細(xì)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(xì)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(guó)權(quán)1，許京軍1*（1. 弱光非線(xiàn)性光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南開(kāi)大學(xué)泰達(dá)應(yīng)用物理學(xué)院，南開(kāi)大學(xué)物理科510學(xué)學(xué)院，天津 300457；2. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510301）摘要：利用相干布居數(shù)振蕩效應(yīng)，可以在細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bR）薄膜或溶液中實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)為568nm 的光信號(hào)的群速調(diào)控。在本文中，我們?cè)?bR 膜中實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為 632.8nm 的正弦調(diào)制光信號(hào)的群速減慢，光群速可低至 1mm/s 的量級(jí)。此外，我們還系統(tǒng)研究了信號(hào)光的光強(qiáng)和調(diào)制頻率對(duì)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(shí)現(xiàn)光群速調(diào)控的能力。關(guān)鍵詞：相干布居數(shù)振蕩；群速度；細(xì)菌視紫紅質(zhì)中圖分類(lèi)號(hào)：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(chǔ)研究方面的重要性和實(shí)際應(yīng)用方面的潛在價(jià)值而受到普遍關(guān)注1射率

6、的實(shí)部和虛部相對(duì)應(yīng)，兩者之間滿(mǎn)足 K-K 關(guān)系。由此可知，折射率色散較強(qiáng)的區(qū)域一3540般吸收系數(shù)（或者透過(guò)率）的色散也比較強(qiáng)。粒子相干布居數(shù)振蕩（CPO）技術(shù)，通過(guò)泵浦光和信號(hào)光之間的周期性振蕩引起原子能級(jí)布居數(shù)的周期性改變，可以在介質(zhì)的吸收很強(qiáng)的區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)細(xì)銳的透射峰。利用透射峰附近折射率的色散效應(yīng)，M. S. Bigelow 等人在室溫狀態(tài)的紅寶石晶體中觀(guān)察到了 57.5m/s 的群速度2，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)光的光強(qiáng)和調(diào)制頻率可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)光群速度的調(diào)控。與之前基于電磁感應(yīng)透明效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光速調(diào)控3的實(shí)驗(yàn)相比較，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)在室溫條件下即可進(jìn)行，且屬于自泵浦，實(shí)驗(yàn)裝置比較簡(jiǎn)單。同樣是基于 CPO 效應(yīng)

7、，2005 年和 2007 年先后有研究組在 bR 膜4基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金（200800551034）；自然科學(xué)基金（10904077）作者簡(jiǎn)介：洪佩龍（1986-），男，博士研究生在讀，主要研究方向：量子光學(xué)通信聯(lián)系人：薄方（1979-），男，副教授，主要研究方向：非線(xiàn)性光學(xué). 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(yīng)。介質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)分別與其復(fù)折中和 bR 分子的水溶液5中實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)在 568nm 的光信號(hào)的群速調(diào)控。與在紅寶石晶體中基于 CPO 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光群速調(diào)控的工作相比，在 bR 膜或者溶液中實(shí)現(xiàn)光群速調(diào)

8、控所需光強(qiáng)較小，除了可以通過(guò)改變信號(hào)光自身的強(qiáng)度和調(diào)制頻率來(lái)控制光群速之外，還可以通過(guò)45引入一束波長(zhǎng)為 412nm 的紫光來(lái)改變光群速。在本文中，我們利用 bR 膜實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為 632.8nm 的光信號(hào)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(shí)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(jí)系統(tǒng)能級(jí)圖圖 1 bR 分子光循環(huán)及其等效二能級(jí)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?cè)邴}沼澤中發(fā)現(xiàn)的一種嗜鹽菌的光敏膜蛋白，其結(jié)構(gòu)與高級(jí)動(dòng)物視網(wǎng)膜上的視紫紅質(zhì)蛋白類(lèi)似。bR 分子具有優(yōu)良的光學(xué)特性，存在一個(gè)由光學(xué)異構(gòu)化導(dǎo)致的光循環(huán)。如圖 1(a)所示，處于 B 態(tài)的 bR 分子在波長(zhǎng)為 568nm 左右的光照下發(fā)生光學(xué)異構(gòu)，經(jīng)過(guò)中間態(tài) K、L 到達(dá)相對(duì)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(guò)中間態(tài) N、O 回60到基態(tài)，也可以在波長(zhǎng)為 410nm 左右的紫外光輻照下發(fā)生光學(xué)異構(gòu)，直接回到基態(tài)。相對(duì)于其它中間態(tài)，M 態(tài)能級(jí)壽命比較長(zhǎng)，故可以將 bR 分子的光循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成一個(gè)由 B 態(tài)和M 態(tài)組成的二能級(jí)系統(tǒng)，利用相干布居數(shù)振蕩進(jìn)行光群速調(diào)控。理論上通過(guò)解

