細菌視紫紅質(zhì)薄膜中紅光的群速調(diào)控研究

1、行業(yè)論文精品資料細菌視紫紅質(zhì)薄膜中紅光的群速調(diào)控研究#洪佩龍1，薄方1，陳桂英2，劉澤1，張國權1，許京軍1*（1. 弱光非線性光子學教育部重點實驗室，南開大學泰達應用物理學院，南開大學物理科510學學院，天津 300457；2. 中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動力學重點實驗室，廣州 510301）摘要：利用相干布居數(shù)振蕩效應，可以在細菌視紫紅質(zhì)（bR）薄膜或溶液中實現(xiàn)中心波長為568nm 的光信號的群速調(diào)控。在本文中，我們在 bR 膜中實現(xiàn)了中心波長為 632.8nm 的正弦調(diào)制光信號的群速減慢，光群速可低至 1mm/s 的量級。此外，我們還系統(tǒng)研究了信號光的光強和調(diào)制頻率對其群速度的

2、影響。該工作證明了 bR 膜或者溶液具有在較寬的頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)光群速調(diào)控的能力。關鍵詞：相干布居數(shù)振蕩；群速度；細菌視紫紅質(zhì)中圖分類號：O437.515Group-Velocity Control on Red Light Pulses in bR FilmHONG Peilong1, BO Fang1, CHEN Guiying2, LIU Ze1, ZHANG Guoquan1, XUJingjun1(1. The MOE Key Laboratory of Weak-Light Nonlinear Photonics, TEDA Applied Physics School2025and

3、 School of Physics, Nankai University, Tianjin 300457;2. LED, South China Sea Institute of Oceanology, CAS, Guangzhou 510301)Abstract: Based on coherent population oscillation effect, group-velocity control of light pulses,whose central wavelength was set to be 568 nm, could be realized in bacterior

4、hodopsin(bR) filmand bR aqueous solution. In this paper, we achieved slow light in bR film with the sinusoidallymodulated light pulses at the wavelength of 632.8 nm. The group velocity was decreased to theorder of 1 mm/s. We also investigated the influences of the light intensity and modulationfrequ

5、ency on the group velocity systematically. The results show that the bR film or bRresolutions are able to control the group velocity of light pulses with a broad spectrum range.Key words: coherent population oscillation; group velocity; bacteriorhodopsin300 引言光群速調(diào)控因其在基礎研究方面的重要性和實際應用方面的潛在價值而受到普遍關注1射率

6、的實部和虛部相對應，兩者之間滿足 K-K 關系。由此可知，折射率色散較強的區(qū)域一3540般吸收系數(shù)（或者透過率）的色散也比較強。粒子相干布居數(shù)振蕩（CPO）技術，通過泵浦光和信號光之間的周期性振蕩引起原子能級布居數(shù)的周期性改變，可以在介質(zhì)的吸收很強的區(qū)域產(chǎn)生一個細銳的透射峰。利用透射峰附近折射率的色散效應，M. S. Bigelow 等人在室溫狀態(tài)的紅寶石晶體中觀察到了 57.5m/s 的群速度2，通過調(diào)節(jié)信號光的光強和調(diào)制頻率可以實現(xiàn)信號光群速度的調(diào)控。與之前基于電磁感應透明效應實現(xiàn)光速調(diào)控3的實驗相比較，這類實驗在室溫條件下即可進行，且屬于自泵浦，實驗裝置比較簡單。同樣是基于 CPO 效應

7、，2005 年和 2007 年先后有研究組在 bR 膜4基金項目：教育部博士點基金（200800551034）；自然科學基金（10904077）作者簡介：洪佩龍（1986-），男，博士研究生在讀，主要研究方向：量子光學通信聯(lián)系人：薄方（1979-），男，副教授，主要研究方向：非線性光學. E-mail: -1-。光群速調(diào)控的本質(zhì)是調(diào)控介質(zhì)體系的色散效應。介質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)分別與其復折中和 bR 分子的水溶液5中實現(xiàn)了中心波長在 568nm 的光信號的群速調(diào)控。與在紅寶石晶體中基于 CPO 效應實現(xiàn)光群速調(diào)控的工作相比，在 bR 膜或者溶液中實現(xiàn)光群速調(diào)

