CN104577691A - 荧光蛋白溶液激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于导光空心二氧化硅波导材料的荧光蛋白溶液激光器,属于光学与生物学交叉学科中的生物光子学领域。这种激光器以荧光蛋白溶液作为增益介质，以装载荧光蛋白质溶液的导光空心二氧化硅波导材料外加两个反射镜或者熔接两个具有相同中心反射波长的光纤布拉格光栅构成光学谐振腔进行选频，以实现激光输出。本发明不仅解决了现有技术中腔长短的问题，而且所需荧光蛋白溶液的量大大减少、激光输出效率高、易于弯曲、操作简单、散热良好。

Description

荧光蛋白溶液激光器

技术领域：

本发明公开了用荧光蛋白溶液作为增益介质产生激光的方法，属于光学与生物学交叉学科中的生物光子学领域，主要涉及蛋白质溶液激光器的搭建。

背景技术：

自1960年世界上第一台激光器问世以来，激光已对现代科学技术产生了巨大影响。然而，产生激光的增益介质一直都是采用非生命特质的物质如掺入元素的晶体、半导体、合成染料和纯净的气体，直到2011年6月12日，美国哈佛大学医学院和波士顿麻省总医院研究员Seok-Hyun Yun和MalteGather在《自然—光子学》杂志报道了，首次利用重组绿色荧光蛋白GFP制成了生物激光器。具体的操作是：构建了一个简易低损耗的光学谐振腔，由OPO(Quanta Ray MOPO-700，Spectra Physics；波长调谐到465nm；脉冲持续时间：5ns；重复频率：10Hz)发射脉冲，经分色镜和聚焦镜后，纵向泵浦到光学谐振腔，被绿色荧光蛋白GFP吸收后发射荧光，荧光在光学谐振腔内来回往返，利用GFP提供的高增益，将GFP的发射放大为一束连贯的绿光。当绿色荧光蛋白质溶液填充两凹面镜时，容易出现蛋白溶液外漏、腔镜间有反射损耗等问题。而且腔长不会太长、所需的的荧光蛋白溶液量也相对比较大。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种荧光蛋白溶液激光器。

这种激光器以荧光蛋白溶液作为增益介质，以装载荧光蛋白质溶液的导光空心二氧化硅波导材料外加两个反射镜或者熔接两个具有相同中心反射波长的光纤布拉格光栅构成光学谐振腔进行选频，以实现激光输出。

本发明中的荧光蛋白溶液激光器可采用两类方案来实现。方案一：激光器系统包括泵浦源、光学准直聚焦系统、荧光蛋白质溶液增益介质、导光空心二氧化硅波导材料、腔镜以及其他光学元件。荧光蛋白溶液灌注于导光空心二氧化硅波导材料中，在导光空心二氧化硅波导两端加上两个反射镜构成光学谐振腔，泵浦光进入光学准直聚焦系统准直聚焦到光学谐振腔的腔镜上，耦合进入导光空心二氧化硅波导材料，激发荧光蛋白溶液发出荧光，然后荧光在两个高反射率的激光谐振腔镜之间来回往返，利用荧光蛋白提供的高增益，最终由输出反射镜实现激光输出。

方案二：将装载荧光蛋白溶液的导光空心二氧化硅波导材料两端熔接两个具有相同中心反射波长的光纤布拉格光栅构成光学谐振腔，然后将泵浦源经光隔离器与上述的光学谐振腔连接，这样，进入导光空心二氧化硅波导材料内部的泵浦光被荧光蛋白溶液吸收再经过谐振腔的反馈作用输出激光。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1.本发明将导光空心二氧化硅波导材料与重组荧光蛋白溶液相结合，既利用了导光空心二氧化硅波导材料独特的波导结构和特有的光学性质，也利用了荧光蛋白良好的光谱特性和荧光量子化效率高的特点，实现了用荧光蛋白溶液作为增益介质产生激光的目的。

2.本发明利用诸如空心光子晶体光纤、导光毛细管、空心二氧化硅波导光纤等导光空心二氧化硅波导材料装载荧光蛋白质溶液，这不仅解决了现有技术中腔长短的问题，而且所需荧光蛋白溶液的量大大减少(仅需皮升到几个微升的量，以空心光子带隙光纤为例，纤芯直径一般为1-10μm,长度取1米时，所需荧光蛋白溶液的量还不足1个微升)、激光输出效率高、易于弯曲、操作简单、散热良好。

