菌紫质光致变色和光致各向异性的理论模拟及应用研究

论文摘要

细菌视紫红质（简称菌紫质）是自然界经过长期进化形成的一类优良的生物分子光致变色材料,它具有优良的光学和光电特性,是目前光存储、光信息处理和光电功能材料等领域研究的热门材料之一。近年来,基因工程技术的应用和发展为菌紫质材料的研究和应用注入了新的活力。围绕菌紫质薄膜的光学特性及其应用,本论文主要完成了以下工作:1.研究了菌紫质薄膜样品在单光束和双光束作用下的光致变色特性:根据光致变色的二态模型,建立了菌紫质薄膜样品光致变色动力学的数值算法和一阶近似解法。利用数值算法和一阶近似解法对菌紫质薄膜样品在单光束及双光束作用下的光致变色动力学过程及饱和吸收特性进行理论模拟,其中考虑到激发光光斑的光强分布对菌紫质薄膜光致变色特性的影响后,得到了和实验一致的理论计算结果。理论和实验表明菌紫质薄膜样品的光致变色动力学过程是光强依赖型,且紫光对红光的透过率具有抑制作用。2.研究了菌紫质薄膜样品的光致各向异性特性:根据光致变色二态近似模型及菌紫质分子对偏振激发光的选择性吸收特性,得到了光致各向异性（二向色性和双折射）和分子数分布之间的关系,并对泵浦-探测法测量光致各向异性进行数学推导,得到了光致各向异性诱导的透过率和光致各向异性之间的关系。利用透过率和分子数分布之间的关系模拟了菌紫质薄膜的B型、M型及B-M型光致各向异性动力学过程,得到了和实验一致的理论模拟结果。计算了激发光强和探测光强对偏振旋转角的影响。理论和实验证明,在红光诱导菌紫质薄膜各向异性的同时,加入正交偏振的紫光可以提高红光的光致各向异性,而加入平行偏振的紫光则抑制红光的光致各向异性。3.研究了记录光强对全息光栅衍射效率的影响:考虑到菌紫质薄膜的饱和吸收及其对入射光的散射和多次反射导致光栅调制度随记录光强的变化,解释了高记录光强下全息光栅的衍射效率随光强的增大反而减小的实验现象。4.研究了偏振全息光栅的衍射特性:根据光致变色二态模型及菌紫质分子对偏振激发光的选择性吸收特性,得到了同线记录和正交线记录时全息光栅的琼斯矩阵。利用琼斯矩阵法分析了不同偏振再现光作用下偏振全息光栅一阶衍射光的偏振特性及其衍射效率,并从理论上计算了全息光栅的一阶衍射效率动力学过程。对紫光光强和偏振取向对全息光栅衍射效率动力学的影响进行了理论和实验研究。研究结果表明,在低记录光强下加入紫光可以提高全息光栅衍射效率动力学曲线的稳定值,但抑制其峰值;在高记录光强下加入紫光可以同时提高衍射效率的峰值和稳定值。5.研究了菌紫质薄膜样品在相移干涉计量中的应用:理论分析了基于菌紫质薄膜光致各向异性的相移干涉计量仪。利用它记录了待测相位物体的干涉图样,并通过相位线性梯度积分法重建了待测物体的轮廓。6.研究了菌紫质薄膜样品在光信息处理中的应用:提出了一种基于菌紫质光致各向异性的全光逻辑运算方案,并利用它实现了与、或和异或等全光逻辑操作。利用菌紫质薄膜的光致变色以及光致各向异性特性实现了其在光开关、光控图像显示和空间滤波中的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 生物分子光致变色材料——菌紫质概论
• 1.1 光致变色学
• 1.1.1 光致变色定义
• 1.1.2 有机光致变色材料
• 1.1.3 有机光致变色材料的特点及应用
• 1.2 光致变色材料——菌紫质
• 1.2.1 菌紫质的光循环
• 1.2.2 菌紫质的光学特性
• 1.2.3 菌紫质的特点及应用
• 1.3 菌紫质的研究进展
• 1.4 本论文的内容及结果
• 参考文献
• 第二章 菌紫质的光致变色特性研究
• 2.1 二态光致变色模型
• 2.2 光致变色动力学的求解
• 2.2.1 光致变色动力学的数值解
• 2.2.2 光致变色动力学的一阶近似解
• 2.3 菌紫质薄膜样品及其特性
• 2.3.1 菌紫质薄膜样品及其光致变色模型
• 2.3.2 激发光强对热弛豫时间的影响
• 2.3.3 样品结构对透过率的影响
• 2.3.4 理论计算时样品参数的选取
• 2.4 菌紫质光致变色动力学的实验测量及理论模拟
• 2.4.1 光致变色动力学的实验结果
• 2.4.2 光致变色动力学的理论分析
• 2.5 激发光强对稳态透过率的影响
• 2.5.1 菌紫质薄膜的稳态透过率特性
• 2.5.2 紫光对红光稳态透过率的影响
• 2.6 结论
• 参考文献
• 第三章 菌紫质的光致各向异性研究
• 3.1 光致各向异性
• 3.1.1 分子角度烧孔机制
• 3.1.2 分子角度重排机制
• 3.2 菌紫质薄膜光致各向异性的机理及数学表示
• 3.3 光致各向异性的测量方法
• 3.3.1 泵浦-探测法测量光致各向异性的原理
• 3.3.2 P-BR-A系统的透过率
• 3.4 光致各向异性的实验及模拟结果
• 3.4.1 理论模拟参数的选取
• 3.4.2 B型光致各向异性
• 3.4.3 M型光致各向异性
• 3.4.4 B-M型光致各向异性
• 3.5 光强对偏振旋转角的影响
• 3.6 结论
• 参考文献
• 第四章 菌紫质的全息存储特性研究
• 4.1 光全息存储原理
• 4.2 菌紫质全息光栅衍射效率的波长依赖特性
• 4.3 记录光强对菌紫质全息光栅衍射效率的影响
• 4.4 菌紫质的偏振全息特性
• 4.4.1 偏振全息的特性分析
• 4.4.3 偏振全息光栅衍射效率的理论分析
• 4.4.4 理论模拟参数选取
• 4.4.5 偏振全息动力学实验及理论模拟
• 4.5 菌紫质在全息存储中的应用
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 菌紫质在相移干涉计量中的应用研究
• 5.1 相移干涉简介
• 5.2 四步相移干涉的基本原理
• 5.3 相位梯度积分法
• 5.4 菌紫质在相移干涉计量中的应用
• 5.4.1 相移干涉测量实验装置图
• 5.4.2 相移干涉理论分析
• 5.4.3 实验结果
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 菌紫质在光信息处理中的应用研究
• 6.1 菌紫质在全光开关中的应用
• 6.1.1 光开关简介
• 6.1.2 实验装置图
• 6.1.3 实验结果和讨论
• 6.2 菌紫质在逻辑操作中的应用
• 6.2.1 全光逻辑门的工作原理
• 6.2.2 实验方法及结果
• 6.3 菌紫质在图像操作中的应用
• 6.3.1 菌紫质在光控图象显示中的应用
• 6.3.2 菌紫质在空间滤波中的应用
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间获得的荣誉