8、控所需光強較小，除了可以通過改變信號光自身的強度和調(diào)制頻率來控制光群速之外，還可以通過45引入一束波長為 412nm 的紫光來改變光群速。在本文中，我們利用 bR 膜實現(xiàn)了中心波長為 632.8nm 的光信號的群速調(diào)控，這表明 bR膜或者 bR 溶液具有在較寬頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)光群速調(diào)控的能力。1 理論模型50(a) bR 分子的光循環(huán)(b) 二能級系統(tǒng)能級圖圖 1 bR 分子光循環(huán)及其等效二能級系統(tǒng)的示意圖Fig. 1 The diagram of the photocycle and the equivalent two-level system of bR molecules.55bR 是人

9、們在鹽沼澤中發(fā)現(xiàn)的一種嗜鹽菌的光敏膜蛋白，其結構與高級動物視網(wǎng)膜上的視紫紅質(zhì)蛋白類似。bR 分子具有優(yōu)良的光學特性，存在一個由光學異構化導致的光循環(huán)。如圖 1(a)所示，處于 B 態(tài)的 bR 分子在波長為 568nm 左右的光照下發(fā)生光學異構，經(jīng)過中間態(tài) K、L 到達相對穩(wěn)定的 M 態(tài)；處于 M 態(tài)的 bR 分子，可以因熱弛豫經(jīng)過中間態(tài) N、O 回60到基態(tài)，也可以在波長為 410nm 左右的紫外光輻照下發(fā)生光學異構，直接回到基態(tài)。相對于其它中間態(tài)，M 態(tài)能級壽命比較長，故可以將 bR 分子的光循環(huán)系統(tǒng)簡化成一個由 B 態(tài)和M 態(tài)組成的二能級系統(tǒng)，利用相干布居數(shù)振蕩進行光群速調(diào)控。理論上通過解

10、二能級系統(tǒng)的密度矩陣方程，推導可以得到群折射率與調(diào)制頻率和入射光強的關系式4：65ng = n(w) + 2 2 (1)其中 n()為介質(zhì)相折射率，0 為介質(zhì)線性吸收系數(shù)，c 為真空中光速，T1 是激發(fā)態(tài)能級壽命，I0=|E0|2/Isat=2T1T2，為歸一化的泵浦光光強， 為拉比頻率，T2 為磁偶極子退相干時間。我們注意到 bR 分子光循環(huán)過程中，導致 bR 分子產(chǎn)生異構化的輻照光可以具有較寬的70波長范圍，而不是限定在某一特定波長附近很窄的波長范圍內(nèi)。比如，用 568nm 附近約 200nm寬的波長范圍內(nèi)的光均可以使處于 B 態(tài)的 bR 分子發(fā)生光學異構而變?yōu)?M 態(tài)6。這使得 bR膜不

11、僅可以在 568nm 光波長處實現(xiàn)光群速調(diào)控，而且具有對中心波長處于 568nm 附近較寬的波長范圍內(nèi)的光信號實現(xiàn)光群速調(diào)控的能力。因此，我們提出了利用 CPO 效應在 bR 膜中進行中心波長為 632.8nm 的光信號的群速調(diào)控的實驗構想。75-2-2 1 + I 0 (T1 0 ) 2 實驗裝置OA BSbRlaserEOMMMSGDDDO圖 2 實驗光路圖。其中 laser 為 He-Ne 激光器，EOM 為電光調(diào)制器，SG 為信號發(fā)生器，OA 為可調(diào)衰減器，BS 為分束器，M 為反射鏡，D 為探測器，DO 為數(shù)字示波器，實驗樣品為 bR 膜，。808590Fig. 2 The diag

