一种基于细菌视紫红质薄膜的正弦调制光控延时开启定时关闭系统

摘要

一种基于细菌视紫红质薄膜的正弦调制光控延时开启定时关闭系统，包括633nm激光器(3-1)、光强可调衰减器(3-7，3-8，3-10)、细菌视紫红质薄膜材料(3-9)、光探测器(3-11，3-12)、示波器(3-13)、反射镜(3-6)、半透半反镜(3-5)、633nm激光器(3-1)，信号发生器3-3，光电调制器3-2，起偏器3-4，使用该光控系统，可以使信号在传输过程中衰减很小，实现在常温下弱光光群速度减慢达1mm/s，达到光信息可控延时时间长达0.20秒后开启，和定时(1-20秒)关闭的功能。

说明书

技术领域

本发明属于光控延时开关装置领域，具体涉及一种基于细菌视紫红质薄膜的光控延时开启定时关闭系统，其中信号延时到达并开启传输开关、定时传输信号后关闭开关。

背景技术

利用细菌视紫红质膜(Bacteriorhodopsin，简称BR，是嗜盐菌细胞膜内的一种与视觉中的视紫红质相类似的光敏蛋白质，BR薄膜材料具有最为优异的特性是光致变色性能、瞬态光电响应性能和非线性光学性能，在光信息处理领域中有广阔的应用前景)对全光开关的研究已有很多，从原理上讲，有利用光循环态、光致双折射特性、光致各向异性特性等原理实现全光开关；从实现手段上，有利用两波耦合、或多波耦合在相干系统下实现开关作用的，也有在非相干系统利用不同吸收带的光透射相减效应实现开关作用的；从开关功能上，大多数全光开关利用恒定光强的连续光实现瞬态关、闭功能；即现有技术的光控开关大多只能达到瞬时开启和瞬时关闭的功能；也有利用恒定光强的光在细菌视紫红质膜中的耦合、透射的动态特性设计的延时开关。然而，延时开启和关闭的时间的控制是一个尚未解决的技术难题。

由于在国际上，光致色变材料慢光特性(在合适的光调制频率和光强下，光群速度经过光致色变材料有减慢的特点)的研究才刚刚开始，从初步研究结果显示，这类材料在常温下有优良的慢光特性。用细菌视紫红质膜实现光群速减慢，所用原理之一是基于蓝光、黄光相互抑制，形成震荡特性实现的，这种方法会使光信号的幅度大大降低，即慢光传输过程中能量损耗较大。另一种方法是，用单色光照射细菌视紫红质膜，由于细菌视紫红质分子在光照射下产生异构化，这个过程改变折射率和吸收系数，利用折射率和吸收系数与光强的依赖关系，用吸收系数较小的光波的正弦调制光强，实现光群速减慢，这样可减小传输信号能量的损失。利用有机光致色变薄膜的慢光速特性制作光子器件，据我们所知，还未见相关报道。

发明内容：

基于现实中的技术难题和技术前沿发展，我们经过一系列理论研究和多次实验，提出一种基于细菌视紫红质薄膜的光控延时开启定时关闭系统。该系统是我们利用慢光特性设计新的光子器件——全光信息延时开启，定时输送(关闭)系统。

依据本发明申请的技术方案，基于细菌视紫红质薄膜的光控延时开启定时关闭系统包括633nm激光器3-1、第一可调光强衰减器3-7、第二可调光强衰减器3-8、第三可调光强衰减器3-10、细菌视紫红质薄膜材料3-9、第一光探测器3-11、第二光探测器3-12、示波器3-13、反射镜3-6、半透半反镜3-5、信号发生器3-3和电光调制器3-2及起偏器3-4；从633nm激光器3-1发出的激光束经过连接信号发生器3-3的电光调制器3-2和起偏器3-4，再经半透半反镜3-5分为两束光，透射光beam1作为信号光通过第一可调光强衰减器3-7、细菌视紫红质薄膜材料3-9、第三可调光强衰减器3-10后照射在第二光电探测器3-12上进行光电转换；光电转换后的信号通过示波器3-13显示和存储信号；反射光beam2通过第二可调光强衰减器3-8后照射在第一光电探测器3-11上进行光电转换，光电转换后的信号通过示波器3-13与透射光beam1对比并同时显示信号光和参考光，从而形成了此光控延时开启定时关闭系统。

