Photonic application of proteins

	PDF (thesis) Download (10MB)
	PDF (booklet) Download (303kB)
	PDF (booklet) Download (328kB)

Abstract in Hungarian

Az integrált optikában (IO) jelenleg a legnagyobb kihívást az olyan anyagok felkutatása vagy fejlesztése jelenti, amelyek aktív komponensként használhatók az optikai áramkörökben. Ahhoz, hogy egy anyagot IO-alkalmazásokban lehessen használni, egyrészt optimális nemlineáris optikai (NLO) tulajdonságokkal kell rendelkeznie – például nagy fényindukált törésmutató-változással –, ugyanakkor megfelelő mechanikai stabilitással is. Disszertációmban a fotoaktív sárga fehérjét (PYP) vizsgáltam különböző kísérleti módszerekkel, hogy felmérjem a fehérje IO-alkalmazhatóságát. A mérések során glicerinnel adalékolt (GL) PYP-filmet használtam annak érdekében, hogy a vizsgált PYP-filmek mechanikailag stabilak maradjanak, és fennmaradjon az optikai homogenitásuk is. Először a PYP fotociklusában jelen levő egyes intermedierek kinetikáját kísértem figyelemmel abszorpciókinetikai mérésekkel, hogy ezzel meghatározzam az optimális környezetet a fehérjefilmek felhasználásához. A kinetikák feltérképezését követte a GL-PYP-filmek lineáris és nemlineáris törésmutatójának a meghatározása. A NLO törésmutatót Z-scan technikával állapítottam meg, a gerjesztő impulzus különböző átlagos és csúcsintenzitásait, valamint ismétlési frekvenciáit alkalmazva. Annak érdekében, hogy megvizsgáljam, hogy a fehérjeréteg miniatürizálható-e, illetve hogy létrehozhatóak-e homogén, egyrétegű fehérjestruktúrák, vibrációs összegfrekvencia-keltési spektroszkópiát (VSFG) használtam a PYP réteg felszínének vizsgálatára. Végezetül, a fehérje fotociklusának különböző intermedierjeit felhasználva IO-kapcsolást demonstráltam. Időben lassabb kapcsolást Mach-Zehnder interferométer segítségével, míg szub-pikoszekundumos kapcsolást tranziens rácsos (TG-) spektroszkópiával mutattam be. A tézisekben összefoglalt eredmények alapján elmondható, hogy GL-PYP filmek megfelelő aktív anyagként alternatívát nyújthatnak jövőbeli IO-alkalmazásokban.

Abstract in foreign language

The currently faced biggest challenge in integrated optics (IO) is finding or developing materials that can be used as active components for optical circuits. In order for a material to be considered for IO applications, it has to possess optimal non-linear optical (NLO) properties, such as a large light-induced refractive index change, but also mechanical stability. In my thesis, I investigated the photoactive yellow protein (PYP) with various experimental methods to assess the protein’s IO applicability. During the measurements, a glycerol-doped (GL) PYP film was used to maintain high mechanical stability and optical homogeneity of the investigated PYP-films. First, the kinetics of certain photocycle intermediates of PYP were monitored with absorption kinetics measurements to find the optimal environment to use the protein films in. This was followed by measuring the linear and non-linear refractive index of GL-PYP films. The NLO refractive index was investigated with the Z-scan technique as a function of excitation laser pulse parameters, i.e., average and peak intensities, and repetition rate of the pulses. For investigating the potential miniaturization and the possibility of creating homogeneous protein monolayers for further IO applications, PYP films were monitored with vibrational sum-frequency spectroscopy (VSFG). Finally, IO switching was demonstrated utilizing different photocycle intermediates. Mach- Zehnder interferometer was used for slow, while transient grating spectroscopy was applied to perform sub-ps optical switching. Based on the results, GL-PYP films are viable alternatives as IO active materials.

View Item