3.本发明的增益介质是稳定的荧光蛋白，除了绿色荧光蛋白(GFP)外，其他荧光蛋白及其变体(例如蓝色荧光蛋白，青色荧光蛋白，黄色荧光蛋白、橙色荧光蛋白、红色荧光蛋白及近红外荧光蛋白)都可以作为激光器的增益介质。与传统激光器的增益介质相比，这是一种新型的生物材料增益介质，具有对细胞无害、生物可再生、生物可吸收以及生物可相容等特性。绿色荧光蛋白具有在整个可见光谱发射带的变体，这样要想产生可见波段各种颜色的激光器，都可以利用绿色荧光蛋白及其突变体作增益介质来实现。另外，绿色荧光蛋白的光稳定性好，在PH值7-12范围内都可以正常发光，温度超过65℃才会变性使荧光消失，耐光照时间长。荧光蛋白这些良好的光谱特性和荧光量子化效率高的特点，使荧光蛋白可用于研发新一代的生物材料光学元器件。由此，我们也为荧光蛋白找到了新的应用途径。

附图说明

图1为实施例一至实施例五的结构示意图，也是用荧光蛋白溶液作为增益介质的激光器方案一的最优的结构示意图。

图2为实施例六的结构示意图。

图3为实施例七的结构示意图，也是用荧光蛋白溶液作为增益介质的激光器方案二的结构示意图。

图中：1、泵浦源，2、光学准直系统，3、光学聚焦系统，4、腔镜，5、导光空心二氧化硅波导材料，6、荧光蛋白的水溶液，7、光学准直聚焦系统，8、光隔离器，9、光纤布拉格光栅。

具体实施方式

实施例一

附图1是该实施例子的结构示意图。图中荧光蛋白溶液6为绿色荧光蛋白的水溶液，绿色荧光蛋白的激发光谱在400nm附近有一个主激发峰，在473附近有一个次激发峰；发射光谱在509nm附近有一个尖锐的主发射峰。因此，泵浦源1可选择紫外激光器或蓝光激光器。当用440nm-495nm之间任一波长的泵浦光泵浦浓度为20μM的同一绿色荧光蛋白溶液时，发射光谱几乎重叠。腔镜4包括前置反射镜401和输出镜402，这两个反射镜具有二向涂层：对泵浦源1的泵浦光高透；对荧光蛋白主发射波长附近的波段高反。导光空心二氧化硅波导材料5可选择空心光子晶体带隙光纤或者导光毛细管、空心二氧化硅波导结构光纤。下面以473nm的蓝光激光器为例加以说明。

泵浦源1用的是473纳米的蓝光激光器；光学准直系统2对泵浦光束进行变换，以达到激光光束扩束、准直的目的；光学聚焦系统3用的是在可见光波段的模压玻璃非球面镜；腔镜4包括前置反射镜401和输出镜402，前置反射镜的S1面镀的膜在465-480纳米处透过率大于95％，且在505-530纳米处反射率大于99.5％，S2面在450-550纳米镀增透膜，输出镜402的输出为3％，输出镜的S2面在505-530纳米镀增透膜；导光空心二氧化硅波导材料5，本实施例子用的是内径为50微米的导光毛细管，它在400nm-600nm处可以导光；荧光蛋白溶液6，取的是增强型绿色荧光蛋白(EGFP)的水溶液，它的最高吸收峰为395纳米，次高峰在480纳米，在473纳米的激发下发射峰为509纳米。

泵浦源发射的473纳米的蓝光依次经过光学准直系统2准直、光学聚焦系统3聚焦到激光增益介质6即增强型绿色荧光蛋白的水溶液上，而将增强型绿色荧光蛋白的水溶液灌注于导光毛细管空气孔里，然后在导光毛细管的两端放置高反腔镜，形成光学谐振腔，增强型绿色荧光蛋白吸收473纳米的蓝光后发射荧光，荧光在腔内多次反射利用绿色荧光蛋白提供的高增益后，便通过输出镜输出中心波长为509纳米的绿光激光。通过人眼可以观察到该激光器系统发射出明亮的绿光。通过光谱仪接收可以发现，相比于增强型绿色荧光蛋白溶液的自由空间的自发荧光光谱(FHWM，37纳米)，发射光谱大幅度地变窄(FWHM，12纳米)。

注：在增强型绿色荧光蛋白的浓度低至几个μM，高达几百μM时，仍能观察到激光。

实施例二

附图1是该实施例子的结构示意图。其中，各部件名称、功能和参数选择类似实施例一。所不同的是，泵浦源1用的是绿光激光器；荧光蛋白质溶液6用的是橙色荧光蛋白溶液。通过人眼可以观察到该激光器系统发射出明亮的橙光。通过光谱仪接收可以发现，相比于橙色荧光蛋白溶液的自由空间的自发荧光光谱，发射光谱大幅度地变窄。