10、二能級(jí)系統(tǒng)的密度矩陣方程，推導(dǎo)可以得到群折射率與調(diào)制頻率和入射光強(qiáng)的關(guān)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(xiàn)性吸收系數(shù)，c 為真空中光速，T1 是激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命，I0=|E0|2/Isat=2T1T2，為歸一化的泵浦光光強(qiáng)， 為拉比頻率，T2 為磁偶極子退相干時(shí)間。我們注意到 bR 分子光循環(huán)過(guò)程中，導(dǎo)致 bR 分子產(chǎn)生異構(gòu)化的輻照光可以具有較寬的70波長(zhǎng)范圍，而不是限定在某一特定波長(zhǎng)附近很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。比如，用 568nm 附近約 200nm寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光均可以使處于 B 態(tài)的 bR 分子發(fā)生光學(xué)異構(gòu)而變?yōu)?M 態(tài)6。這使得 bR膜不

11、僅可以在 568nm 光波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)光群速調(diào)控，而且具有對(duì)中心波長(zhǎng)處于 568nm 附近較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)光群速調(diào)控的能力。因此，我們提出了利用 CPO 效應(yīng)在 bR 膜中進(jìn)行中心波長(zhǎng)為 632.8nm 的光信號(hào)的群速調(diào)控的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想。75-2-2 1 + I 0 (T1 0 ) 2 實(shí)驗(yàn)裝置OA BSbRlaserEOMMMSGDDDO圖 2 實(shí)驗(yàn)光路圖。其中 laser 為 He-Ne 激光器，EOM 為電光調(diào)制器，SG 為信號(hào)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(cè)器，DO 為數(shù)字示波器，實(shí)驗(yàn)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(yīng)在 bR 膜樣品中實(shí)現(xiàn)紅光光信號(hào)群速度調(diào)控的實(shí)驗(yàn)光路。激

13、光器輸出光波長(zhǎng)為 632.8nm，通過(guò)電光調(diào)制器后被調(diào)制為正弦脈沖序列，光信號(hào)的頻率由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)決定。正弦調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)器，探測(cè)器輸出的電信號(hào)顯示在示波器上。透射的一路作為信號(hào)光經(jīng)過(guò) bR膜后照射到探測(cè)器，其波形由同一示波器顯示。通過(guò)對(duì)比示波器上參考光和信號(hào)光的波形，可以得到光脈沖通過(guò) bR 膜后的時(shí)間延遲。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中用到的 bR 膜樣品的厚度僅為 100m，信號(hào)光單次通過(guò) 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(gè)反射鏡之間，讓信號(hào)光多次通過(guò) bR 膜，以得到較為明顯的時(shí)間延遲。當(dāng)信號(hào)光和參考光的光程相

14、等時(shí)，信號(hào)光脈沖通過(guò) bR 膜所導(dǎo)致的時(shí)間延遲tdelay =l l ng l a l cT I 1 2 2(2)95其中 l 為信號(hào)光在 bR 膜樣品中的傳播距離。需要說(shuō)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(shí)對(duì)應(yīng)的斑尺寸，其中 P 為光斑直徑范圍內(nèi)的光功率，P0 為整個(gè)光斑的光功率。對(duì)于 TEM00 模的激光光束來(lái)說(shuō)，不同的光斑半徑處光強(qiáng)不同，為了方便起見(jiàn)，100在下文中我們將以入射光功率的大小來(lái)表征入射光的強(qiáng)弱。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)歸一化的信號(hào)光和參考光的時(shí)間曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中初次入射到 bR 膜的光信號(hào)的峰值功率為 233W，信號(hào)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(hào)光和參考光的波形曲線(xiàn)，橫軸是時(shí)間，

