基于细菌视紫红质薄膜的空间光调制器实验研究

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412nm）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（BRD96N）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200 lines/mm，对比度约为2.1∶1的 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     

细菌视紫红质膜快速光开关的实验研究

建立了“脉冲激光－连续探测光－连续擦除光”的实验系统。在532nm的调Q脉冲激发光和不同波长的连续探测光作用下，研究了细菌视紫红质（BR）膜的光循环过程中的快速响应特性及各中间态的快速光吸收特性。观察到了微秒量级的快速光开关现象，并分析了激发光脉冲作用结束时，各中间态上细菌视紫红质分子的分布。     

BR—D96N光存储读出特性的实验研究

细菌视紫红质（bacteriorhodopsin，简称BR）是嗜盐菌细胞膜内的一种光敏蛋白质。BR薄膜材料具有优异的光循环特性和光致变色特性，可作为信息存储材料。本文讨论了BR所记录图像的对比度与读出光波长变化之间的关系。实验中利用YAG激光器二倍频532nm激光作为图像记录光，白光光源通过单色仪选出单色光作为图像读出光，观察BR膜所记录图像对比度随读出光波长变化趋势，并利用图像灰度积分的方法得到记录图像对比度变化曲线。读出光在470nm-620nm波长范围内，读出为正像；460nm波长附近，图像消失；380nm-450nm波长范围内，图像出现反转。     

BRD96N光调制吸收增强现象的实验研究

通过光谱响应特性实验和记录／读出图像实验，研究了基因变异型细菌视紫红质（BR_D96N）分子膜对单色光的光调制特性.发现BR_D96N分子膜在550nm—600nm范围内对调制光有吸收增强的现象，且对此范围内不同波长的单色光其调制程度有差异.利用曲线拟和方法发现550nm—600nm吸收增强的变化过程分为快过程和慢过程，其对应的时间常数分别为30s和5min.利用强度调制器的吸收强度与图像灰度之间的关系，分析了560nm—600nm范围内出现图像反转的实验现象. 关键词： 细菌视紫红质D96N分子膜 光谱响应 吸收增强现象 图像反转现象     

基于细菌视紫红质光子逻辑门的实验研究

研究了基于细菌视紫红质(简称BR或菌紫质)变种材料D96N的3种光逻辑操作.在633nm激发光照射下，菌紫质分子会被激发到M态，处于M态的菌紫质对412nm的紫光呈较大吸收，会抑制同时入射的紫光.选择合适的紫光强度，通过CCD观测被抑制的412nm检测光透射强度分布，模拟了“非”、“或非”、“与非”几种基本的光子逻辑操作. 关键词： 细菌视紫红质 光子逻辑门 互补抑制     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

基于菌紫质的光开关原型器件研究

本文分析和讨论了细菌视紫红质的饱和吸收特性及互补抑制特性,在此基础上进行了细菌视紫红质光开关的实验研究。研究证明了被激发到M态的细菌视紫红质分子对紫光有较大的吸收,而处于基态的分子则对黄光有较大吸收。随着入射黄光强度的增加,菌紫质对黄光的吸收呈饱和吸收特必,时菌紫质对紫光呈较大吸收,而较强的紫光照射将会使此饱和吸收阈值增加,使得菌紫质对黄光的吸收又增大,从而黄光和紫光表现出互补透射特性。利用紫光和黄光控制菌紫质分子在M态和基态上的分布,我们实现了对不同的波长光和选通或者关闭,即光开关模型。     

