熒光蛋白溶液激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明公開了用熒光蛋白溶液作為增益介質(zhì)產(chǎn)生激光的方法，屬于光學(xué)與生物學(xué)交叉學(xué)科中的生物光子學(xué)領(lǐng)域，主要涉及蛋白質(zhì)溶液激光器的搭建。
【背景技術(shù)】
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[0002]自1960年世界上第一臺激光器問世以來，激光已對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了巨大影響。然而，產(chǎn)生激光的增益介質(zhì)一直都是采用非生命特質(zhì)的物質(zhì)如摻入元素的晶體、半導(dǎo)體、合成染料和純凈的氣體，直到2011年6月12日，美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和波士頓麻省總醫(yī)院研宄員Seok-Hyun Yun和Malte Gather在《自然一光子學(xué)》雜志報道了，首次利用重組綠色熒光蛋白GFP制成了生物激光器。具體的操作是:構(gòu)建了一個簡易低損耗的光學(xué)諧振腔，由 0P0(Quanta Ray M0P0-700，Spectra Physics ;波長調(diào)諧到 465nm ;脈沖持續(xù)時間:5ns ;重復(fù)頻率:10Hz)發(fā)射脈沖，經(jīng)分色鏡和聚焦鏡后，縱向泵浦到光學(xué)諧振腔，被綠色熒光蛋白GFP吸收后發(fā)射熒光，熒光在光學(xué)諧振腔內(nèi)來回往返，利用GFP提供的高增益，將GFP的發(fā)射放大為一束連貫的綠光。當(dāng)綠色熒光蛋白質(zhì)溶液填充兩凹面鏡時，容易出現(xiàn)蛋白溶液外漏、腔鏡間有反射損耗等問題。而且腔長不會太長、所需的的熒光蛋白溶液量也相對比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種熒光蛋白溶液激光器。
[0004]這種激光器以熒光蛋白溶液作為增益介質(zhì)，以裝載熒光蛋白質(zhì)溶液的導(dǎo)光空心二氧化娃波導(dǎo)材料外加兩個反射鏡或者恪接兩個具有相同中心反射波長的光纖布拉格光柵構(gòu)成光學(xué)諧振腔進(jìn)行選頻，以實現(xiàn)激光輸出。
[0005]本發(fā)明中的熒光蛋白溶液激光器可采用兩類方案來實現(xiàn)。方案一:激光器系統(tǒng)包括泵浦源、光學(xué)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)、熒光蛋白質(zhì)溶液增益介質(zhì)、導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料、腔鏡以及其他光學(xué)元件。熒光蛋白溶液灌注于導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料中，在導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)兩端加上兩個反射鏡構(gòu)成光學(xué)諧振腔，泵浦光進(jìn)入光學(xué)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦到光學(xué)諧振腔的腔鏡上，耦合進(jìn)入導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料，激發(fā)熒光蛋白溶液發(fā)出熒光，然后熒光在兩個高反射率的激光諧振腔鏡之間來回往返，利用熒光蛋白提供的高增益，最終由輸出反射鏡實現(xiàn)激光輸出。
[0006]方案二:將裝載熒光蛋白溶液的導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料兩端熔接兩個具有相同中心反射波長的光纖布拉格光柵構(gòu)成光學(xué)諧振腔，然后將泵浦源經(jīng)光隔離器與上述的光學(xué)諧振腔連接，這樣，進(jìn)入導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料內(nèi)部的泵浦光被熒光蛋白溶液吸收再經(jīng)過諧振腔的反饋作用輸出激光。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢:
[0008]1.本發(fā)明將導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料與重組熒光蛋白溶液相結(jié)合，既利用了導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料獨特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和特有的光學(xué)性質(zhì)，也利用了熒光蛋白良好的光譜特性和熒光量子化效率高的特點，實現(xiàn)了用熒光蛋白溶液作為增益介質(zhì)產(chǎn)生激光的目的。
