近年來，可開關(guan) 微腔激光技術的發展大幅增強了光與(yu) 物質的相互作用並在集成光子學領域具有重要應用。通常可開關(guan) 微腔激光通過改變激光腔內(nei) 部微納米結構或折射率來實現切換，相對繁瑣，變化性也小。
與(yu) 人工製造的界麵相比，刺激響應性的生物界麵具有可利用生物係統和生物識別的優(you) 勢，從(cong) 而實現更高級的功能並可定製多種納米級光學響應。除此之外，可開關(guan) 的生物界麵通常是指對生物分子相互作用響應後改變其微觀性質的界麵。盡管刺激響應性的生物界麵在光電應用上已取得了很大的進展，具有生物識別的可開關(guan) 微腔激光尚未獲得突破性進展，特別是在寬波長範圍內(nei) 實現波長的可逆性和可調性方麵。
DNA是人類和其他活生物體(ti) 所有細胞核中的遺傳(chuan) 物質。除了在生物學中的意義(yi) 外，DNA在控製許多物理設備方麵也發揮了特定作用。人們(men) 利用特定的DNA堿基配對來控製光與(yu) 物質的相互作用已有一定的曆史，但並未有人將之整合到法布裏-珀羅微腔中控製激光發射，如圖一。

圖1 激光隨著DNA結構在法布裏-珀羅微腔內(nei) 的變化而改變輸出信號
圖源：新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組
針對以上問題，新加坡南洋理工大學電機與(yu) 電子工程學院Yu-Cheng Chen教授課題組【⏬】利用有機生物分子DNA堿基配對形成具有生物識別的特性，實現了可開關(guan) 微腔激光。

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體(ti) 工作組
這是利用生物分子控製激光的革命性進展。該成果證實了激光信號可以精準被生物分子控製的可能性，未來將應用於(yu) 信息傳(chuan) 輸與(yu) 編程。該研究工作以“DNA Self-Switchable Microlaser”為(wei) 題在線發表在ACS Nano。
法布裏-珀羅微腔包含兩(liang) 個(ge) 反射鏡和在兩(liang) 鏡之間的光學增益介質。課題組采用摻了染料的液晶為(wei) 增益介質，目的是為(wei) 了增強對堿基配對的響應，並利用DNA-液晶特殊的互動，作為(wei) 轉換原理來改變微腔中液晶的排列方向從(cong) 而實現激光中不同波長之間的切換。
由於(yu) 熵的原因，單鏈與(yu) 雙鏈在液體(ti) 中的結構不同。單鏈DNA（sDNA）通常以糾結的鬆弛形式存在。堿基配對後DNA產(chan) 生構象變化，形成相對剛性的雙鏈DNA（dsDNA）。
如圖二所示，作者預先將液晶定向（垂直於(yu) 鏡子）。當注入的sDNA被液晶表麵的正電荷吸引而嵌入液晶時，液晶開始改變排列方向與(yu) 鏡子平行。液晶表麵的單鏈DNA雜交成雙鏈時，液晶的排列則恢複到垂直方向。

圖2 DNA分子與(yu) 液晶的交互作用，激光可以有效地在時域上變換輸出不同發光波長
圖源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組
在本文中，利用激光腔的DNA堿基配對，研究人員發現：
1. 當單鏈DNA （ssDNA）注入時，激光波長出現藍移。
2. 如果注入與(yu) ssDNA互補的另一條單鏈DNA（cDNA），經過生物自我辨識，兩(liang) 條單鏈DNA雜交形成雙鏈，激光波長紅移。
3. 除了波長的位移，激光的時間強度也隨DNA的嵌入發生變化，仿佛液晶隨著DNA跳圓舞曲一般。
在此微腔中，增益介質是由摻雜染料與(yu) 液晶形成的主-客體(ti) 複合材料。液晶的永久性偶極矩產(chan) 生作用於(yu) 染料的誘導偶極矩。因此染料的排列也會(hui) 隨著液晶而改變。如圖三所示. 當入射光的電矢量（E）垂直於(yu) 染料分子的主軸時，會(hui) 發生弱吸收。當入射光的電矢量（E）平行於(yu) 染料分子的主軸時，會(hui) 發生強吸收。在注入了sDNA的F-P腔中加入cDNA之前和之後的激光切換。堿基開始配對後，激光開始返回原始波長附近。

圖3 DNA 激光切換波長的機製與(yu) 原理 (先藍移，結合後又紅移回去)
圖源：新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組
作者分別從(cong) 入射光的偏振、增益介質的折射率、染料的吸收強度和熒光發射強度分析了液晶的排列對增益介質的影響。實驗和理論研究均表明，增益介質的吸收強度隨著液晶排列變化，是決(jue) 定激光位移的關(guan) 鍵機製。
總結
這項研究的意義(yi) 在於(yu) 引入使用有機生物分子切換不同波長相幹光源的概念。該團隊認為(wei) ，DNA特定分子識別的非凡能力將來可能會(hui) 適合諸如激光的信息編碼和數據存儲(chu) 之類的應用。通過利用DNA的自我識別和序列的複雜性，可以對激光進行完全的操縱和編程。這項研究通過利用生物分子的複雜性和自我識別，為(wei) 亞(ya) 納米級可編程光子器件的開發提供了啟示。
文章信息
DNA Self-Switchable Microlaser, ACS Nano 2020.
本文的通訊作者為(wei) 新加坡南洋理工大學電機與(yu) 電子工程學院Yu-Cheng Chen教授， 第一作者為(wei) 課題組博士後張藝凡，該工作與(yu) 太原理工大學王文傑教授合作。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08219