目前固體激光器的工作物質(zhì)至少有100多種，固體激光器的波長(zhǎng)也達(dá)到上百種，可以大大滿足各種科研、工業(yè)、航天以及軍事等領(lǐng)域的需求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全球激光市場(chǎng)對(duì)激光器的需求量正在以每年5%左右的速度增長(zhǎng)，激光器的年需求量超過(guò)100億元，其中固體激光器占有量達(dá)到20%以上。
固體激光器近年來(lái)在一些應(yīng)用領(lǐng)域仍大有作為，尤其是在激光雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)等熱門應(yīng)用領(lǐng)域。
01
醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，成像技術(shù)對(duì)疾病的診斷、監(jiān)控和研究具有十分重要的意義。在成像技術(shù)中，近年來(lái)異軍突起的光聲成像技術(shù)被認(rèn)為是一種有發(fā)展前景的成像模式。
光聲成像是一種基于生物組織內(nèi)部光學(xué)吸收差異、以超聲作媒介的無(wú)損生物光子成像方法，可以提供高對(duì)比度和高分辨率的組織影像，為研究生物組織的結(jié)構(gòu)形態(tài)、生理特征、代謝功能、病理特征等提供了重要手。
汪立宏教授與華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)師們共同將4種光聲成像技術(shù)應(yīng)用到了臨床，其中一種能觀察到前哨淋巴結(jié)活檢術(shù)，這對(duì)于乳腺癌發(fā)生階段具有重要意義。還有一種成像技術(shù)能監(jiān)控機(jī)體對(duì)化療的早期應(yīng)答，第三種技術(shù)則能成像黑色素瘤，最后一種能觀察消化道。
除此之外，光聲成像還可以利用彩色成像，反映化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能。比如說(shuō)檢測(cè)血紅蛋白的氧飽和度——當(dāng)其為亮紅色的時(shí)候，是氧含量充足的時(shí)候，而顏色變暗則代表血紅蛋白釋放了氧。在光聲成像技術(shù)中，532 nm高重頻固體脈沖激光器以及可調(diào)諧激光器得到廣泛應(yīng)用。
廈門大學(xué)聶立銘博士團(tuán)隊(duì)提供的光聲顯微鏡下的活體血管網(wǎng)絡(luò)分布圖，觀測(cè)單位達(dá)微米級(jí)別。
02
超分辨率熒光顯微系統(tǒng)
超分辨光學(xué)顯微鏡特指分辨率打破了光學(xué)顯微鏡分辨率極限（200 nm）的顯微鏡，在熒光分子幫助下，很容易幫助人們?cè)诩{米尺度進(jìn)行材料的光譜定量分析和活細(xì)胞的觀察。這一技術(shù)在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科擁有廣泛的應(yīng)用，對(duì)于理解生命過(guò)程和疾病發(fā)生機(jī)理具有重要意義。
國(guó)內(nèi)數(shù)十家單位都在進(jìn)行超分辨率顯微方面的研究工作，在研究上緊跟國(guó)際潮流，如北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、華中科技大學(xué)等。超分辨率顯微是研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)的利器，而利器中的關(guān)鍵之一就是激光光源，超分辨率熒光顯微技術(shù)中使用的固體激光器的波長(zhǎng)有561 nm和656 nm等。
圖為超分辨率熒光顯微系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)
03
激光醫(yī)療的應(yīng)用
隨著激光技術(shù)與醫(yī)學(xué)臨床技術(shù)的加速結(jié)合，全球醫(yī)用激光輸出功率越來(lái)越高，以滿足縮短手術(shù)時(shí)間、提高療效的需求。固體激光器、多波長(zhǎng)激光等新型激光開(kāi)始在臨床上得到應(yīng)用，推動(dòng)了醫(yī)用激光技術(shù)的發(fā)展。
國(guó)際上，Lumenis、WOM公司的Nd:YAG激光器用于眼科及泌尿外科治療；Lisa公司的銩激光器用于外科和泌尿外科；AMS、Lumenis生產(chǎn)的綠光激光器用于前列腺增生和眼科治療；Sction生產(chǎn)的鉺激光用于皮膚科治療；Asclepion生產(chǎn)的紅寶石激光器用于皮膚科治療；Sciton、Lumenis和Nidek生產(chǎn)的多波長(zhǎng)激光器用于皮膚科和眼科治療。
隨著國(guó)內(nèi)Nd:YAG激光、綠激光、黃激光、鉺激光、鈥激光、銩激光及多波長(zhǎng)固體激光等醫(yī)用激光技術(shù)的發(fā)展，中低功率成套激光醫(yī)療設(shè)備也開(kāi)始推向市場(chǎng)，展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。如561 nm，577 nm，671 nm激光器廣泛應(yīng)用于眼科治療。