细菌视紫红质膜非线性吸收特性及其光子学应用

对细菌视紫红质膜在两束非同频光照射下的非线性吸收特性进行了详细的理论分析,并讨论了细菌视紫红质膜非线性吸收特性有光子学方面的一些新应用。     

锶玻色子的“魔术”波长光晶格装载实验研究

光晶格中性原子光钟的不确定度已达到10^-18量级. 本文介绍了碱土金属锶原子玻色子⁸⁸Sr在“魔术”波长处的一维光晶格装载, 实现冷锶原子的囚禁并使锶原子的钟跃迁能级(5s²) ¹S₀-(5s5p) ³P₀在此波长处的交流斯塔克光频移一致. 实验中半导体激光器产生“魔术”光波长(813 nm), 通过实验搭建光学驻波场并获得晶格激光聚焦光束, 束腰半径为38 μm. 经过一级冷却和二级冷却后温度约为2 μK的冷锶原子被此“魔术”波长光晶格囚禁. 通过实验测量得到锶原子玻色子⁸⁸Sr光晶格寿命为270 ms, 数目约为1.2×10⁵, 温度在3.5 μK左右, 此外研究了晶格光功率对晶格囚禁原子数目及温度的影响作用. 原子的光晶格装载为后续的钟跃迁提供了长的探测时间, 为进一步的光钟闭环提供了实验基础.     

对蓝宝石衬底上射频溅射的PbTiO3薄膜的光学特性研究

使用射频溅射和组合靶在蓝宝石 (α Al2 O3)基底上制备出了结构较好的PbTiO3 薄膜 ,提出了一种利用透射光谱来简单有效地分析弱吸收薄膜的光学特性及与光学相关的其它物理特性的方法。得出了该薄膜在 40 0nm～2 40 0nm区域内的折射率、消光系数等参量与波长的变化关系和与之相符合的柯西 (Cauchy)色散公式 ,并通过外推的方法估算出了薄膜的光学能量带隙为 3.6 5eV。     

菌紫质薄膜光致折射率变化的理论计算和实验测量

基因改性细菌视紫红质BR-D96N由于M态寿命的延长而具有显著的光致变色特性.根据Kramers-Kronig变换关系,样品吸收光谱的变化会引起样品折射率的变化.本文首先从实验上测量了BR-D96N薄膜样品在光激发前后的吸收光谱,然后根据Kramers-Kronig变换关系,理论计算了对应此光致变色光谱变化的光致折射率变化光谱.实验上为了直接测量样品的光致折射率变化,采用Michelson干涉方法测量BR-D96N薄膜在不同探测波长下的光致折射率变化量,并与理论计算曲线进行了比较.     

细菌视紫红质膜的光吸收非线性特性研究

对细菌视紫红质（ＢＲ）膜的光学吸收非性进行了研究,分别测量了细菌视紫红质光照前后的光吸收谱,结果显示它的吸收发生了明显的变化。用Ｚ扫描法研究了它的光学非线性,理论计算的结果表明它具有较大的光学非线性系数,且测量它的透过率随光强变化的关系曲线和理论模拟发现它对６３２．８ｎｍ波和匠光具有饱和吸收特性。     

细菌视紫红质用于光子逻辑门的研究

本文对基于细菌视紫红质变种材料D96N的三种基本光逻辑操作进行了研究.随着入射黄光强度的增加,菌紫质对黄光的吸收呈饱和吸收特性,此时紫光的照射将会使此饱和吸收阈值增加.在黄光和紫光对样品的共同作用下,透射光强度会被调制,调制的程度取决于这两束光的相对强度以及被调制光波长.通过观测被调制的525nm检测光强度,我们模拟了几种基本的光子逻辑运算:“非”、“或”和“与”运算.     

菌紫质光致变色吸收特性的二能级理论研究

采用二能级模型(B态和M态)简化菌紫质(bR)光循环过程,建立了菌紫质光致变色吸收特性的数学方程,数值计算了bR膜对570nm单光束和对570nm与412nm双光束的吸收特性.计算表明,bR膜的光吸收特性与入射光波长、入射光强、摩尔消光系数、光密度和M态寿命有很大的关系.bR膜用于光存储时,读出光强和M态寿命是影响bR读出使用时间的两个重要因素.570nm与412nm双光束作用于bR膜时,可以实现以光控光操作,但由于570nm黄光的透过动态范围要比412nm紫光的透过动态范围大得多,因而在实际应用中应以黄光作为信息光,紫光作为控制光.基于bR膜对黄、紫光束的吸收特性,可以将其应用于亮背景滤除、反象器、图象相减、光寻址空间光调制器等光信息处理领域.     