[0009]2.本發(fā)明利用諸如空心光子晶體光纖、導(dǎo)光毛細(xì)管、空心二氧化硅波導(dǎo)光纖等導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料裝載熒光蛋白質(zhì)溶液，這不僅解決了現(xiàn)有技術(shù)中腔長短的問題，而且所需熒光蛋白溶液的量大大減少(僅需皮升到幾個微升的量，以空心光子帶隙光纖為例，纖芯直徑一般為1-10 μπι，長度取I米時，所需熒光蛋白溶液的量還不足I個微升)、激光輸出效率高、易于彎曲、操作簡單、散熱良好。
[0010]3.本發(fā)明的增益介質(zhì)是穩(wěn)定的熒光蛋白，除了綠色熒光蛋白(GFP)外，其他熒光蛋白及其變體(例如藍(lán)色熒光蛋白，青色熒光蛋白，黃色熒光蛋白、橙色熒光蛋白、紅色熒光蛋白及近紅外熒光蛋白)都可以作為激光器的增益介質(zhì)。與傳統(tǒng)激光器的增益介質(zhì)相比，這是一種新型的生物材料增益介質(zhì)，具有對細(xì)胞無害、生物可再生、生物可吸收以及生物可相容等特性。綠色熒光蛋白具有在整個可見光譜發(fā)射帶的變體，這樣要想產(chǎn)生可見波段各種顏色的激光器，都可以利用綠色熒光蛋白及其突變體作增益介質(zhì)來實現(xiàn)。另外，綠色熒光蛋白的光穩(wěn)定性好，在PH值7-12范圍內(nèi)都可以正常發(fā)光，溫度超過65°C才會變性使熒光消失，耐光照時間長。熒光蛋白這些良好的光譜特性和熒光量子化效率高的特點，使熒光蛋白可用于研發(fā)新一代的生物材料光學(xué)元器件。由此，我們也為熒光蛋白找到了新的應(yīng)用途徑。
【附圖說明】
[0011]圖1為實施例一至實施例五的結(jié)構(gòu)示意圖，也是用熒光蛋白溶液作為增益介質(zhì)的激光器方案一的最優(yōu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為實施例六的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為實施例七的結(jié)構(gòu)示意圖，也是用熒光蛋白溶液作為增益介質(zhì)的激光器方案二的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖中:1、泵浦源，2、光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)，3、光學(xué)聚焦系統(tǒng)，4、腔鏡，5、導(dǎo)光空心二氧化娃波導(dǎo)材料，6、熒光蛋白的水溶液，7、光學(xué)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)，8、光隔離器，9、光纖布拉格光柵。
【具體實施方式】
[0015]實施例一
[0016]附圖1是該實施例子的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中熒光蛋白溶液6為綠色熒光蛋白的水溶液，綠色熒光蛋白的激發(fā)光譜在400nm附近有一個主激發(fā)峰，在473附近有一個次激發(fā)峰；發(fā)射光譜在509nm附近有一個尖銳的主發(fā)射峰。因此，泵浦源I可選擇紫外激光器或藍(lán)光激光器。當(dāng)用440nm-495nm之間任一波長的泵浦光泵浦濃度為20 μ M的同一綠色熒光蛋白溶液時，發(fā)射光譜幾乎重疊。腔鏡4包括前置反射鏡401和輸出鏡402，這兩個反射鏡具有二向涂層:對泵浦源I的泵浦光高透；對熒光蛋白主發(fā)射波長附近的波段高反。導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料5可選擇空心光子晶體帶隙光纖或者導(dǎo)光毛細(xì)管、空心二氧化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖。下面以473nm的藍(lán)光激光器為例加以說明。
[0017]泵浦源I用的是473納米的藍(lán)光激光器；光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)2對泵浦光束進(jìn)行變換，以達(dá)到激光光束擴(kuò)束、準(zhǔn)直的目的；光學(xué)聚焦系統(tǒng)3用的是在可見光波段的模壓玻璃非球面鏡；腔鏡4包括前置反射鏡401和輸出鏡402，前置反射鏡的SI面鍍的膜在465-480納米處透過率大于95 %，且在505-530納米處反射率大于99.5 %，S2面在450-550納米鍍增透膜，輸出鏡402的輸出為3%，輸出鏡的S2面在505-530納米鍍增透膜；導(dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料5，本實施例子用的是內(nèi)徑為50微米的導(dǎo)光毛細(xì)管，它在400nm-600nm處可以導(dǎo)光；熒光蛋白溶液6，取的是增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(EGFP)的水溶液，它的最高吸收峰為395納米，次