577 nm固體激光器治療儀對(duì)患者眼部進(jìn)行治療
04
光遺傳學(xué)
藍(lán)光激光導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)白鼠
光遺傳學(xué)是結(jié)合了遺傳學(xué)技術(shù)及光學(xué)技術(shù)的多學(xué)科生物工程技術(shù)，具有獨(dú)特的高時(shí)空分辨率和細(xì)胞類型特異性，克服了傳統(tǒng)手段控制細(xì)胞或有機(jī)體活動(dòng)的許多缺點(diǎn)。光遺傳學(xué)研究使用的新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，比如大腦的嗅覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞等，將來(lái)還有可能發(fā)展出一系列中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新療法。
可精準(zhǔn)控制功率輸出且輸出功率穩(wěn)定，便于外加調(diào)制等特點(diǎn)，讓越來(lái)越多相關(guān)領(lǐng)域中的科研工作者借助光纖耦合輸出473 nm、589 nm、593.5 nm等固體激光器進(jìn)行光遺傳學(xué)研究。
自2010年開(kāi)始，光遺傳學(xué)技術(shù)得到飛速的發(fā)展，尤其是近幾年研究熱度一直高漲，研究力度加大，近一兩年國(guó)外科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始針對(duì)靈長(zhǎng)類動(dòng)物進(jìn)行相關(guān)光遺傳學(xué)研究，使用1 W左右的473 nm和589 nm固體激光器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年發(fā)表的光遺傳學(xué)相關(guān)論文達(dá)幾百篇。
05
高通量測(cè)序技術(shù)
作為最重要的生物學(xué)分析方法之一，DNA測(cè)序不僅為遺傳信息的及時(shí)和基因表達(dá)調(diào)控等基礎(chǔ)生物學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù)，而且在基因診斷和基因治療等應(yīng)用研究中也發(fā)揮著重要的作用。隨著科學(xué)的發(fā)展，傳統(tǒng)的Sanger測(cè)序技術(shù)的局限性日益突出。自2005年以來(lái)，以 Roche公司的454技術(shù)、Illumina公司的Solexa技術(shù)和ABI公司的SOLID技術(shù)為標(biāo)志的高通量測(cè)序技術(shù)相繼誕生。
高通量測(cè)序技術(shù)堪稱測(cè)序技術(shù)發(fā)展歷程的一個(gè)里程碑，該技術(shù)可以對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)DNA分子進(jìn)行同時(shí)測(cè)序。這使得對(duì)一個(gè)物種的轉(zhuǎn)錄組和基因組進(jìn)行細(xì)致全貌的分析成為可能，因此也稱其為深度測(cè)序或下一代測(cè)序技術(shù)。雖然高通量測(cè)序技術(shù)建立的時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展非?？?，已經(jīng)應(yīng)用于基因組，包括測(cè)序和表現(xiàn)基因組學(xué)以及功能基因組學(xué)研究的許多方面。
基因測(cè)序技術(shù)涉及化學(xué)、納米光子學(xué)和微流體方面的創(chuàng)新，共同推動(dòng)著激光器的發(fā)展，目前常用的測(cè)序激光波長(zhǎng)有488 nm、532 nm、577 nm、639 nm等激光器，輸出功率為1~10 W。測(cè)序是一個(gè)活躍的初期市場(chǎng)，具有難以估量的技術(shù)多樣化的可能性，給激光器制造商提出了更高的要求，要有能力提供擴(kuò)展范圍寬廣的客戶定制化系統(tǒng)，支持此行業(yè)的快速發(fā)展。
人類基因測(cè)序
06
流式細(xì)胞儀
流式細(xì)胞分析，又稱流式細(xì)胞術(shù)，是以高能量激光照射高速流動(dòng)狀態(tài)下被熒光色素染色的單細(xì)胞或微粒，測(cè)量其產(chǎn)生的散射光和發(fā)射熒光的強(qiáng)度，從而對(duì)細(xì)胞（或微粒）的物理、生理、生化、免疫、遺傳、分子生物學(xué)性狀及功能、狀態(tài)等進(jìn)行定性或定量檢測(cè)的一種現(xiàn)代細(xì)胞分析技術(shù)，在癌癥檢測(cè)、免疫學(xué)研究、血液學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。
流式細(xì)胞儀
低噪聲激光器