12、ram of the experimental setup. Laser indicates He-Ne laser. EOM is electro-optic modulator, SG issignal generator. OA, BS, M, D and DO represent optical attenuator, beam splitter, mirror, detector and digitaloscilloscope, respectively. The sample is bR film.圖 2 為基于 CPO 效應在 bR 膜樣品中實現(xiàn)紅光光信號群速度調(diào)控的實驗光路。激

13、光器輸出光波長為 632.8nm，通過電光調(diào)制器后被調(diào)制為正弦脈沖序列，光信號的頻率由信號發(fā)生器產(chǎn)生的電信號決定。正弦調(diào)制的光信號經(jīng)過分束器后分為兩路。反射的一路作為參考光直接入射到探測器，探測器輸出的電信號顯示在示波器上。透射的一路作為信號光經(jīng)過 bR膜后照射到探測器，其波形由同一示波器顯示。通過對比示波器上參考光和信號光的波形，可以得到光脈沖通過 bR 膜后的時間延遲。因為實驗中用到的 bR 膜樣品的厚度僅為 100m，信號光單次通過 bR 膜后延遲效果不明顯。為此，我們將 bR 膜置于平行放置的兩個反射鏡之間，讓信號光多次通過 bR 膜，以得到較為明顯的時間延遲。當信號光和參考光的光程相

14、等時，信號光脈沖通過 bR 膜所導致的時間延遲tdelay =l l ng l a l cT I 1 2 2(2)95其中 l 為信號光在 bR 膜樣品中的傳播距離。需要說明的是，激光器的工作模式為 TEM00 模，在樣品處的光斑直徑約為 0.9mm。光斑直徑定義為 P/P0=0.87 時對應的斑尺寸，其中 P 為光斑直徑范圍內(nèi)的光功率，P0 為整個光斑的光功率。對于 TEM00 模的激光光束來說，不同的光斑半徑處光強不同，為了方便起見，100在下文中我們將以入射光功率的大小來表征入射光的強弱。3 實驗結果與討論-3- 0 1 0 2 1 + I 0 (1 + I 0 ) + (d T1) v

15、gc c105110圖 3 光強歸一化的信號光和參考光的時間曲線。實驗中初次入射到 bR 膜的光信號的峰值功率為 233W，信號光的調(diào)制頻率為 0.2 Hz。Fig 3. The normalized waveforms of the signal and the reference pulses. The peak power of the signal pulse fromthe beam splitter is 233 W. The modulation frequency of the signal pulse is 0.2 Hz.圖 3 為典型的信號光和參考光的波形曲線，橫軸是時間，

16、縱軸是歸一化光強。該圖對應的實驗條件：初次入射到 bR 膜的信號光的峰值功率為 233W，正弦信號光的調(diào)制頻率為0.2Hz。圖中虛線表示的是信號光，實線表示的是參考光。比較圖中的實線和虛線可知，信號光到達探測器的時間被延遲了，延遲時間為 29ms，且波形形變較小。可見在 bR 膜樣品中確實可以實現(xiàn)紅光光信號的群速減慢。115圖 4 調(diào)制頻率為某一固定值時，正弦信號光通過 bR 膜后的時間延遲隨信號光峰值功率變化的曲線。其中符號標記的是實驗數(shù)據(jù)點，黑色實線是理論擬合結果。曲線從上到下對應的調(diào)制頻率依次為 0.02Hz，0.1Hz和 0.5Hz。理論擬合中，飽和吸收光強 Isat = 665.7W

17、，熱弛豫時間為 40s，0l=1.4/(1+220I0)，0 為樣品線性吸收系數(shù)，l 為樣品長度，兩反射鏡的反射率為 82%。120Fig. 4 The curves of the time delay of the sinusoidally modulated signal versus the peak power of the signal pulsesfrom the beam splitter. The squares, diamonds and triangles represent the experimental results with the modulationfrequ

