Поляризаційні властивості фототрансформацій бактеріородопсина для нелінійної просторової модуляції світла

ПОЛЯРИЗАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ФОТОТРАНСФОРМАЦІЙ БАКТЕРІОРОДОПСИНУ ДЛЯ НЕЛІНІЙНОЇ ПРОСТОРОВОЇ МОДУЛЯЦІЇ СВІТЛА

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

СТЕПАНЧИКОВ ДМИТРО АБРАМОВИЧ

Київ 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики Національної академії наук України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Корчемська Олена Яківна, Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник відділу оптичної квантової електроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Рєзніков Юрій Олександрович, Інститут фізики НАН України, завідувач відділу фізики кристалів

доктор фізико-математичних наук, професор, Полянський Петро В'ячеславович, Чернівецький національний університет імені Ю. Федьковича, професор кафедри кореляційної оптики

Провідна організація: Київський Національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 24 листопада 2005 року о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: проспект Науки 46, МСП, м.Киів-28, 03680.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту фізики НАН України за адресою: проспект Науки 46, МСП, м.Киів-28, 03680.

Автореферат розісланий 21 жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чумак О.О.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В усьому світі сьогодні викликає значний інтерес використання функціональних властивостей біологічних молекул для різноманітних технічних застосувань. Біологічний фоторецептор бактеріородопсин (БР), який міститься в пурпурних мембранах екстремальних галофільних мікроорганізмів Halobacterium salinarium, завдяки ряду унікальних властивостей займає перше місце серед оптичних застосувань середовищ біологічного походження. Білок БР структурно подібний до людського зорового пігменту родопсину. Світло видимого діапазону викликає цикл оборотних фототрансформацій молекул БР (початкова форма фотоциклу bR570 має максимум поглинання на 570 нм, а найбільш довгоживучий інтермедіат фотоциклу М412 - на 412 нм). Пурпурні мембрани з БР, видалені з бактерій, зберігають свої властивості. Молекули БР у пурпурних мембранах утворюють двовимірну кристалічну решітку, що сприяє високій стабільності БР стосовно теплового та хімічного впливів. Полімерні плівки з фрагментами пурпурних мембран із БР дозволяють реєструвати оптичну інформацію в реальному часі з роздільною здатністю 5000 ліній/мм та світлочутливістю на рівні декількох мВт/см2. При цьому понад мільйон циклів запису/стирання інформації може бути здійснено без руйнування на полімерних плівках із БР.

Серед запропонованих різноманітних методик обробки зображень можна виділити окрему перспективну групу, яка базується на ефекті фотоіндукованої анізотропії в плівках із БР. Установлено, що під дією світла в ізотропних плівках із БР індукується дихроїзм та подвійне променезаломлення, достатні за величиною для практичного застосування [1]. Це дозволяє використовувати плівки з БР для поляризаційного голографічного запису [2].

Усі інтермедіати фотоциклу БР фотоактивні [3]. На сьогодні достатньо вивченими є лише поляризаційні властивості фототрансформації із вихідної форми bR570 у найбільш довгоживучий інтермедіат М412. При цьому практично поза увагою залишилося використання поляризаційних властивостей зворотної фототрансформації з інтермедіата М412 у форму bR570, що дало б можливість завдяки великому спектральному зсуву між смугами поглинання цих інтермедіатів здійснювати оптичну обробку інформації одночасно на двох довжинах хвиль. Також дуже важливим з точки зору як практичного застосування, так і вивчення процесів у ретинальних протеїнах є дослідження поляризаційних властивостей процесу світлоадаптації пурпурних мембран із БР.

Кристалічна структура пурпурної мембрани дозволяє з метою оптимізації оптичних властивостей модифікувати БР-плівки без зменшення циклічності і світлочутливості шляхом модифікації білка (БР-мутанти) [4], введенням хімічних домішок у полімерну матрицю [5] та заміною хромофора ретиналя в природному БР іншими штучно синтезованими хромофорами [6]. Такі модифікації розроблялися для збільшення часу життя інтермедіата М412, але досі було невідомо, як вони впливають на фотоанізотропні властивості середовища.

Завдяки низький інтенсивності насичення фотоанізотропії характеристики БР_плівок можуть змінюватися навіть під дією випромінювання дешевих малопотужних неперервних лазерів. У статті [2] було продемонстровано можливість керування інтенсивністю і поляризацією дифрагованого пучка за допомогою зміни інтенсивності пучків, що записують голографічну решітку в плівках із БР. Нами було розглянуто можливість впливу на співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки зміни поляризації зовнішнього некогерентного підсвічування; мультиплексний одночасний запис у плівці з БР двох решіток інтенсивностей при ортогональній поляризації пучків, що записують різні решітки; селективне блокування певних частин зображення у реальному часі тільки за допомогою варіювання інтенсивності малопотужного збуджуючого випромінювання; логічні операції над зображеннями.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках наукових тем: у 1998-2000 рр. "Нелінійна лазерна динаміка оптичних вихорів, фоторефрактивних взаємодій та біосистем" № держреєстрації 01198U002138 (1.4.1. В/40); у 2001 - 2003 рр. "Фізична оптика когерентних світлових полів, утворених за допомогою багатохвильових взаємодій в нелінійних середовищах та біооб'єктах", № держреєстрації 0101U000352.