实施例三

附图1是该实施例子的结构示意图。其中，各部件名称和功能类似实施例一。所不同的是，泵浦源1用的是绿光激光器；荧光蛋白质溶液6用的是黄色荧光蛋白溶液。通过人眼可以观察到该激光器系统发射出明亮的黄光。通过光谱仪接收可以发现，相比于黄色荧光蛋白溶液的自由空间的自发荧光光谱，发射光谱大幅度地变窄。

实施例四

附图1是该实施例子的结构示意图。其中，各部件名称和功能类似实施例一。所不同的是，泵浦源1用的是绿光激光器或黄色激光器(由所用荧光蛋白的激发谱决定)；荧光蛋白质溶液6用的是红色荧光蛋白溶液。通过人眼可以观察到该激光器系统发射出明亮的红光。通过光谱仪接收可以发现，相比于红色荧光蛋白溶液的自由空间的自发荧光光谱，发射光谱大幅度地变窄。

实施例五

附图1是该实施例子的结构示意图。其中，各部件名称和功能类似实施例一。所不同的是，泵浦源1用的是紫外激光器；荧光蛋白质溶液6用的是蓝色荧光蛋白溶液。通过人眼可以观察到该激光器系统发射出明亮的蓝光。通过光谱仪接收可以发现，相比于蓝色荧光蛋白溶液的自由空间的自发荧光光谱，发射光谱大幅度地变窄。

实施例六

附图2是该实施例子的结构示意图。其中，光学准直聚焦系统7为显微物镜，代替实施例一中的光学准直系统2和光学聚焦系统3，对泵浦光整形聚焦，其他部件的名称和功能类似实施例一。此种方案适用于各种颜色荧光蛋白激光器的制作。

实施例七

附图3是该实施例子的结构示意图。图中泵浦源1为蓝光激光器；导光空心二氧化硅波导材料5为空心光子晶体带隙光纤、导光毛细管或者空心二氧化硅波导结构光纤；光隔离器8的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源产生的不良影响；光纤布拉格光栅9是对中心反射波长具有高反的光纤布拉格光栅对。本实施案例适用于各种颜色荧光蛋白激光器的制作，这里以绿色荧光蛋白激光器为例，荧光蛋白溶液6用的是绿色荧光蛋白溶液。

在导光空心二氧化硅波导材料5的两端熔接两个具有相同中心反射波长布拉格光栅构成谐振腔，用于增强模式选择和激光的反馈放大。输入光纤布拉格光栅对泵浦光是透明的，允许泵浦光自由通过，但对谐振腔内产生的激光几乎是全反的，这个光栅的反射率一般接近100％；输出光纤布拉格光栅起到了滤波选频的作用，其最佳反射率需根据谐振腔的各参数来确定。输出光的波长和带宽主要取决于光栅的反射谱、谐振腔长及辐射带宽。泵浦源发射的蓝光经输入光纤布拉格光栅后被绿色荧光蛋白溶液吸收激发出荧光，荧光通过两个光纤布拉格光栅构成的谐振腔来进行模式选择和激光的反馈放大，最终实现绿光激光输出。通过人眼可以观察到该激光器系统发射出明亮的绿光。通过光谱仪接收，可以看到一个窄带输出的发射谱。

该激光器系统结构同样适用于各种颜色荧光蛋白及其变体激光器的制作。

Claims (4)

1.一种荧光蛋白溶液激光器，其特征在于：以荧光蛋白溶液作为增益介质，以装载荧光蛋白质溶液的导光空心二氧化硅波导材料外加两个反射镜或者熔接两个具有相同中心反射波长的光纤布拉格光栅构成光学谐振腔进行选频，以实现激光输出。

2.根据权利要求1所述的一种荧光蛋白溶液激光器，其特征在于：

激光器系统包括泵浦源、光学准直聚焦系统、荧光蛋白质溶液增益介质、导光空心二氧化硅波导材料、腔镜；荧光蛋白溶液灌注于导光空心二氧化硅波导材料中，在导光空心二氧化硅波导两端加上两个反射镜构成光学谐振腔，泵浦光进入光学准直聚焦系统准直聚焦到光学谐振腔的腔镜上，耦合进入导光空心二氧化硅波导材料，激发荧光蛋白溶液发出荧光，然后荧光在两个激光谐振腔镜之间来回往返，利用荧光蛋白提供的增益，最终由输出反射镜实现激光输出。

3.根据权利要求1所述的一种荧光蛋白溶液激光器，其特征在于：

将装载荧光蛋白溶液的导光空心二氧化硅波导材料两端熔接两个具有相同中心反射波长的光纤布拉格光栅构成光学谐振腔，然后将泵浦源与上述的光学谐振腔连接，进入导光空心二氧化硅波导材料内部的泵浦光被荧光蛋白溶液吸收再经过谐振腔的反馈作用输出激光。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种荧光蛋白溶液激光器，其特征在于：

适用于各种颜色荧光蛋白及其变体激光器的制作。