18、encies of 0.02 Hz, 0.1 Hz and 0.5 Hz, respectively. The solid curve is the theoretically fitting results. Thefitting parameters are as follows: Isat = 665.7 W, T1 = 40 s, 0l = 1.4/(1+220I0), where 0 is the linear absorptioncoefficient, l is the thickness of the bR film, the reflectivity of the mirro

19、r is 0.82。125接下來，我們通過調(diào)節(jié)信號光的峰值功率和調(diào)制頻率實現(xiàn)了信號光的群速調(diào)控。圖 4為不同的信號光調(diào)制頻率對應的延遲時間和入射光信號峰值功率之間的曲線。由圖可知，在一定的入射光功率范圍內(nèi)，當調(diào)制頻率一定時，隨著入射光功率的增大，時間延遲增加，即-4-光群速減小。根據(jù)基于 CPO 理論得到的公式(2)，當調(diào)制頻率一定時，信號光的時間延遲隨130著入射光光強的增大先增大后減小。存在一個光強，使得時間延遲達到最大值，此時的入射光強滿足2(3)135140145150在我們的實驗中，為了得到較為明顯的時間延遲，信號光脈沖多次通過 bR 膜樣品，由于夾持 bR 膜的玻璃片對信號光的反射

20、，即使初次入射到 bR 膜的信號光光強較大，信號光在 bR膜中的平均光強始終小于使時間延時達到最大值的光強。因此，實驗中觀察到了隨信號光峰值光強的增大延遲時間單調(diào)增加的結果。在此，有一些理論擬合的問題需要說明。首先，在理論擬合過程中，我們假設0l=1.4/(1+220I0)。該假設意味著 bR 膜的吸收隨著入射光強的增大而降低，這可能與 bR 膜并非嚴格的二能級系統(tǒng)，熱平衡時能級反轉(zhuǎn)布居數(shù)隨光強改變有關。此外，在理論擬合的過程中，bR 兩側(cè)反射鏡的光強反射率的取值為 0.82，由于 bR 膜樣品放置在兩片玻璃的夾層中，此處的反射率綜合考慮了反射鏡和 bR 膜玻璃夾層導致的入射光能量的損失。圖

21、5 光強一定時，正弦光強調(diào)制的光信號通過 bR 膜的時間延遲隨調(diào)制頻率的變換關系。其中符號表示的實驗數(shù)據(jù)點，曲線為理論擬合曲線。理論擬合的條件與圖 4 相同。Fig. 5 The curves of the time delay with respect to the modulation frequency of the sinusoidally modulated signalpulses. The fitting parameters are the same as those of fig. 4.調(diào)節(jié)信號光調(diào)制頻率實現(xiàn)光信號群速調(diào)控的實驗結果如圖 5 所示。由圖可知，隨著調(diào)制頻率的增加

22、，時間延遲減小。這一結論可以非常容易地由公式(2)得出，比較數(shù)據(jù)擬合曲線與實驗數(shù)據(jù)點可見實驗與理論符合得較好。在調(diào)制周期為 50s，入射光功率為 233W 時，信號光的延遲時間達到 626ms。其中樣品厚度約為 100m，實驗中信號光 11 次經(jīng)過 bR 膜樣品，相應的群速度約為 1.76mm/s。1554 結論綜上所述，我們成功地在偏離 bR 膜基態(tài)吸收峰 568nm 較遠的 632.8nm 處實現(xiàn)了光群速調(diào)控。通過調(diào)節(jié)信號光的功率和調(diào)制頻率可以實現(xiàn)光群速的大范圍調(diào)控。因為 bR 膜材料在632.8nm 處的吸收系數(shù)遠小于其在 568nm 處的吸收系數(shù)，因此中心波長在 632.8 慢光在通過-5-(1 + I 0 ) (2I 0 -1) = (d T1)2160165170bR 膜樣品后能量損失較小。我們的工作說明了 bR 膜或者 bR 分子溶液具有在較寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)光群速調(diào)控的能力。參考文獻 (References)1 T. Krauss, Why do we