Метою роботи було вивчення поляризаційних властивостей фототрансформацій природного БР, а також хімічно і генетично модифікованого БР в аспекті їх подальшого можливого використання для нелінійної просторової модуляції світла. Для досягнення цієї мети розв'язувались такі задачі:

виявлено фотоанізотропні властивості темноадаптованої форми БР;

проведено розрахунок поляризаційного голографічного запису в ізотропному середовищі з анізотропно насичувальною нелінійністю при довільному співвідношенні інтенсивностей хвиль, що записують голографічну решітку, та наявності некогерентного зовнішнього підсвічування;

теоретично і експериментально (у полімерних плівках із БР) показано, що механізм оборотної анізотропної фотоселекції дає змогу змінювати співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки: а) шляхом зміни співвідношення між інтенсивностями записуючих пучків при їх сталій сумарній інтенсивності; б) за допомогою зміни поляризації зовнішнього некогерентного підсвічування;

показано, що при дифракції на решітці інтенсивностей в області насичення механізм оборотної анізотропної фотоселекції дозволяє збільшити інтенсивність дифрагованого пучка при зчитуванні пучком з поляризацією ортогональною до поляризації записуючих пучків у порівнянні з випадком, коли поляризація зчитування співпадає з поляризацією записуючих пучків;

виходячи з аналізу моделі оборотної анізотропної фотоселекції молекул БР в полімерних плівках, здійснено одночасний запис двох решіток інтенсивностей, що перекриваються у просторі, з ортогональними поляризаціями пар записуючих пучків.

Практична цінність роботи:

1. На основі проведених досліджень показано, що внесення пластичних домішок у полімерну матрицю призводить до чотирикратного збільшення фотоанізотропного відгуку та зменшення на два порядки інтенсивності насичення, що є дуже цінним для обробки сигналів і зображень низької інтенсивності.

2. Показана можливість використання фотоіндукованої анізотропії в полімерних плівках із БР для перетворення некогерентного оптичного сигналу в когерентний з одночасною просторовою модуляцією інтенсивності зображення та виконанням логічних операцій над зображеннями в реальному масштабі часу.

3. В результаті проведених досліджень показана можливість суто оптичного керування характеристиками голографічного запису, як змінюючи співвідношення між інтенсивностями записуючих пучків, так і за допомогою зовнішнього некогерентного підсвічування. Це може сприяти розв'язанню цілої низки задач по керуванню слабкими світловими пучками в реальному масштабі часу.

4. Показано, що для світлоадаптації плівок із БР перед подальшим використанням у схемах оптичної обробки інформації найбільш ефективним є використання природного (неполяризованого) або циркулярно поляризованого світла.

Внесок автора. Автор брав участь у постановці задач, розглянутих у дисертації, самостійно проводив усі експерименти та отримав усі основні результати, згадані в дисертаційній роботі [1*-14*]. Разом із співавторами брав рівноправну участь в інтерпретації експериментально одержаних результатів [2*, 5*, 9*-14*] та створенні фізичних моделей явищ, що вивчалися в дисертаційному дослідженні [4*, 6*-8*].

Достовірність результатів визначається використанням надійних сучасних засобів та методів дослідження, контролем точності вимірювань і обчислень на комп'ютері, доброю повторюваністю результатів при багатократних вимірах, проведенням порівняння експерименту з розрахунком і, навпаки, перевіркою одержаних аналітичних виразів експериментом, відповідністю експериментальних результатів результатам інших авторів.

Апробація роботи. Матеріали дисертації були представлені на 5-й Міжнародній конференції з використання лазерів в науках про життя (Мінськ, Білорусь, 1994), Міжнародній конференції ICONO'95 “Лазерна хімія, біофізика та біомедицина” (Санкт Петербург, Росія, 1995), 6-й Міжнародній конференції з використання лазерів в науках про життя (Jena, Germany 1996), Міжнародній конференції з оптичної голографії та її використання (Київ, Україна, 1997), III Всеукраїнській конференції “Фундаментальна і професійна підготовка фахівців з фізики” (Київ, 1998), семінарі “Нанобіоніка - від молекул до використань” (Marburg, Germany, 2000), 9-й Міжнародній конференції з ретинальних протеїнів (Szeged, Hungary, 2000), 8-й Міжнародній конференції з фоторефрактивних ефектів, матеріалів та пристроїв (Delavan, Wisconsin, USA, 2001), XX Міжнародній конференції з фотохімії (Москва, Росія, 2001), семінарі “Нанобіоніка II - від молекул до використань” (Marburg, Germany, 2002), Міжнародному симпозіумі з ретинальних протеїнів: експеримент і теорія (Germany, 2004), а також на семінарах відділу оптичної квантової електроніки Інституту фізики НАН України та кафедри фізики Житомирського державного університету ім.І.Франка.