目前流式細(xì)胞的市場(chǎng)保持30%以上年增長(zhǎng)率，吸引了更多廠家進(jìn)場(chǎng)，如美國(guó)的Cytek，其主營(yíng)業(yè)務(wù)原本是為美國(guó)市場(chǎng)的存量BD用戶提供高性價(jià)比的改裝升級(jí)服務(wù)。全球流式市場(chǎng)的最大供應(yīng)商主要有BD、Beckman、Partec等。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，歐美的流式細(xì)胞儀占據(jù)著大部分市場(chǎng)份額，但隨著與國(guó)外先進(jìn)廠商的技術(shù)合作、國(guó)內(nèi)大量資金及國(guó)家政策的扶持，國(guó)產(chǎn)流式細(xì)胞儀初具規(guī)模；目前，我國(guó)已經(jīng)具備了發(fā)展流式細(xì)胞儀的資源優(yōu)勢(shì)，已初步具備了與國(guó)際品牌競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。
激光是流式細(xì)胞儀的最主要核心部件，目前市場(chǎng)上主要用的激光器有355 nm，360 nm，488 nm，532 nm，561 nm等。
07
手性拉曼
手性是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象，指一個(gè)物體不能與其鏡像相重合，常應(yīng)用在化學(xué)醫(yī)藥領(lǐng)域，例如手性藥物。
手性藥物的研究目前已成為國(guó)際新藥研究的新方向之一，近十多年來(lái)國(guó)際公布上市的重磅藥物中超過(guò)70%是手性藥物。世界各國(guó)對(duì)于手性藥物上市的手性對(duì)映體藥效的要求極其嚴(yán)格，因此，手性中間體及手性藥物的結(jié)果鑒定具有著“非同一般”的重要性。
2017年大連化物所李燦院士、馮兆池研究員團(tuán)隊(duì)主持完成的“電場(chǎng)、磁場(chǎng)調(diào)制的短波長(zhǎng)手性拉曼光譜儀研制”專項(xiàng)，在基于多年紫外拉曼光譜儀器研制的基礎(chǔ)上（紫外拉曼激光器波長(zhǎng)通常選用257 nm、261 nm、320 nm等），優(yōu)化選取了適合于手性拉曼光譜的457 nm固體激光作為光源，成功研制世界上第一臺(tái)短波長(zhǎng)手性拉曼光譜儀，同時(shí)填補(bǔ)了我國(guó)手性拉曼光譜技術(shù)的空白。
大連化物所研制的短波長(zhǎng)手性拉曼光譜儀
08
激光雷達(dá)及大氣監(jiān)測(cè)
大氣氣溶膠是研究大氣物理及氣候變化的一個(gè)非常重要的參數(shù)，其吸收、散射以及密度分布直接影響地球輻射平衡、大氣氣候環(huán)境變化以及空氣質(zhì)量污染指數(shù)。精細(xì)探測(cè)及研究氣溶膠的產(chǎn)生，輸送其光學(xué)和物理特性的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)研究大氣環(huán)境變化及提高自然災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)能力，特別是研究全球氣候變暖問(wèn)題、沙塵暴的預(yù)警預(yù)報(bào)及城市氣溶膠的物理光學(xué)特性具有重要的研究意義和社會(huì)效益。
目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建有多個(gè)激光雷達(dá)觀測(cè)站，包括意大利那不勒斯觀測(cè)站、美國(guó)激光雷達(dá)觀測(cè)站、印度尼西亞斯瑪特拉島觀測(cè)站等。而中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所自主研制的車載大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。
拉曼-米散射激光雷達(dá)
激光在氣體檢測(cè)方面的主要測(cè)量方法有直接吸收光譜法、調(diào)制光譜法、光聲光譜法等。比如檢測(cè)SO2氣體，SO2主要吸收譜集中在7.12~7.65 µm，這類激光器價(jià)格較昂貴，通過(guò)對(duì)比SO2的吸收譜，發(fā)現(xiàn)266 nm固體脈沖激光器對(duì)其有吸收，并成功驗(yàn)證266 nm脈沖激光器可以檢測(cè)SO2的濃度，且有較高的檢測(cè)靈敏度及響應(yīng)度，是檢測(cè)SO2的優(yōu)質(zhì)激光光源，山西大學(xué)已于2017年7月成功申報(bào)2項(xiàng)發(fā)明專利。
山西大學(xué)SO2檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)
09
紫外光刻技術(shù)
納米材料紫外光刻是利用激光的高相干性的特點(diǎn)，在感光材料上曝光出特定周期圖樣，制作出周期尺度在納米級(jí)的特殊材料。這類材料具備普通材料所沒(méi)有的特殊性能，在生物、醫(yī)療、光學(xué)、材料等領(lǐng)域都有重要作用。
常用的光刻光源是405 nm半導(dǎo)體激光器，不過(guò)該激光器不是單縱模模式，在長(zhǎng)時(shí)間曝光的過(guò)程中，激光的跳?，F(xiàn)象會(huì)使光刻曝光的圖樣變得模糊。目前新的發(fā)展趨勢(shì)是采用紫外單縱模激光器（波長(zhǎng)通常為260~360 nm)作為光刻光源。
