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(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，激光已對(duì)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(guó)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(bào)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(gè)簡(jiǎn)易低損耗的光學(xué)諧振腔，由 0P0(Quanta Ray M0P0-700，Spectra Physics ;波長(zhǎng)調(diào)諧到 465nm ;脈沖持續(xù)時(shí)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(lái)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(shí)，容易出現(xiàn)蛋白溶液外漏、腔鏡間有反射損耗等問(wèn)題。而且腔長(zhǎng)不會(huì)太長(zhǎng)、所需的的熒光蛋白溶液量也相對(duì)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(gè)反射鏡或者恪接兩個(gè)具有相同中心反射波長(zhǎng)的光纖布拉格光柵構(gòu)成光學(xué)諧振腔進(jìn)行選頻，以實(shí)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(lái)實(shí)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(gè)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(gè)高反射率的激光諧振腔鏡之間來(lái)回往返，利用熒光蛋白提供的高增益，最終由輸出反射鏡實(shí)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(gè)具有相同中心反射波長(zhǎng)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(guò)諧振腔的反饋?zhàn)饔幂敵黾す狻?br>[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì):
[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(dú)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(diǎn)，實(shí)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(zhǎng)短的問(wèn)題，而且所需熒光蛋白溶液的量大大減少(僅需皮升到幾個(gè)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(zhǎng)度取I米時(shí)，所需熒光蛋白溶液的量還不足I個(gè)微升)、激光輸出效率高、易于彎曲、操作簡(jiǎn)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(duì)細(xì)胞無(wú)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(gè)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(lái)實(shí)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(guò)65°C才會(huì)變性使熒光消失，耐光照時(shí)間長(zhǎng)。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(diǎn)，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(shuō)明】
[0011]圖1為實(shí)施例一至實(shí)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(shí)施例六的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為實(shí)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(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例一
[0016]附圖1是該實(shí)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(gè)主激發(fā)峰，在473附近有一個(gè)次激發(fā)峰；發(fā)射光譜在509nm附近有一個(gè)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(zhǎng)的泵浦光泵浦濃度為20 μ M的同一綠色熒光蛋白溶液時(shí)，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(gè)反射鏡具有二向涂層:對(duì)泵浦源I的泵浦光高透；對(duì)熒光蛋白主發(fā)射波長(zhǎng)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(shuō)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(duì)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(guò)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?cè)鐾改?，輸出鏡402的輸出為3%，輸出鏡的S2面在505-530納米鍍?cè)鐾改ぃ粚?dǎo)光空心二氧化硅波導(dǎo)材料5，本實(shí)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