Публікації. З теми дисертаційного дослідження опубліковано 14 статей та 6 тез доповідей.

Об'єм роботи. Дисертація викладена на 154 сторінках, має вступ, 4 розділи, висновки, містить 61 рисунок та 6 таблиць. Бібліографія містить 116 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, cформульовано мету роботи, показано наукову новизну одержаних результатів та їх практичне значення, сформульовано особистий внесок здобувача, наведені відомості про публікації та апробацію результатів роботи.

У першому розділі наведені результати дослідження фотоіндукованої анізотропії в хімічно модифікованих плівках з бактеріородопсином та його генетичними мутантами.

У другому розділі представлені результати дослідження фотоіндукованих процесів в бактеріородопсині за допомогою динамічної поляризаційної голографії.

Теоретично розглянуто голографічний запис поляризаційної решітки ортогонально лінійно поляризованими хвилями, що попадають виключно в смугу поглинання вихідної форми БР. На основі моделі оборотної анізотропної фотоселекції молекул БР проведено розрахунок дифракційної ефективності амплітудно-фазової поляризаційної решітки з врахуванням молекулярного дихроїзму форми bR570. Вперше досліджено випадок запису поляризаційної решітки в такому середовищі при довільному співвідношенні між інтенсивностями записуючих хвиль і. У цьому випадку в просторі змінюється як еліптичність, так і азимут записуючого поля:

, , (2)

де , , , - період решітки.

При запису поляризаційної решітки у просторі модулюється тільки поляризація, на відміну від запису однаково лінійно поляризованими хвилями решітки інтенсивностей, коли в просторі змінюється тільки інтенсивність результуючої хвилі:

, , (3)

Розрахунок здійснювався з урахуванням анізотропно насичуваної нелінійності плівок із БР у наближенні тонких заданих решіток.

У кожній точці середовища під дією еліптично поляризованого світла індукується оптична анізотропія (дихроїзм та подвійне променезаломлення), вісь якого збігається з віссю еліпса, а збурення комплексного показника заломлення дорівнює:

.(4)

де - максимально досяжне збурення комплексного показника заломлення під дією циркулярно поляризованого збуджуючого світла. Зчитуюча хвиля у вигляді вектора Джонса буде промодульована на виході із середовища:

(5)

де - матриця повороту. Дифрагована хвиля першого порядку визначалася як перший член розкладу в ряд Фур'е хвилі на виході з середовища):

, (6)

де .

На рис.2 представлено одержану експериментально в плівці D96N БР з хімічними домішками та розраховану теоретично залежність дифракційної ефективності решітки від сумарної інтенсивності записуючих пучків на =633нм ( і - решітка інтенсивностей, поляризація зчитуючого пучка паралельна (e) поляризації записуючих пучків та ортогональна (o) до неї; - поляризаційна решітка, поляризація зчитуючого пучка збігається з поляризацією одного із записуючих пучків). Між результатами експерименту і розрахунку спостерігаються деякі розходження. Однак найбільш істотні розбіжності між розрахунком і експериментом спостерігаються при порівнянні залежності співвідношення дифракційних ефективностей решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки e/ від загальної інтенсивності записуючих пучків при різних співвідношеннях між інтенсивностями записуючих пучків (рис.3а).

Було припущено, що розбіжності зв'язані із залежністю середнього часу повернення у вихідну форму bR570 від інтенсивності записуючого світла I, яке попадає тільки в смугу поглинання вихідної форми [8]. Ця залежність виражена не дуже різко, але її існування призводить до того, що у випадку решітки інтенсивностей середній час відновлення bR570 стає модульованим у просторі, тоді як для поляризаційної решітки така модуляція практично відсутня. До нашої роботи залежністю при розрахунку дифракційної ефективності голографічних решіток нехтувалося. При врахуванні залежності спостерігається добре узгодження експериментальної залежності та результатів розрахунку співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки від інтенсивності записуючих пучків (рис.3б).

Таким чином, порівняння експериментальної та одержаної теоретично залежності співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки від інтенсивності записуючих пучків є дуже чутливим методом для вивчення залежності часу відновлення вихідної форми bR570, який також може бути використаний і для інших середовищ з залежністю часу відновлення (або релаксації) від інтенсивності.