优选地，其中信号光为调制频率在0.01～5Hz范围的可见光。

优选地，信号光的光强为弱光强。

优选地，从激光器31发出的激光束为633nm红色激光束探测光。

优选地，光控延时开启定时关闭系统为正弦调制的光控延时开启定时关闭系统。

使用本发明申请的基于细菌视紫红质薄膜的光控延时开启定时关闭系统可以用于慢光特性研究，并且利用具有不同调制频率的正弦振幅光强调制信号照射光致变色材料细菌视紫红质膜，使其折射率产生相应变化，从而实现光群速减慢，并利用此特性设计光信息延时开启，定时关闭系统。可以用信号光的频率或固定频率信号光的有效光强(0.707倍的幅值)来控制信息延迟到达时间，通过设置信号光的有效光强来控制定时传输时间。本发明申请用633nm的波长，细菌视紫红质膜对该波长吸收小，这使得信号光通过膜后，能量衰减小；本发明申请通过控制入射细菌视紫红质薄膜的信号光的幅值实现延时、定时关闭时间可控。本发明也可以通过控制信号光的频率实现延时、定时时间可控。

附图说明

图1为依据本发明的实验装置图；

图2为实现光控延迟、有效传输的实验结果；

图3为实现光控延迟、有效传输的光强随信号光的调制频率的可控性实验结果。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明提出的基于细菌视紫红质有机薄膜的光控延时传输系统进行详细描述。

参考图1，依据本发明的基于细菌视紫红质薄膜的光控延时开启定时关闭系统包括633nm激光器3-1、第一可调光强衰减器3-7、第二可调光强衰减器3-8、第三可调光强衰减器3-10、细菌视紫红质薄膜材料3-9、第一光探测器3-11、第二光探测器3-12、示波器3-13、反射镜3-6、半透半反镜3-5、信号发生器3-3和电光调制器3-2及起偏器3-4。

附图1中的各部件的功能性位置关系如下：从633nm激光器3-1发出的恒定光强的激光束经过连接信号发生器3-3的电光调制器3-2和起偏器3-4后变为正弦调制光脉冲，再经半透半反镜3-5分为两束光，透射光beam1作为信号光通过第一可调光强衰减器3-7、细菌视紫红质薄膜材料3-9、第三可调光强衰减器3-10后照射在第二光电探测器3-12上进行光电转换；光电转换后的信号通过示波器3-13显示和存储信号；反射光beam2通过第二可调光强衰减器3-8后照射在第一光电探测器3-11上进行光电转换，光电转换后的信号通过示波器3-13与透射光beam1对比并同时显示信号光和参考光，从而形成了此光控延时开启定时关闭系统。

经过多次实验，附图3中各部件在使用下述具体参数时，效果较优；具体为：

633nm激光器3-1：中心波长633nm，TEM00模，发散角小于1.5毫弧度。

第一可调光强衰减器3-7、第二可调光强衰减器3-8、第三可调光强衰减器3-10：圆形渐变密度滤光片，光密度为0-3.0，适用波长0.4微米-0.7微米，直径50mm。

细菌视紫红质薄膜材料3-9：厚度200微米。

第一光探测器3-11、第二光探测器3-12：硅光电池。

反射镜3-6：直径20mm，厚度4mm，镀铝膜，反射率99％。

电光调制器3-2：适用波长0.4微米-0.7微米，半波电压小于300V。

起偏器3-4：适用波长0.3-3微米，消光比大于100000∶1。

信号发生器3-3：适用频率0.001-1000Hz，峰值电压大于300V；

示波器3-13使用美国泰克公司产的MSO2000系列高分辩多通道数字荧光示波器。

下面结合图2及图3，对基于细菌视紫红质有机薄膜的光控定时开关系统实现延时开启和定时关闭作出说明。在图2中，图中的虚线为信号光，实线为参考光。在图3中，单位uw表示微瓦。

当有效光强一定时，在适合的频率下，信号光通过细菌视紫红质薄膜后，传输信号得到延迟传输，图2中显示了信号光延迟传输0.20秒.当信号光强达到(或大于)门限值时，如图2中的Ta，信号开始传送，当信号小于门限值时，如图2中的Tb，信号停止传送，有效传送时间为：Tb-Ta.从而实现了延迟到达，定时传送信号的功能.其中，延迟时间可以通过调节信号光的频率、光强(见图3)来控制。信号光的频率可以对延迟时间进行粗调，信号光的光强，可以对延迟时间进行细调。有效传送时间可以对穿过细菌视紫红质薄膜后的光强振幅进行调节来控制。所以可以实现可控延时开启，可控定时传送的功能。

