|
https://www.abbs.info e-mail:[email protected] ISSN 0582-9879 |
|
Short Communication |
Holographic Recording
Properties of BR-D96N Film
Zheng Yuan, Yao Bao-Li*, Wang Ying-Li, Lei Ming, Menke
Neimule, Cheng Guo-Fu, Hampp Norbert1
( State
Key Laboratory of Transient Optics Technology, Xi’an Institute of Optics and
Precision Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710068, China; 1Institute
of Physical Chemistry, University of Marburg, D-35032 Marburg, Germany )
Abstract BR-D96N
was a genetically mutated product of bacteriorhodopsin (BR) with obvious
improved photochromic effect. Compared
with the wild type BR, BR-D96N had a lifetime of M state prolonged to 5
min, showing obvious saturation absorption and lower light intensity in saturation
absorption (0.4 mW/cm2). In case of holographic recording, dynamic grating was
recorded in the BR-D96N film, its characteristic parameter was not light
exposure energy but light intensity. The writing time of the holographic
grating depended on the recording light intensity. The higher the recording
light intensity, the faster the grating builds up. Under a weak reconstruction
light, the recording light intensity resulting in maximal diffraction
efficiency was consistent with the saturation absorption intensity. The
reconstruction light could partly erase the grating. With lower intensity of
reconstruction light, higher diffraction efficiency (1.8%) could be reached,
but the diffraction intensity was not high. To get highest diffraction intensity,
a properly high intensity of reconstruction light was needed (80 μW/cm2). The
result of these experiments showed that holographic images could be recorded on
the BR-D96N film.
Key words bacteriorhodopsin;
BR-D96N; holographic recording; photochromism
Received: February 17, 2003Accepted: March
20, 2003
This work was supported by the grants from
the National Natural Science Foundation of China (No. 60007009, No. 60278026)
and the Knowledge Innovation Project of the Chinese Academy of Sciences (No.
40001043)
*Corresponding author: Tel, 86-29-8472069;
Fax, 86-29-8498711; e-mail, [email protected]
BR-D96N光学薄膜的全息记录特性
郑媛 姚保利* 王英利 门克内木乐 雷铭 陈国夫 HAMPP Norbert1
（ 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; 1Institute of
Physical Chemistry, University of Marburg, D-35032 Marburg, Germany ）
摘要 BR-D96N是具有显著光致变色特性的细菌视紫红质（BR）经过基因定点突变的产物， 与野生BR相比， 它的M态寿命延长到了5 min， 因而表现出明显的饱和吸收特性和较低的饱和吸收光强（0.4 mW/cm2）。 BR-D96N用于全息记录时形成的是动态光栅，
其特征量为光强而非曝光能量。 实验表明，
当再现光较弱时， 衍射效率最大的记录光强基本对应于样品的饱和吸收光强。
当记录光强一定时， 再现光对所记录光栅具有擦除作用，
再现光较弱时具有较高衍射效率（1.8%）， 但并不能得到高衍射光强， 若要得到高衍射光强， 存在着最佳再现光强（80 μW/cm2）。 实验证明了在BR-D96N薄膜上可以实现全息图像记录。