Методи динамічної голографії також були використані для дослідження процесу світлоадаптації. У плівках, що досить довгий час знаходилися в темряві, в рівній пропорції утворюється суміш молекул БР з all_trans_ (bR570) та 13_cis_ізомерами ретиналя (bR550) з максимумами поглинання на 570 нм та 550 нм відповідно. Під дією світла відбувається процес світлоадаптації: молекули в темноадаптованій форми bR550, які не беруть участі в основному фотоциклі, переходять у вихідну форму фотоциклу bR570. Дослідження властивостей світлоадаптації є дуже важливими, оскільки, з одного боку, схожий процес відбувається при зоровому процесі, а з іншого боку, визначення оптимальних умов світлоадаптації є необхідним з точки зору практичного використання плівок із БР. Близькість максимумів смуг поглинання форм bR570 і bR550 ускладнює дослідження світлоадаптації спектральними методами.

Для вивчення поляризаційних властивостей процесу світлоадаптації полімерна плівка з WT БР частково світлоадаптувалася лінійно поляризованим випромінюванням He_Ne лазера, і в такому зразку двома однаково циркулярно поляризованими пучками невеликої рівної інтенсивності =1 мВт/см2 записувалася решітка інтенсивностей. Вимірювалася дифракційна ефективність такої решітки для лінійно поляризованої тестуючого пучка, коли в одному випадку поляризація співпадала з поляризацєю світлоадаптації (), а в іншому була ортогональна до поляризації світлоадаптації (). Виявилося, що співвідношення в частково світлоадаптованому зразку відмінне від одиниці (рис.4, точки). Запропоновано модель процесу світлоадаптації, в рамках якої було розраховано залежності співвідношення від інтенсивності адаптуючого випромінювання при різних значеннях молекулярного дихроїзму темноадаптованої форми bR550 (рис.4, криві). Зіставляючи результати розрахунку і експерименту, було визначено молекулярний дихроїзм форми bR550. Одержане значення близьке до молекулярного дихроїзму найбільш довгоживучого інтермедіату фотоциклу M412, в якому ретиналь також знаходиться в 13_cis формі. Анізотропія поглинання темноадаптованої форми вказує на те, що адаптація циркулярно поляризованим або природним світлом є найбільш ефективною.

У третьому розділі розглянуті можливості поляризаційного керування характеристиками дифрагованої хвилі та мультиплексний запис решіток в плівках із БР.

Теоретично і експериментально виявлено, що анізотропно насичувальна нелінійність плівок із БР дає можливість змінювати співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей () і поляризаційної решітки (), змінюючи співвідношення між інтенсивностями записуючих пучків m при сталій сумарній інтенсивності (рис.3б).

Нами було досліджено можливість впливу на дифракційну ефективність решіток у плівках із БР змін інтенсивності і поляризації підсвічування з =633 нм, некогерентного із записуючими пучками (=633 нм). На рис.5 показані отримані експериментально і розраховані теоретично для плівки на основі мутанта D96N з домішками залежності дифракційних ефективностей решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки від інтенсивності некогерентного підсвічування для різних поляризацій тестування й підсвічування (інтенсивність записуючих пучків 2 мВт/см2, ). Підсвічування діє переважно на молекули, велика вісь поглинання яких лежить поблизу напрямку поляризації підсвічування, переводячи їх у інтермедіат М412. Тому зменшення дифракційної ефективності внаслідок насичення при заданій інтенсивності підсвічування залежить як від типу записаної решітки, так і від поляризації підсвічування та тестування. Це дає можливість змінювати в широких межах співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей (для поляризації тестуючого пучка, що паралельна () і ортогональна () до поляризації записуючих пучків) та між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки ( від 0.5 до 30, від 1.5 до 30 в плівці на основі мутанта D96N БР з домішками). Це можна використати для створення поляризаційного голографічного модулятора.

При голографічній обробці інформації в реальних схемах важливим параметром є не тільки дифракційна ефективність голограми, а й інтенсивність дифрагованого пучка, яка визначає яскравість вихідного зображення. Збільшення інтенсивності зчитуючого пучка призводить до стирання решітки. Встановлено, що для однієї і тієї ж інтенсивності зчитуючого пучка в області інтенсивностей запису, далеких від насичення, інтенсивність дифрагованого пучка вища при зчитуванні з поляризацією, паралельною до поляризації записуючих пучків, а в області насичення решітки інтенсивність дифрагованого пучка істотно зростає при використанні тестуючого пучка поляризованого ортогонально до поляризації записуючих пучків.

У ряді практичних застосувань плівок із БР, наприклад у схемах голографічної інтерферометрії, виникає необхідність мультиплексного запису декількох голограм. Нами розглянуто одночасний мультиплексний запис лінійно поляризованими пучками рівної інтенсивності у плівці з БР двох решіток інтенсивностей. Вперше запропоновано здійснювати запис так, щоб поляризації пучків, що записують різні решітки, були ортогональні між собою.