Photochromic kinetic spectra and intermediates of BR-D96N

BR-D96N is a kind of genetically site-specific mutant of bacteriorhodopsin (BR) with obvious photochromic effect. Compared to the wild type BR, the lifetime of M state of BR-D96N is prolonged to several minutes so that the photochromic kinetics and the intermediates formation can be studied by the conventional spectra analysis. In the experiment, the absorption spectra of the sample at different time after light illumination are measured with spectrophotometer. By fitting and analyzing the variation of the spectra, we suppose there are three main states in the photochromic process, i.e. B state (light-adapted state), M state and D state (dark-adapted state). The absorption spectra of the B state, M state and D state are extracted from the experimental data based on this three-state model and the spectra at various time are fitted with the least square method. So, the variations of population percentages of the M state, B state and D state are obtained and the M state and B state lifetimes are estimated. In another way, from measuring the absorption dynamics at 407 nm and 568 nm, the M state and B state lifetimes are also obtained by two exponential data fitting, which give coincident results with those of the spectra analysis.     

Measurements of photoinduced refractive index changes in bacteriorhodopsin films

We report the pump-probe measurements of nonlinear refractive index changes in photochromic bacteriorhodopsin films. The photoinduced absorption is caused by pump beam at 532 nm and the accompanying refractive index changes are studied using a probe beam at 633 nm. The proposed technique is based on a convenient and accurate determination of optical path difference using digital interferometry-based local fringe shift. The results are presented for the wild-type as well as genetically modified D96N variant of the bacteriorhodopsin.      

Spiro－Oxaziue染料掺杂高分子材料光致变色效应的研究

报道Ｓｐｉｒｏ－Ｏｘａｚｉｕｅ染料掺杂高分子（ＳＯ／ＰＶＡ）膜具有很强的可逆光致变色效应，通过对这种高分子膜吸收光谱的测试，证实ＳＯ分子具有二个特征吸收带，一个在３６０ｎｍ，另一个在５９５ｎｍ，分别对应于二个分子异构体ＳＯ１和ＳＯ２，有关这种ＳＯ／ＰＶＡ光致变色过程的研究给出了ＳＯ１对紫外光和ＳＯ２对可见光（波长在５１５ｎｍ）的吸收系数分别为１．２ｃｍ２／Ｊ和６×１０－２ｃｍ２／Ｊ，ＳＯ２的寿命为３８ｓ。最后本文给出了采用这种ＳＯ／ＰＶＡ膜实现紫外－可见光图像转换和空间光调制操作的实验演示结果     

Light-induced changes in the absorption spectrum of bacteriorhodopsin under two-wavelength excitation

The results of spectrophotometric measurements of nonlinear light-induced changes in the absorption spectrum of bacteriorhodopsin D96N occurring upon simultaneous excitation at the wavelengths 633 and 441 nm in the excitation intensity range typical for recording of dynamic holograms are presented. The quantitative conditions under which the action of the radiation at one wavelength reduces the change in the optical density caused by the radiation at the other wavelength are determined.     

基于匹配算法的脉冲差分吸收CO2激光雷达的稳频研究

利用差分吸收激光雷达探测大气CO₂, 可以获得其浓度的垂直分布, 对于研究碳源、碳汇的过程有重要意义. 设计了一套种子注入的脉冲差频激光器系统, 作为差分吸收激光雷达的激光光源. 针对脉冲差分吸收CO₂激光雷达on波长的高精度稳频的研究空白, 本文提出一种基于匹配的on波长的连续稳频算法. 其基本思想是采用分子饱和吸收法, 测量通过双路吸收池后的差分信号, 计算其光学厚度值(optical depth, OD), 获得实测的伪吸收谱, 当监测到on波长发漂移后, 进行连续的波长调节, 获取其OD值, 最后基于一维的图像匹配算法, 将OD值作为灰度值, 利用图像匹配原理, 进行OD值匹配, 确定当前输出波长在伪吸收谱中的位置, 进而调节至on波长, 实现on波长的连续、稳定输出. 实验结果表明, 提出的稳频算法能够很好的满足高精度的稳频要求, 同时差平方和法在该应用中是最优的, 稳频精度可达到0.3 pm.