关键词 细菌视紫红质； BR-D96N； 全息记录； 光致变色
光全息存储具有存储密度高、数据传输速率高、冗余度高等特点。
全息记录材料的性能是全息存储设备商品化的关键因素之一。 光致变色材料属于一种可擦写的光学记录介质，
它具有无需显影定影、成本低廉的优点， 是一种可用于实时全息记录再现的候选材料。
生物分子材料细菌视紫红质（简称菌紫质或BR）是自然界中发现的具有独特光致变色特性的光敏蛋白质[1]。 其最大的优点是经过自然界的长期优化选择，
具有极好的抗疲劳性（循环使用次数大于100万次）和较高的光转换量子效率（64%）。 BR的这种光致变色特性已在光信息处理领域中得到了若干应用，
如空间滤波[2]、空间光调制[3]、位相共轭[4]等。 除了光致变色特性外， BR还具有光驱动质子泵功能和光电响应特性[5,6]， 因而在光电探测和视觉模拟方面具有潜在应用[7,8]。 若将之作为一种全息记录介质，
与其他有机光致变色材料相比， 其最大的优点就是抗疲劳性好、感光灵敏度高，
并且可以通过化学修饰或基因改性的方法， 改变材料的光谱吸收特性或亚稳态中间体的寿命，
从而开发出具有不同记录性能的菌紫质材料[9]。 BR-D96N就是一种具有长亚稳态寿命的新型基因改性材料。 它是用天门冬酰胺（N）替换第96号天门冬氨酸（D）产生的BR变异体，
其M态寿命可以延长到数分钟。
相对于野生型BR或化学增强型BR（M态寿命在毫秒到秒量级），
其显著的优点是光致变色效应明显、M态寿命长、感光灵敏度高。 以前文献中研究较多的是野生型或化学增强型BR的实时全息记录特性[10～13]。
对于基因改性材料BR-D96N在光信息处理领域的应用， 德国的Hampp研究小组进行了较多的研究工作[14～16]。
本文对BR-D96N薄膜的全息记录特性进行了实验研究，
分析了BR全息动态光栅的特性，
并且在BR-D96N薄膜上实现了全息图像记录。 实验结果表明， BR-D96N很有希望作为一种新型的实时全息记录材料。
1 材料和方法(Materials and
Methods)
1.1 样品
BR-D96N样品由德国Marburg大学制备。 从BR基因定点突变的嗜盐菌（Halobacterium
salinarum）中提取紫膜(BR-D96N）， 经蔗糖梯度法纯化和超声破碎，
以一定的浓度均匀掺入到高分子聚合物中（如明胶或聚乙烯醇）， 然后将该聚合物密封到两片平行的圆形光学玻璃中间，
形成均匀透明的聚合物薄膜。 薄膜的厚度约80 μm， 直径19 mm。 BR-D96N样品基态（B态）的吸收峰在568 nm， 光密度1.25， 在633 nm处的吸光度为0.4。 M态为其长寿命亚稳中间态，
吸收峰在407 nm， 在室温下的寿命约为5 min[17]。
1.2 饱和吸收特性
BR-D96N样品在激光作用下， 其B态和M态的粒子数建立动态平衡， 样品的透射率随入射光强而发生变化，
当光强达到一定强度时， 样品的透射率基本不随入射光强发生变化，
即样品的吸收达到饱和。 通过测量样品在He-Ne激光（λ=633 nm）作用下的透射率–光强曲线， 可以得到饱和吸收光强， 从而可以确定实时全息记录时物光和参考光的最佳记录光强。
1.3 动态全息光栅与衍射效率
由于M态的寿命有限，
BR-D96N薄膜记录的是动态全息光栅， 因而实验中测量衍射光强度和衍射效率必须实时进行。 实验光路如图1所示， He-Ne激光（输出功率3 mW）经分束镜BS1和BS2分光，
分别形成物光IO， 参考光IR和再现光IC， 其中再现光与参考光共轭。 衍射光IS与物光共轭， 经分束镜BS3反射， 由数字功率计（美国United Detector Technology Inc公司生产， 11A Photometer / Radiometer，
灵敏度为0.01 nW）实时测量一级衍射光功率。 实验中IO∶
Fig.1 Experimental
system for measuring the diffraction efficiency of BR film
IO, object light； IR, reference light；
IC, reconstruction light； IS,
diffraction light； IO∶IR ≈ 1∶1； θ≈5°.
1.4 全息图像记录
在BR-D96N薄膜全息记录特性研究的基础上，
进行了全息图像存储实验。 实验光路与图1基本相同， 只是在物光路BS2和BS3之间加入了透射式鉴别率板作为待存储的目标， 在BS3和Film之间加入了一个凸透镜使物光波会聚， 在其焦点后与参考光在样品薄膜表面相交而记录下全息图。
所记录全息图的直径约1 mm。 图1中的光功率计被配接有3倍显微物镜的CCD摄像头代替， 进行全息图衍射图像的摄取。
2 结果和讨论（Results and
Discussion）
2.1 光强依赖的全息记录特性
实验测得BR-D96N薄膜样品在不同光强作用下达到稳态时的透射率如图2中的离散点所示。 可以看到， 动态平衡时样品的吸收与光强有关，
写入光强增大到一定程度时， 样品呈现出饱和吸收特性。 大多数全息记录介质的感光特性是基于吸收与曝光能量的关系特性。 而BR-D96N样品的全息记录特征量是光强， 而非曝光能量。
采用文献[18]所使用的方法， 数值计算得到的透射率随光强的变化如图2中的曲线所示， 它与实验测量值符合。
从图2可以看出，
样品的饱和吸收光强约为0.4 mW/cm2， 对应的透射率约为80%。 当入射光很弱时，
样品的透射率约为40%（A633 =0.4）。
因此全息记录时的写入光强IW=IO+IR的动态范围在0～0.4 mW/cm2为佳， 即要求物光和参考光的光强均在0～0.2 mW/cm2为佳。
Fig.2 Dependence
of transmission of BR-D96N film on the incident light intensity at 633 nm
Dots are experimental data;
line is theoretical result.