Розглянуто випадок (рис.6), коли пучки, які утворюють першу і другу решітки некогерентні між собою, кут між площинами вузлів цих решіток перевищує межу кутової селективності (кутовий мультиплексний запис), для кожної з решіток використовується окремий зчитуючий пучок, а дифраговані пучки також розділені у просторі. Результуюче світлове поле першої решітки промодульоване у просторі:

, (7)

де - загальна інтенсивність записуючих пучків, , , , - середній показник заломлення плівки. Друга решітка, яка утворюється пучками з загальною інтенсивністю , діє на першу як некогерентне підсвічування, інтенсивність якого періодично змінюється у просторі:

, (8)

де . Дифракційна ефективність першої решітки обчислювалася як перший член розкладу в ряд Фур'е:

, (9)

де модуляція комплексного показника заломлення для заданої координати x наближено визначалася, як результат усереднення по координаті z:

На рис.7 зображено теоретичні лінії та експериментальні точки залежності дифракційної ефективності однієї з решіток від загальної інтенсивності записуючих пучків для плівки на основі мутанта бактеріородопсина D96N з хімічними домішками в полімерній матриці. При записі різних решіток ортогонально лінійно поляризованими пучками (крива 1) максимальна дифракційна ефективність падає приблизно вдвічі, у порівняннянні із записом однієї решітки. При записі двох решіток однаково лінійно поляризованими пучками спостерігається чотирикратне зменшення дифракційної ефективності (крива 2). Одержані результати можна пояснити таким чином. Завдяки оборотній анізотропній фотоселекції молекул БР у випадку ортогональної поляризації пучків, що записують різні решітки, в утворенні першої та другої решітки, беруть участь переважно різні групи молекул, а при записі обох решіток однаково поляризованими пучками використовуються ті ж самі молекули. Таким чином, використання для запису другої решітки пучків, поляризованих ортогонально до поляризації пучків, які записують першу решітку, призводить до більш ніж двократного збільшення дифракційної ефективності в порівнянні з однаковими поляризаціями записуючих пучків.

Четвертий розділ присвячений використанню фотоанізотропних властивостей плівок із БР для реалізації декількох схем нелінійної просторової модуляції світла.

Для блокування частин зображення з високою інтенсивністю запропонована схема на основі анізотропії B_M_типу, що індукувалася при одночасній дії двох променів у хімічно модифікованій плівці D96N БР, розміщеній між схрещеними поляризатором і аналізатором. Об'єктний промінь He_Ne лазера, площина поляризації якого складала 45 з площиною пропускання поляризатора, здійснював анізотропну фотоселекцію молекул БР у вихідній формі bR570. Тестуючий промінь He_Cd лазера проходив через поляризатор, плівку з БР та аналізатор і вихідне зображення фіксувалося CCD камерою, одночасно здійснювалася анізотропна фотоселекція молекул в інтермедіаті M412. Використання анізотропії B_M_типу дає можливість збільшити інтенсивність вихідного зображення, одночасно збільшуючи інтенсивності тестуючого і об'єктного променя, що не призводить до стирання анізотропії.

Блокування частин об'єкта високої інтенсивності здійснювалося при збільшенні їх інтенсивності до насичення, коли БР_плівка локально переходить у тимчасовий ізотропний стан, фотоіндукована анізотропія стає близькою до нуля, а завдяки тому, що більшість молекул переходить в інтермедіат М412 поглинання тестуючої хвилі зростає. Для демонстрації потенціальних можливостей розглянутої схеми в якості найпростішого прикладу з неоднорідним просторовим розподілом інтенсивності був обраний об'єкт з гаусовим розподілом інтенсивності. На рис.8а представлено фотографії вихідного зображення при блокуванні центральних частин гаусового пучка з вихідним контрастом 150:1 (співвідношення між інтенсивностями найбільш світлої і темної частин вихідного зображення). Високе значення контрасту зумовлено використанням як фотоіндукованої анізотропії, так і реверсивних змін поглинання.

Блокування частини зображення заданої інтенсивності в реальному масштабі часу без повертання аналізатора здійснювалося за допомогою додаткового керуючого променя He_Ne лазера з поляризацією, ортогональною до поляризації об'єктного. У точках об'єктного зображення з інтенсивністю, рівною інтенсивності керуючого променя, молекули БР поглинають червоне світло однаково, незалежно від власної кутової орієнтації і фотоіндукована анізотропія локально зникає. На рис.8б представлені фотографії вихідного зображення при блокуванні частин зображення певної інтенсивності на прикладі гаусового пучка з контрастом 100:1.

На основі анізотропії В_М типу нами запропонована схема, яка може виконувати чотири логічні операції над вхідними зображеннями: A XOR B -"виключаюче або", NOT A - логічне заперечування "ні", A AND B - логічне множення "і", NOT(A IMP B) - операція, обернена до логічної імплікації. Вибір типу операції здійснюється оптично без механічної перебудови схеми.

