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菌紫质光致变色在全息存储中的应用研究

范文

申雨菡

摘要：全息存储技术可以通过保存物体的光振幅和空间位相信息来实现信息的存储。菌紫质是一种生物光致变色材料，研究菌紫质的B型和M型光致双折射特性，对全息存储的实现高存儲容量、高读写速度和高可靠性的存储材料有着实际意义。

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.

关键词：全息存储;菌紫质;光致变色;光致双折射

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

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中图分类号：O438.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）10-0205-02

0? 引言

1947年，Dennis Gabor提出全息存储，它是利用全息照相的技术原理来提高电子显微镜分辨的。它存储密度高、储存量大，高达1000TB的容量[1]。在我国，这一类技术才处于试验阶段，距离产品化还有很大距离。由于有机光致变色材料在全息光存储上具有广阔的应用前景，世界各国都在加大研究的力度，力求在此方面占据世界领先地位，我国投入了大量的资源进行攻关研究。

菌紫质是一种具有光致变色效应和抗疲劳特性的光敏感蛋白[3]，因为其在作为光材料上具有诸多优点[4]，因此其应用十分广泛，下面就详细阐述其优点：

①为光存储创造有利条件。在光循环过程中，菌紫质的吸收峰会在这个过程中发生明显的变化，通过观察可以发现，这些吸收峰中存在很多可以明显区分的中间态，这就使得菌紫质可以成为较好的光存储材料。

②理论上，由于菌紫质的尺度较小、分辨率较高，其可以实现单分子的信息存储。

③作为一种天然的光致变蛋白，菌紫质是非常稳定的，强光和高温都不能使其结构发生改变，这就使得菌紫质可以重复利用多达一百万次以上。

④较好的非线性光学性能。菌紫质的非线性折射率和双光子吸收系数都较大，这也就使得菌紫质可以成为较好的光存储材料。

⑤修饰功能。菌紫质通过对生色团与氨基酸的修饰，可以产生光学性质更加优良的菌紫质变种。

菌紫质作为一种优良的光致变材料，具有光致各向异性，已经越来越多的使用在光学的应用领域，比如我们比较常见的光学滤波器、光调制器、偏振全息记录等。因此本文就对对菌紫质的B态和M态展开研究，探讨菌紫质的光致各向异性。

1? 理论计算

Kramers—Kronig[5]之间的变换，对于所有变色性材料，变色前后其折射率与吸收系数之间都应满足K-K变换关系式：

我们知道菌紫质也是一种变色材料，因此其在B态的折射率和吸收系数和在M态的折射率和吸收系数自然也应满足以上的K-K变换关系：

在式中，nBαB和nMαM分别对应B态和M态的折射率和吸收系数;p.v.表示柯西主值积分;c0为真空光速。两式相减可得新的K-K变换关系式

AB和AM代表样品在B态和M态下的光密度值;λ和Δn'是任意两个不同的波长，d为样品厚度。

计算结果为：

图1中实线表示菌紫质样品的B态，对应最高峰值为567nm;虚线表示菌紫质样品的M态，对应最高峰值为408nm。

我们计算图1中测量得到的样品的双稳态吸收光谱的差值，得到图2的吸收差谱。再由公式（3）可算出双态之间的折射率差值光谱。

由式（3）可以看出，ΔA和Δn都是λ的函数，可以利用计算机软件MATLAB进行积分。

通过图2，我们可以发现，吸收变化量和折射率变化量并不同向增长，吸收变化量在567nm处和456nm分别出现极大值和零，折射率变化量却分别接近为零和最大值。

一般的，在偏振光激发下，菌紫质表现出类似于单光轴材料的性质。当激发光为线偏振时，其光轴取向与电场振动方向一致;当激发光为椭圆偏振时，其光轴取向与椭圆长轴的方向一致;当激发光为圆偏振时，菌紫质无各向异性。菌紫质的光致各向异性包括光致二向色性和光致双折射两个方面，在吸收峰570nm附近时，光致二向色性占主导，远离吸收峰时，光致双折射则占主导。

2? 结论

菌紫质是一种新型的生物分子光致变色材料，其光致变色特性不仅与M态寿命、光密度等膜参量有关，还依赖于波长、光强、时间等因素。针对菌紫质的光致折射率，依据MATLAB软件、采用梯度法，进行仿真实验得出，吸收变化量虽然在567nm处出现极大值，但是折射率变化量却接近为零;吸收变化量虽然在456nm处接近为零，但是折射率的变化却达到最大值。

性能、容量和稳定性是全息存储技术的发展中最需要关注的因素，综合这些因素，菌紫质就是一种不得不考虑非常具有代表性的材料。

参考文献：

[1]全面了解全息存储技术以及现有产品，中国信息产业网站.引用日期2009-08-10.

[2]郑媛，姚保利，王英利，雷铭.光致变色菌紫质薄膜的动态光学响应特性[J].光子学报，2002，31（1）.

[3]郜鹏，姚保利，韩俊鹤，陈利菊，王英利，雷铭.菌紫质同线偏振全息记录时再现光偏振方向对衍射效率的调制[J].物理学报2008，57（5）.

[4]浅谈全息光存储技术[J].光盘技术，2007（01）.

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

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