因主要是受到 材料特性的限制.由于光探测效应的响应速度往往 不快,因此研制高响应速度,高空间分辨率,大容量, 低成本的OA—SIM具有重要现实意义. 2.细菌视紫红质材料特性 目前人们发现嗜盐菌的细胞膜上有一种光敏蛋 白质分子——细菌视紫红质(bacteriorhodopsin,简称 BR),它由248个氨基酸和一个生色团——视黄醛 组成.BR分子结构存在两种形式,二者之间可以互 换.一种形式是含全反(al1.trans)视黄醛的异构体 (BR～);另一种则是含13.顺(13.cis)视黄醛的异构 体(BR.).BR～与BR.二者都具有光活性,当光照 时,BR.顺异构体经过一定的光反应,可以有效地全 部转换为BR～异构体,形成只含BR.的光适应型 BR,吸收峰为570nm.BR分子吸收光子后,伴随BR 分子构型的迅速变化和质子转移过程,会经历一系 列中间态K,L,M,N,O等,并且形成一系列中间产 物.它们都有不同的吸收光谱,寿命及独特的热稳定 性,并且部分中间态在其对应的吸收峰波长的光激 励下能可逆地通过光化学反应直接返回到BR基 态,形成一个光循环过程,其光循环过程如图1所 示.生物分子通常被认为是非常脆弱且化学不稳定, 然而BR分子却是一个例外,即使在140c【=高温失水 状态,以及pH值很低的环境下仍具有光活性和生 物活性,而且它的使用光谱范围宽(400m70Onm),具 有高的空间分辨率(～50001ines/mm),高感光灵敏度 (30--