Нами реалізовано перетворення некогерентного сигналу білого випромінювання в когерентний сигнал з одночасною модуляцією по інтенсивності на основі анізотропії B_типу. На відміну від розглянутої вище схеми, для створення об'єктного променя застосовувалася галогенова лампа (випромінювання з довжинами хвиль, меншими 450 нм, поглиналося світлофільтром), а тестування здійснювалося He_Ne лазером. Оскільки в схемах блокування частин зображення певної інтенсивності на об'єктний промінь не накладається ніяких обмежень по когерентності, то для створення об'єктного зображення в них також можна використовувати некогерентне біле випромінювання.

Основні результати і висновки

В дисертаційній роботі встановлено, що анізотропні властивості вихідної форми фотоциклу bR570 та найбільш довгоживучого короткохвильового інтермедіата М412, низька інтенсивність насичення полімерних плівок із БР дозволяють в реальному часі ефективно блокувати частини зображення певної інтенсивності, змінювати співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей та поляризаційної решітки тільки за допомогою варіювання інтенсивності малопотужного збуджуючого випромінювання.

Основні результати роботи полягають в наступному:

Встановлено, що в плівках найбільш довгоживучий короткохвильовий інтермедіат фотоциклу М412 проявляє значні анізотропні властивості, придатні для використання в оптичних пристроях. Виявлено змішаний В-М-тип нелінійної анізотропії, котрий базується одночасно на анізотропних властивостях інтермедіатів bR570 та М412 і дає фотоанізотропний відгук, що перевищує приблизно у два рази відгук В_типу анізотропії і в три рази відгук М_типу анізотропії, що базуються тільки на анізотропних властивостях bR570 і М412 відповідно.

Виявлено, що хімічні домішки в полімерну матрицю збільшують фотоанізотропний відгук приблизно в 4 рази для В_типу та в 6 разів для М_типу і B_M_типу анізотропії в порівнянні з плівками без домішок. Показано, що це обумовлено значно більшою кількістю фотознебарвлених молекул БР у хімічно модифікованих плівках, ніж у природному БР та Asp96 генетичних мутантах.

Розроблено методику розрахунку характеристик амплітудно-фазових динамічних поляризаційних решіток у плівках із БР з урахуванням молекулярного дихроїзму форми bR570. Розглянуто запис решіток при довільному співвідношенні інтенсивностей ортогонально лінійно поляризованих записуючих пучків, при якому відбувається просторова модуляція не тільки еліптичності, але й азимуту результуючого світлового поля.

Порівняння експериментальної та одержаної теоретично залежності співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки від інтенсивності записуючих пучків є дуже чутливим методом для вивчення залежності часу відновлення вихідної форми bR570 від інтенсивності збуджуючого світла, оскільки при записі решітки інтенсивностей відбувається модуляція в просторі часу відновлення форми bR570, а при записі поляризаційної решітки така модуляція практично відсутня.

Виявлено і досліджено поляризаційні властивості процесу світлоадаптації молекул БР.

Запропоновано мультиплексний одночасний запис у плівці з БР двох решіток інтенсивностей при різній взаємній поляризації записуючих пучків. Теоретично і експериментально показано, що використання для запису однієї з решіток пучків, поляризованих лінійно і ортогонально до поляризації пучків, які записують іншу решітку, призводить до більш ніж двократного збільшення дифракційної ефективності в порівнянні з записом двох решіток із однаковими поляризаціями.

Результати дисертації опубліковані в роботах

1*. Korchemskaya E.Y., Stepanchikov D.A. Photoinduced Anisotropy and Dynamic Polarization Holography on Bacteriorhodopsin Films for Optical Information Processing // Molecular Electronics: Bio-sensors and Bio-computers. Kluwer Academic Publishers, 2003. P. 301-310.

2*. Korchemskaya E.Ya., Stepanchikov D.A., Dyukova T.V., Shakhbazian V.Yu. B-M-type Anisotropy in Bacteriorhodopsin Films for Nonlinear Spatial Light Modulation // SPIE Proceedings. 2002. Vol.4833. P. 525-534.

3*. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Burykin N. Potentials of Dynamic Holography on Bacteriorhodopsin Films for Real-Time Optical Processing // Bioelectronic Applications of Photochromic Pigments. IOS Press, 2001. P. 74-89.

4*. Korchemskaya E.Y., Stepanchikov D.A. Dynamic Polarization Holography for Exploring Photoinduced Reactions in Bacteriorhodopsin // Optical Memory and Neural Networks. 2001. Vol.10, No.3. P. 137-146.

5*. Korchemskaya E., Burykin N., Stepanchikov D. Properties of photorefractive gratings in bacteriorhodopsin films for real-time optical signal processing // OSA Trends in Optics and Photonics Series. 2001. Vol. 62. P. 370-378.

6*. Корчемская Е.Я., Степанчиков Д.А., Дружко А.Б., Дюкова Т.В., Чалый А.В., Жабоедов Г.Д., Олейник Ю.Р. Взаимосвязь характеристик фотондуцированного обратимого дихроизма и изменений хромофор-протеинового взаимодействия в биологическом фоторецепторе бактериородопсин // Актуальні Проблеми Медицини та Біології. 2001. №1. C. 243-252.