2.2 衍射光强与衍射效率
实验测得衍射效率η随记录光强IW的变化如图3所示。
再现光的光强为3 μW/cm2， 远远小于物光和参考光的光强。
可以看到， 衍射效率先是随着记录光强的增大而增大，
达到最大值0.75%之后， 开始随着记录光强的增大缓慢下降。
最佳记录光强约为0.5 mW/cm2， 与从图2测得的饱和吸收光强0.4
mW/cm2相近。 记录光强增大引起衍射效率下降的原因是，
当吸收达到饱和后， 继续增大入射光强不会使干涉条纹调制度增加和衍射效率增大，
理论上应该也达到饱和， 但由于存在散射光和杂散光，
相反却会使衍射效率有所减小。
Fig.3 Dependence
of diffraction efficiency (η) on the recording light intensity (IW)
再现光对记录的全息光栅具有擦除效应，
因此应采用尽可能弱的再现光使其对记录的光栅产生的破坏尽量减少。 但是再现光也不能太弱， 否则衍射光变弱， 对于探测器的灵敏度和信噪比要求将提高。 图4是实验测得的衍射效率η和衍射光强IS随再现光强IC的变化关系。 其中记录光强IW为0.37 mW/cm2。 可以看到， 随着再现光强的增加， 衍射效率呈指数下降。 由于实验中采用的是记录与再现同时进行，
因此可以排除由于光栅的自身衰减而引起的衍射效率的下降， 衍射效率降低完全是由于再现光对光栅的破坏。
从图中还可已看到， 衍射光强随着再现光强的增加，
先是很快增加， 达到最大值后又开始不断下降。
当再现光强为80 μW/cm2时， 衍射光强达到最大值129 nW/cm2， 而此时的衍射效率只有0.16%。 由于衍射光强取决于再现光强与衍射效率的乘积，
因此最大衍射光强并不对应最大衍射效率， 需要通过实验确定最大衍射光强时的再现光强。
对比图3与图4可以发现， 图4所采用的记录光强基本是图3中的最佳记录光强。 图3中的衍射效率只有0.75%， 而图4中的最大衍射效率可以达到1.8%。 造成这一差异的原因是图3中的再现光强已达3 μW/cm2， 对光栅产生了一定的擦除效应。
Fig.4 Dependence
of diffraction efficiency (η) and diffraction intensity (IS)
on the reconstruction light intensity (IC)
2.3 全息图像存储结果
图5是在BR-D96N薄膜上进行全息图像存储的实验结果。 图5（A）是目标鉴别率板的原始像， 图5（B）是记录在薄膜上的全息图经过共轭再现光读出的衍射像。 可以看到，
在BR-D96N薄膜上可以实现较好的全息图像存储。 在1 mW/cm2的记录光强下， 全息图的建立约在30 s达到稳定。 当物光和参考光关闭后， 记录的全息图约经过4 min消失（CCD探测不到衍射像）。
图中衍射像的噪声主要是由于再现过程与记录过程同时进行， 部分记录光成为杂散光而进入CCD， 这部分噪声可以通过正交偏振记录的方法来降低。
Fig.5 Result
of holographic image recording on the BR-D96N film
(A) The original target
image. (B) Reconstructed image from the BR-D96N film.
