近年來，可開關微腔激光技術的發(fā)展大幅增強了光與物質(zhì)的相互作用并在集成光子學領域具有重要應用。通常可開關微腔激光通過改變激光腔內(nèi)部微納米結構或折射率來實現(xiàn)切換，相對繁瑣，變化性也小。
與人工制造的界面相比，刺激響應性的生物界面具有可利用生物系統(tǒng)和生物識別的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)更高級的功能并可定制多種納米級光學響應。除此之外，可開關的生物界面通常是指對生物分子相互作用響應后改變其微觀性質(zhì)的界面。盡管刺激響應性的生物界面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微腔激光尚未獲得突破性進展，特別是在寬波長范圍內(nèi)實現(xiàn)波長的可逆性和可調(diào)性方面。
DNA是人類和其他活生物體所有細胞核中的遺傳物質(zhì)。除了在生物學中的意義外，DNA在控制許多物理設備方面也發(fā)揮了特定作用。人們利用特定的DNA堿基配對來控制光與物質(zhì)的相互作用已有一定的歷史，但并未有人將之整合到法布里-珀羅微腔中控制激光發(fā)射，如圖一。

圖1 激光隨著DNA結構在法布里-珀羅微腔內(nèi)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(xiàn)了可開關微腔激光。

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組
這是利用生物分子控制激光的革命性進展。該成果證實了激光信號可以精準被生物分子控制的可能性，未來將應用于信息傳輸與編程。該研究工作以“DNA Self-Switchable Microlaser”為題在線發(fā)表在ACS Nano。
法布里-珀羅微腔包含兩個反射鏡和在兩鏡之間的光學增益介質(zhì)。課題組采用摻了染料的液晶為增益介質(zhì)，目的是為了增強對堿基配對的響應，并利用DNA-液晶特殊的互動，作為轉換原理來改變微腔中液晶的排列方向從而實現(xiàn)激光中不同波長之間的切換。
由于熵的原因，單鏈與雙鏈在液體中的結構不同。單鏈DNA（sDNA）通常以糾結的松弛形式存在。堿基配對后DNA產(chǎn)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（垂直于鏡子）。當注入的sDNA被液晶表面的正電荷吸引而嵌入液晶時，液晶開始改變排列方向與鏡子平行。液晶表面的單鏈DNA雜交成雙鏈時，液晶的排列則恢復到垂直方向。

圖2 DNA分子與液晶的交互作用，激光可以有效地在時域上變換輸出不同發(fā)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(fā)現(xiàn)：
1. 當單鏈DNA （ssDNA）注入時，激光波長出現(xiàn)藍移。
2. 如果注入與ssDNA互補的另一條單鏈DNA（cDNA），經(jīng)過生物自我辨識，兩條單鏈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(fā)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(zhì)是由摻雜染料與液晶形成的主-客體復合材料。液晶的永久性偶極矩產(chǎn)生作用于染料的誘導偶極矩。因此染料的排列也會隨著液晶而改變。如圖三所示. 當入射光的電矢量（E）垂直于染料分子的主軸時，會發(fā)生弱吸收。當入射光的電矢量（E）平行于染料分子的主軸時，會發(fā)生強吸收。在注入了sDNA的F-P腔中加入cDNA之前和之后的激光切換。堿基開始配對后，激光開始返回原始波長附近。

圖3 DNA 激光切換波長的機制與原理 (先藍移，結合后又紅移回去)
圖源：新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組
作者分別從入射光的偏振、增益介質(zhì)的折射率、染料的吸收強度和熒光發(fā)射強度分析了液晶的排列對增益介質(zhì)的影響。實驗和理論研究均表明，增益介質(zhì)的吸收強度隨著液晶排列變化，是決定激光位移的關鍵機制。
總結
這項研究的意義在于引入使用有機生物分子切換不同波長相干光源的概念。該團隊認為，DNA特定分子識別的非凡能力將來可能會適合諸如激光的信息編碼和數(shù)據(jù)存儲之類的應用。通過利用DNA的自我識別和序列的復雜性，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復雜性和自我識別，為亞納米級可編程光子器件的開發(fā)提供了啟示。
文章信息
DNA Self-Switchable Microlaser, ACS Nano 2020.
本文的通訊作者為新加坡南洋理工大學電機與電子工程學院Yu-Cheng Chen教授， 第一作者為課題組博士后張藝凡，該工作與太原理工大學王文杰教授合作。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08219