7*. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Dyukova T. Photoinduced Anisotropy in Chemically-modified Films of Bacteriorhodopsin and its Genetic Mutants // Optical Materials. 2000. Vol.14. P. 185-191.

8*. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova T. Mechanism of Nonlinear Photoinduced Anisotropy in Bacteriorhodopsin and its Derivatives // Journal of Biological Physics. 1999. Vol.24. P. 201-215.

9*. Корчемська О.Я., Степанчиков Д.А. Фотоіндукована анізотропія в полімерних плівках з бактеріородопсином // Матеріали III Всеукраїнської конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики”. Фізико-хімія конденсованих структурно-неоднорідних систем. Київ. 1998. C. 140-144.

10*. Корчемська О.Я., Степанчиков Д.А. Два методи наведення фотоіндукованої анізотропії у полімерних плівках на основі бактеріородопсину // Вісник ЖІТІ. 1998. №7. C. 116-123.

11*. Korchemskaya E., Stepanchikov D. Real-time Selective Image Processing Using Photoinduced Anisotropy of Bacteriorhodopsin Polymer Films // SPIE Proceedings. 1997. Vol.3486. P. 154-162.

12*. Korchemskaya E., Soskin M., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova T. Nonlinear Polarizaton Interaction in Bacteriorhodopsin Films with Anisotropically Saturating Absorption // SPIE Proceedings. 1995. Vol.2802. P. 200-210.

13*. Korchemskaya E., Soskin M., Stepanchikov D. Anizotropically Saturating Nonlinearity of the Polymer Films with Bacteriorhodopsin // SPIE Proceedings. 1994. Vol.2265. P. 401-412.

14*. Korchemskaya E., Soskin M., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova T., Vsevolodov N. Application of Polymer Films Based on Bacteriorhodopsin and its Analogs for Low-light-level Imaging System // SPIE Proceedings. 1995. Vol.2416. P. 200-211.

та тезах конференцій:

1**. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Burykin N., Basistiy I., Bugaychuk S., Ebrey T.G., Balashov S.P. Investigation of dynamic holography features accompanying phototransformations in bacteriorhodopsin // Proceeding of the International Symposium on Retinal Proteins: Experiments and Theory. Heidelberg (Germany). 2004. P. 8.

2**. Korchemskaya E., Stepanchikov D. Dynamic polarization holography on bacteriorhodopsin films: application for real-time optical processing and photocycle intermediate study // Proceedings of 293th W&E Heraeus Seminar “NanoBionics II from Molecules to Applications”, Marburg (Germany). 2002. P.75.

3**. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Dyukova T. Chemically modified bacteriorhodopsin films as optoelectronic media // Proceedings of 293th W&E Heraeus Seminar “NanoBionics II - from Molecules to Applications”. Marburg (Germany). 2002. P. 68.

4**. Korchemskaya E., Burykin N., Stepanchikov D. Nonlinear optical properties of bacteriorhodopsin for real-time selective image processing // Proceedings of the 9th International Conference on Retinal Proteins. Szeged (Hungary). 2000. P. 96.

5**. Korchemskaya, E., Stepanchikov D. Real-time optical spatial filtering using anisotropic properties of bacteriorhodopsin photocycle intermediates // Proceedings of 238th W&E Heraeus Seminar “NanoBionics from Molecules to Applications”. Marburg (Germany). 2000. P. 3.

6**. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova T. Interrelation of laser-induced anisotropy and chromophore-protein interactions in biological photoreceptor bacteriorhodopsin // Proceedings of 6th International Conference on Laser Applications in Life Sciences. Jena (Germany). 1996. P. 1.35.

Цитована література:

Burykin N., Korchemskaya E., Soskin M., Taranenko V., Dukova T., Vsevolodov N. Photoinduced Anisotropy in Bio-chrom Films // Opt. Commun. 1985. Vol.54. P. 68-71.

Korchemskaya E.Ya., Soskin M.S. Polarization Properties of Four-Wave Interaction in Dynamic Recording Material Based on Bacteriorhodopsin // Opt. Engin. 1994. Vol.33. P. 3456-3460.

Балашов С.П., Литвин Ф.Ф. Фотохимические превращения бактериородопсина / Под ред. А.А. Красновского. М.: изд-во МГУ, 1985. 162 с.

Hampp N., Brдuchle C., Oesterhelt D. Bacteriorhodopsin wildtype and variant aspartate-96asparagine as reversible holographic media // Biophysical Journal. 1990. Vol.58. Р. 83-92.

Dukova T., Lukashev E. Dehydration Effects on D96N Bacteriorhodopsin Films // Thin Solid Films. 1996. Vol.283. P. 1-4.

Druzhko A., Weetal H. Photoinduced Transformations of Wild Type and D96N Mutant 4-keto-bacteriorhodopsin gelatin films // Thin Solid Films. 1997. Vol.293, No.1-2. P. 281-284.