利用BR-D96N生物膜基态B和亚稳态M的光致变色反应可以实现实时光全息记录。 由于M态的寿命延长到了5 min， 所以表现出明显的饱和吸收特性和较低的饱和吸收光强（0.4 mW/cm2）。 BR-D96N全息记录过程形成动态光栅，
其特征量为光强而非曝光能量， 全息光栅的建立时间与记录光强有关，
记录光强越大， 光栅建立越快， 光栅的消失时间为M态的寿命。 实验表明， 当再现光较弱时， 衍射效率最大的记录光强基本对应于样品的饱和吸收光强。
当记录光强一定时， 再现光对所记录光栅具有破坏作用，
弱再现光具有高衍射效率（1.8%）， 但并不能得到高衍射光强， 若要得到高衍射光强， 存在着最佳再现光强（80 μW/cm2）。 在BR-D96N薄膜上进行的全息图像存储实验证明， BR-D96N生物膜可以作为一种较灵敏的动态可擦写全息记录介质。
References
1 Oesterhelt
D, Brauchle C, Hampp N. Bacteriorhodopsin: A biological material for information
processing. Q Rev Biophys, 1991, 24(4): 425－478
2 Storrs
M, Mehrl DJ, Walkup JF. Programmable spatial filtering with bacteriorhodopsin.
Appl Opt, 1996, 35(23): 4632－4636
3 Sanio
M, Settele U, Anderle K, Hampp N. Optically addressed direct-view display based
on bacteriorhodopsin. Opt Lett, 1999, 24(6): 379－381
4 Werner
O, Daisy R, Fischer B, Lewis A. Forward phase conjugation by three-wave mixing
with bacteriorhodopsin. Opt Commun, 1992, 92: 108－110
5 Yao
BL, Wang YL, Hu KS, Chen DL, Zheng Y, Lei M. Characteristics and the mechanism
of bacteriorhodopsin photoelectric response. Acta Biochim Biophys Sin, 2001,
33(4): 443－446
(引自：
生物化学与生物物理学报)
6 Yao
BL, Lei M, Wang YL, Zheng Y. Two types of photoelectric differential responses
of bacteriorhodopsin and their mechanisms. Acta Biochim Biophys Sin, 2002,
34(1): 113－116
(引自：
生物化学与生物物理学报)
7 Hong
FT. Interfacial photochemistry of retinal proteins. Prog Surf Sci, 1999,
62(18Miyasaka T, Koyama K, Itoh I. Quantum conversion and image detection by a
bacteriorhodopsin-based artificial photoreceptor. Science, 1992, 255: 342－344
9 Hampp
N. Bacteriorhodopsin as a photochromic retinal protein for optical memories.
Chem Rev, 2000, 100(5): 1755－1776
10 Fitzpatrick
C, Yang CM, Fourguette D. Bacteriorhodopsin-based single and dual wavelength
holographic interferometry for monitoring crystal growth. Opt Eng, 1998, 37(6):
1708－1713
11 Barmenkov
IO, Kozhevnikov NM. The transitional energy exchange effect during recording of
phase holograms in bacteriorhodopsin. SPIE Proc, 1998, 3402: 108－113
1 2Wang
F, Liu LR. Readout of a real-time hologram in bacteriorho-dopsin film with high
diffraction efficiency and intensity. Opt Lett, 1996, 21(20): 1697－1699
13 Millerd
JE, Brock NJ, Brown MS, Debarber PA. Real-time resonant holography using
bacteriorhodopsin thin films. Opt Lett, 1995, 20(6): 626－628
14 Hampp
N, Juchem T, Anderle K. Holographic system for non-destructive testing,
vibration analysis and size measurement using bacteriorhodopsin films as
optical memory media. SPIE Proc, 2000, 3939: 86－93
15 Zeisel
D, Hampp N. Dynamic self-pumped phase-conjugating mirror based on the
bacteriorhodopsin variant D96N. Opt Lett, 1994, 19(18): 1412－1414
16 Juchem
T, Hampp N. Reflection-type polarization holograms in bacteriorhodopsin films
for low-light recording. Opt Lett, 2001, 26(21): 1702－1704
17 Zheng
Y, Yao BL, Wang YL, Lei M, Chen GF, Hampp N. Studies of photochromic kinetic
spectra and intermediates of BR-D96N. Science in China (Series A), 2002, 32(6):
481－486
(引自：
中国科学A辑)
18 Zheng
Y, Yao BL, Wang YL, Lei M. Theoretical studies of photochromic absorption
properties of bacteriorhodopsin with two-level model. Acta Photonica Sinica,
2001, 30(10): 1169－1174
(引自：
光子学报)
收稿日期：
2003-02-17 接受日期： 2003-03-20
国家自然科学基金资助项目(No.
60007009, No. 60278026)和中国科学院创新方向性研究资助项目(No. 40001043)
*联系人： Tel， 029-8472069； Fax, 029-8498711； e-mail， [email protected]