菌紫質(zhì)光致變色在全息存儲中的應(yīng)用研究

申雨菡

摘要：全息存儲技術(shù)可以通過保存物體的光振幅和空間位相信息來實現(xiàn)信息的存儲。菌紫質(zhì)是一種生物光致變色材料，研究菌紫質(zhì)的B型和M型光致雙折射特性，對全息存儲的實現(xiàn)高存儲容量、高讀寫速度和高可靠性的存儲材料有著實際意義。

Abstract： Holographic storage technology can store information by storing the information of optical amplitude and spatial phase. Bacteriorhodopsin is a kind of biophotochromic material. The study of B-type and M-type photorefractive characteristics of bacteriorhodopsin has practical significance for the realization of holographic storage materials with high storage capacity， high read-write speed and high reliability.

關(guān)鍵詞：全息存儲;菌紫質(zhì);光致變色;光致雙折射

Key words： holographic storage;bacteriorhodopsin;photochromism;photoinduced birefrin

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中圖分類號：O438.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）10-0205-02

0? 引言

1947年，Dennis Gabor提出全息存儲，它是利用全息照相的技術(shù)原理來提高電子顯微鏡分辨的。它存儲密度高、儲存量大，高達(dá)1000TB的容量[1]。在我國，這一類技術(shù)才處于試驗階段，距離產(chǎn)品化還有很大距離。由于有機光致變色材料在全息光存儲上具有廣闊的應(yīng)用前景，世界各國都在加大研究的力度，力求在此方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位，我國投入了大量的資源進(jìn)行攻關(guān)研究。

菌紫質(zhì)是一種具有光致變色效應(yīng)和抗疲勞特性的光敏感蛋白[3]，因為其在作為光材料上具有諸多優(yōu)點[4]，因此其應(yīng)用十分廣泛，下面就詳細(xì)闡述其優(yōu)點：

①為光存儲創(chuàng)造有利條件。在光循環(huán)過程中，菌紫質(zhì)的吸收峰會在這個過程中發(fā)生明顯的變化，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，這些吸收峰中存在很多可以明顯區(qū)分的中間態(tài)，這就使得菌紫質(zhì)可以成為較好的光存儲材料。

②理論上，由于菌紫質(zhì)的尺度較小、分辨率較高，其可以實現(xiàn)單分子的信息存儲。

③作為一種天然的光致變蛋白，菌紫質(zhì)是非常穩(wěn)定的，強光和高溫都不能使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這就使得菌紫質(zhì)可以重復(fù)利用多達(dá)一百萬次以上。

④較好的非線性光學(xué)性能。菌紫質(zhì)的非線性折射率和雙光子吸收系數(shù)都較大，這也就使得菌紫質(zhì)可以成為較好的光存儲材料。

⑤修飾功能。菌紫質(zhì)通過對生色團(tuán)與氨基酸的修飾，可以產(chǎn)生光學(xué)性質(zhì)更加優(yōu)良的菌紫質(zhì)變種。

菌紫質(zhì)作為一種優(yōu)良的光致變材料，具有光致各向異性，已經(jīng)越來越多的使用在光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，比如我們比較常見的光學(xué)濾波器、光調(diào)制器、偏振全息記錄等。因此本文就對對菌紫質(zhì)的B態(tài)和M態(tài)展開研究，探討菌紫質(zhì)的光致各向異性。

1? 理論計算

Kramers—Kronig[5]之間的變換，對于所有變色性材料，變色前后其折射率與吸收系數(shù)之間都應(yīng)滿足K-K變換關(guān)系式：

我們知道菌紫質(zhì)也是一種變色材料，因此其在B態(tài)的折射率和吸收系數(shù)和在M態(tài)的折射率和吸收系數(shù)自然也應(yīng)滿足以上的K-K變換關(guān)系：

在式中，nBαB和nMαM分別對應(yīng)B態(tài)和M態(tài)的折射率和吸收系數(shù);p.v.表示柯西主值積分;c0為真空光速。兩式相減可得新的K-K變換關(guān)系式

AB和AM代表樣品在B態(tài)和M態(tài)下的光密度值;λ和Δn'是任意兩個不同的波長，d為樣品厚度。

計算結(jié)果為：

圖1中實線表示菌紫質(zhì)樣品的B態(tài)，對應(yīng)最高峰值為567nm;虛線表示菌紫質(zhì)樣品的M態(tài)，對應(yīng)最高峰值為408nm。

我們計算圖1中測量得到的樣品的雙穩(wěn)態(tài)吸收光譜的差值，得到圖2的吸收差譜。再由公式（3）可算出雙態(tài)之間的折射率差值光譜。

由式（3）可以看出，ΔA和Δn都是λ的函數(shù)，可以利用計算機軟件MATLAB進(jìn)行積分。

通過圖2，我們可以發(fā)現(xiàn)，吸收變化量和折射率變化量并不同向增長，吸收變化量在567nm處和456nm分別出現(xiàn)極大值和零，折射率變化量卻分別接近為零和最大值。

一般的，在偏振光激發(fā)下，菌紫質(zhì)表現(xiàn)出類似于單光軸材料的性質(zhì)。當(dāng)激發(fā)光為線偏振時，其光軸取向與電場振動方向一致;當(dāng)激發(fā)光為橢圓偏振時，其光軸取向與橢圓長軸的方向一致;當(dāng)激發(fā)光為圓偏振時，菌紫質(zhì)無各向異性。菌紫質(zhì)的光致各向異性包括光致二向色性和光致雙折射兩個方面，在吸收峰570nm附近時，光致二向色性占主導(dǎo)，遠(yuǎn)離吸收峰時，光致雙折射則占主導(dǎo)。

2? 結(jié)論

菌紫質(zhì)是一種新型的生物分子光致變色材料，其光致變色特性不僅與M態(tài)壽命、光密度等膜參量有關(guān)，還依賴于波長、光強、時間等因素。針對菌紫質(zhì)的光致折射率，依據(jù)MATLAB軟件、采用梯度法，進(jìn)行仿真實驗得出，吸收變化量雖然在567nm處出現(xiàn)極大值，但是折射率變化量卻接近為零;吸收變化量雖然在456nm處接近為零，但是折射率的變化卻達(dá)到最大值。

性能、容量和穩(wěn)定性是全息存儲技術(shù)的發(fā)展中最需要關(guān)注的因素，綜合這些因素，菌紫質(zhì)就是一種不得不考慮非常具有代表性的材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]全面了解全息存儲技術(shù)以及現(xiàn)有產(chǎn)品，中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)站.引用日期2009-08-10.

[2]鄭媛，姚保利，王英利，雷銘.光致變色菌紫質(zhì)薄膜的動態(tài)光學(xué)響應(yīng)特性[J].光子學(xué)報，2002，31（1）.

[3]郜鵬，姚保利，韓俊鶴，陳利菊，王英利，雷銘.菌紫質(zhì)同線偏振全息記錄時再現(xiàn)光偏振方向?qū)ρ苌湫实恼{(diào)制[J].物理學(xué)報2008，57（5）.

[4]淺談全息光存儲技術(shù)[J].光盤技術(shù)，2007（01）.

[5]Kilosanidze B，Kakauridze G 2007 Appl.Opt.46 1040.