Birge R. Photophysics and molecular electronic applications of the rhodopsins // Annu. Rev. Phys. Chem. 1990. Vol.41. P. 683-733.

Seitz A. and Hampp N. Kinetic Optimization of Bacteriorhodopsin Films for Holographic Interferometry // J.Phys.Chem.B. 2000. Vol.104. P. 7183-7192.

Анотація

Д. А. Степанчиков "Поляризаційні властивості фототрансформацій бактеріородопсина для нелінійної просторової модуляції світла" - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. Інститут фізики Національної академії наук України, Київ, 2005.

Проведено дослідження оптичної анізотропії, наведеної при одночасній дії двох збуджуючих променів різної поляризації, які попадають у смуги поглинання вихідної форми bR570 фотоцикла бактеріородопсина (БР) і найбільш довгоживучого короткохвильового інтермедіату M412, відповідно. Досліджено фотоіндуковану анізотропію в полімерних плівках із природним БР, генетичними мутантами D96N і D96E БР, аналогами 4_keto БР і 4_keto_D96N БР та в плівках із хімічними домішками в полімерній матриці, що збільшують час життя М412.

Розроблено методику розрахунку характеристик амплітудно-фазових динамічних поляризаційних решіток у плівках із БР з урахуванням молекулярного дихроїзму при довільному співвідношенні інтенсивностей записуючих хвиль. Голографічними методами виявлено анізотропію процесу світлоадаптації БР.

Здійснено мультиплексний одночасний запис у плівці з БР двох решіток інтенсивностей з ортогональною поляризацією пучків, що записують різні решітки. Це призводить до більш ніж дворазового збільшення дифракційної ефективності у порівнянні з записом решіток однаковими поляризаціями. На основі анізотропії B-M-типу запропоновано схеми селективного блокування певних частин зображення у реальному часі.

Ключові слова: бактеріородопсин, полімерні плівки, фотоіндукована анізотропія, динамічна поляризаційна голографія, світлоадаптація, нелінійна оптична фільтрація.

Аннотация

Д.А. Степанчиков "Поляризационные свойства фототрансформаций бактериородопсина для нелинейной пространственной модуляции света" - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. Институт физики Национальной академии наук Украины, Киев, 2005.

Проведено исследование оптической анизотропии, наводимой при одновременном воздействии двух возбуждающих лучей разной поляризации, попадающих в полосы поглощения исходной формы bR570 фотоцикла бактериородопсина (БР) и наиболее долгоживущего коротковолнового интермедиата M412, соответственно. Исследована фотоиндуцированная анизотропия в полимерных пленках с природным БР, генетическими мутантами D96N и D96E БР, аналогами 4_ keto БР и 4_ keto_ D96N БР, в пленках с химическими примесями в полимерной матрице, которые увеличивают время жизни М412.

Разработана методика расчета характеристик амплитудно-фазовых динамических поляризационных решеток в пленках с БР с учетом молекулярного дихроизма при произвольном соотношении интенсивностей записывающих волн. Голографическими методами выявлена анизотропия процесса светоадаптации БР.

Осуществлена мультиплексная одновременная запись в пленке с БР двух решеток интенсивности с ортогональной поляризацией пучков, записывающих разные решетки. Это приводит к более чем двукратному увеличению дифракционной эффективности в сравнении с записью решеток одинаковыми поляризациями. Представлены схемы на основе анизотропии B-M-типа для селективного блокирования определенных частей изображения в реальном времени.

Ключевые слова: бактериородопсин, полимерные пленки, фотоиндуцированная анизотропия, динамическая поляризационная голография, светоадаптация, нелинейная оптическая фильтрация.

Summary

D.A.Stepanchikov "Polarization properties of bacteriorhodopsin phototransformations for nonlinear spatial light modulation" - Manuscript. Thesis for Candidate's Degree in Physics and Mathematics by speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - Institute of Physics, National Academy of Sciences, Ukraine, Kyiv, 2005.

In this thesis, the photoinduced anisotropy in bacteriorhodopsin (BR) films has been studied using simultaneous action of two exciting beams of various polarizations. The exciting beams has different wavelengths. One of the exciting beams activates solely the initial photocycle form bR570 and the other activates predominantly the longest-lived shortwavelength-absorbing photocycle intermediate M412. It is obtained that М412 intermediate has the pronounced photoanisotropic properties. Two orthogonally linearly polarized exciting beams induce the B-M-type anisotropy based simultaneously on the anisotropic properties of bR570 and М412 intermediates. Due to the optimization of molecular anisotropic distribution, a photoanisotropic response for the B-M-type anisotropy is nearly twice as large as that for the B-type anisotropy (based only on the anisotropic properties of bR570) and three times larger as that for the M-type anisotropy (based only on the anisotropic properties of М412). The obtained results are explained in terms of the model of the reversible anisotropic photoselection of BR molecules under the action of linearly polarized light.