16、縱軸是歸一化光強(qiáng)。該圖對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件：初次入射到 bR 膜的信號(hào)光的峰值功率為 233W，正弦信號(hào)光的調(diào)制頻率為0.2Hz。圖中虛線(xiàn)表示的是信號(hào)光，實(shí)線(xiàn)表示的是參考光。比較圖中的實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)可知，信號(hào)光到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間被延遲了，延遲時(shí)間為 29ms，且波形形變較小?？梢?jiàn)在 bR 膜樣品中確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)紅光光信號(hào)的群速減慢。115圖 4 調(diào)制頻率為某一固定值時(shí)，正弦信號(hào)光通過(guò) bR 膜后的時(shí)間延遲隨信號(hào)光峰值功率變化的曲線(xiàn)。其中符號(hào)標(biāo)記的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，黑色實(shí)線(xiàn)是理論擬合結(jié)果。曲線(xiàn)從上到下對(duì)應(yīng)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(qiáng) Isat = 665.7W

17、，熱弛豫時(shí)間為 40s，0l=1.4/(1+220I0)，0 為樣品線(xiàn)性吸收系數(shù)，l 為樣品長(zhǎng)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(lái)，我們通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)光的峰值功率和調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光的群速調(diào)控。圖 4為不同的信號(hào)光調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間和入射光信號(hào)峰值功率之間的曲線(xiàn)。由圖可知，在一定的入射光功率范圍內(nèi)，當(dāng)調(diào)制頻率一定時(shí)，隨著入射光功率的增大，時(shí)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(dāng)調(diào)制頻率一定時(shí)，信號(hào)光的時(shí)間延遲隨130著入射光光強(qiáng)的增大先增大后減小。存在一個(gè)光強(qiáng)，使得時(shí)間延遲達(dá)到最大值，此時(shí)的入射光強(qiáng)滿(mǎn)足2(3)135140145150在我們的實(shí)驗(yàn)中，為了得到較為明顯的時(shí)間延遲，信號(hào)光脈沖多次通過(guò) bR 膜樣品，由于夾持 bR 膜的玻璃片對(duì)信號(hào)光的反射

20、，即使初次入射到 bR 膜的信號(hào)光光強(qiáng)較大，信號(hào)光在 bR膜中的平均光強(qiáng)始終小于使時(shí)間延時(shí)達(dá)到最大值的光強(qiáng)。因此，實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到了隨信號(hào)光峰值光強(qiáng)的增大延遲時(shí)間單調(diào)增加的結(jié)果。在此，有一些理論擬合的問(wèn)題需要說(shuō)明。首先，在理論擬合過(guò)程中，我們假設(shè)0l=1.4/(1+220I0)。該假設(shè)意味著 bR 膜的吸收隨著入射光強(qiáng)的增大而降低，這可能與 bR 膜并非嚴(yán)格的二能級(jí)系統(tǒng)，熱平衡時(shí)能級(jí)反轉(zhuǎn)布居數(shù)隨光強(qiáng)改變有關(guān)。此外，在理論擬合的過(guò)程中，bR 兩側(cè)反射鏡的光強(qiáng)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(dǎo)致的入射光能量的損失。圖

21、5 光強(qiáng)一定時(shí)，正弦光強(qiáng)調(diào)制的光信號(hào)通過(guò) bR 膜的時(shí)間延遲隨調(diào)制頻率的變換關(guān)系。其中符號(hào)表示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，曲線(xiàn)為理論擬合曲線(xiàn)。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(hào)光調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)光信號(hào)群速調(diào)控的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示。由圖可知，隨著調(diào)制頻率的增加

22、，時(shí)間延遲減小。這一結(jié)論可以非常容易地由公式(2)得出，比較數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)與理論符合得較好。在調(diào)制周期為 50s，入射光功率為 233W 時(shí)，信號(hào)光的延遲時(shí)間達(dá)到 626ms。其中樣品厚度約為 100m，實(shí)驗(yàn)中信號(hào)光 11 次經(jīng)過(guò) bR 膜樣品，相應(yīng)的群速度約為 1.76mm/s。1554 結(jié)論綜上所述，我們成功地在偏離 bR 膜基態(tài)吸收峰 568nm 較遠(yuǎn)的 632.8nm 處實(shí)現(xiàn)了光群速調(diào)控。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)光的功率和調(diào)制頻率可以實(shí)現(xiàn)光群速的大范圍調(diào)控。因?yàn)?bR 膜材料在632.8nm 處的吸收系數(shù)遠(yuǎn)小于其在 568nm 處的吸收系數(shù)，因此中心波長(zhǎng)在 632.8 慢光在通過(guò)-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(shuō)明了 bR 膜或者 bR 分子溶液具有在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光群速調(diào)控的能力。參考文獻(xiàn) (References)1 T. Krauss, Why do we