本发明的效果是可以方便地利用细菌视紫红质薄膜材料实现全光可控延时开启，可控定时传送。即利用正弦调制光脉冲的光强、频率组合来控制传输信号或加载信号的延迟到达和在有效时间内通过和阻断。

与现有技术的对比研究可以发现：现有技术的光控延时开关或定时开关，实现的是开关“命令”的延时或定时，本专利申请中的基于细菌视紫红质薄膜的光控延时开启定时关闭系统实现的是对信息传输的延时开启，有效定时通过。其功能完全不同于传统意义上的定时开关。

另外，光致变色材料细菌视紫红质，在无需外加电场和磁场的情况下，受到适当波长的光的作用可以使其从一种结构(状态)异构化为另一种结构(状态)，伴随着这种结构变化，其吸收带也发生变化，通常是长波长和短波长两个吸收带的吸收大小发生相反的变化，同时也伴随着折射率的变化，在长短波长，折射率变化的符号相反。这种光感生的吸收和折射率变化可用于慢光特性研究，进一步用于本发明全光可控延时开启，可控定时关闭特性的研究。

需要指出的是本发明申请中的技术方案光信息延时开启功能具有识别光频、光强的能力。这是在该技术发明者之前的研究基础上进行的，并且与该技术发明者之前的研究设计的延时器(陈桂英，2005，2009)的原理不同，之前的延时开启器之一是在非相干光系统下，用蓝光、黄光同时照射细菌视紫红质膜，利用双光相减原理，透射的黄光实现延迟开启开关功能，透射的蓝光实现延迟关闭功能。其开(关)原理是透射光强为零(最大)时开(关)命令下达，当光强增(减)到阈值时，开(关)命令实现。另外，之前的延时开启器是在相干光系统下，两入射相干光为弱光强时，利用一级衍射光强从零增加到最大值，然后保持恒定光强的动态过程实现延迟开启开关功能。即，当衍射光强为零时开启命令下达，当光强增到阈值时，开启命令实现。除此之外，利用细菌视紫红质膜对533nm有较强的吸收特性，533nm两波耦合的衍射光强从零增到最大再减小到一个低值的特点，我们设计了延时开启定时关闭开关，即，当衍射光强为零时开启命令下达，当光强增到阈值时，开启命令实现，随着时间的增加，光强减到开启时的阈值时，自动关闭。即之前的延时器是主要是用恒定连续光强作为输入光强实现的，是对开启或关闭“命令”的延迟。

本发明利用具有不同光频率的正弦调制的脉冲信号，照射细菌视紫红质膜时，使得折射率随入射光强的变化产生相应变化，而入射光强与调制频率有关，从而实现光群速减慢，并利用此特性设计光传输信息延时到达，定时传送系统。由于信号光的频率和光强不同，光群速减慢的程度不同，即延迟时间不同。所以，我们可以用信号光的频率或固定频率信号光的有效光强来控制信息延迟时间，通过设置信号光的有效光强来控制传输关的定时传输时间。不难看出，本发明与以前的延时器的不同之处在于，1)本发明可以识别正弦调制的频率，而以前的延时器只与入射光频率有关，与正弦调制的频率无关。2)本发明的延迟是对传输的整体信号的延迟，而非对“命令”的延迟。3)本发明的定时传输时间可以通过正弦调制频率、或有效调制光强控制，这种控制是直接控制，可操作性强，而以前的定时开关时间只能通过一定频率的入射光强控制，这种控制是间接控制，技术难度大。

另外，尽管结合附图已经详细清楚详细地描述了本发明提出的技术方案，但是参考本发明的优选实施例，本领域普通的技术人员可以理解本方案的基本原理，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，本领域资深技术人员在本发明的基础上可以在形式和细节上做出各种各样的修改，比如，加相干或非相干光与信号光同时照射细菌视紫红质薄膜、改变信号光波长、偏振方向、使用其它光致色变材料、改变光致色变材料的物理参数，在信号光上加载其它信号等。因此，所有参考本发明技术方案所做出的各种各样的修改，均应当落入本发明的保护范围之内。