[发明专利]荧光蛋白溶液激光器

说明书

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Malte Gather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。