相對(duì)于405 nm光源，紫外單縱模激光器的頻率更穩(wěn)定，相干性更好，波長(zhǎng)更短，在曝光質(zhì)量、材料敏感性等方面明顯優(yōu)于405 nm半導(dǎo)體激光器，而且光刻形成的納米材料特征尺寸更小，分辨率更高。目前很多科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行紫外單縱模激光光刻技術(shù)相關(guān)的研究，該技術(shù)已成為最近幾年的一個(gè)熱點(diǎn)應(yīng)用。
用360 nm單縱模激光器做的光刻樣品
360 nm單縱模激光器縱模測(cè)試
10
激光特種加工
目前市場(chǎng)上主流的激光加工設(shè)備的光源是光纖激光器和CO2激光器，但是在一些特殊的領(lǐng)域，固體端泵激光光源擁有其它激光器沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于如蛋類、水果、鉆石劃線等加工領(lǐng)域。
端泵532 nm打標(biāo)機(jī)標(biāo)刻的蘋果與雞蛋
很多蛋類、水果產(chǎn)品都需要在外殼上印上特有標(biāo)記，如廠家LOGO、生產(chǎn)日期、條碼等。用CO2激光器和端泵綠光激光器都可以對(duì)蛋殼打標(biāo)，但是標(biāo)刻后放置3~5天后，用CO2激光標(biāo)刻的雞蛋逐漸變質(zhì)、發(fā)臭，打標(biāo)位置腐爛，而用綠光激光器標(biāo)刻的雞蛋和蘋果沒(méi)有任何變化，經(jīng)過(guò)測(cè)試，雞蛋的保質(zhì)期也沒(méi)有受到影響。
紫外激光鉆石精細(xì)標(biāo)刻
紫外鉆石精細(xì)標(biāo)刻屬于冷加工，其標(biāo)刻的字體線條更細(xì)，速度更快，對(duì)于大部分鉆石而言不用再涂一遍標(biāo)刻液，省去了一道程序從而提高了標(biāo)刻效率，相信將對(duì)珠寶行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。
隨著人們生活水平的提高，對(duì)鉆石類的消費(fèi)也是越來(lái)越多，中國(guó)已經(jīng)是世界第二大鉆石消費(fèi)國(guó)，隨著鉆石珠寶行業(yè)的發(fā)展和紫外精細(xì)標(biāo)刻技術(shù)的進(jìn)步與成熟，紫外激光器在加工應(yīng)用領(lǐng)域未來(lái)幾年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間里將會(huì)增長(zhǎng)。
11
粒子圖像測(cè)速技術(shù)
粒子圖像測(cè)速技術(shù)即我們熟知的PIV技術(shù)，是一種基于流場(chǎng)圖像相關(guān)分析的測(cè)量技術(shù)，是一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無(wú)接觸式的流體力學(xué)測(cè)速方法，它克服了傳統(tǒng)手段單點(diǎn)測(cè)量的局限性，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點(diǎn)的速度分布信息，并可提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性。
隨著計(jì)算機(jī)、圖像處理技術(shù)尤其是激光器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，PIV技術(shù)在近10年來(lái)有了長(zhǎng)足發(fā)展，廣泛應(yīng)用在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、建筑工程、海岸工程、船體設(shè)計(jì)、環(huán)境研究、波動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。
隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的相關(guān)工程或產(chǎn)品都會(huì)借助PIV技術(shù)進(jìn)行完善與改進(jìn)，相應(yīng)地，對(duì)PIV用固體激光器的需求也會(huì)增加。PIV技術(shù)常用的激光器分為高功率綠光連續(xù)輸出激光器及脈沖激光器，一般為W級(jí)以上的輸出功率或是mJ級(jí)以上的脈沖輸出能量。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)PIV用20 W連續(xù)輸出532 nm固體激光器實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖
本文僅根據(jù)我們的部分市場(chǎng)調(diào)研及客戶實(shí)例列出了近年比較熱門的固體激光器一些應(yīng)用，還有很多尚未列舉的應(yīng)用領(lǐng)域。縱觀國(guó)內(nèi)外固體激光器的相關(guān)科研及產(chǎn)業(yè)化新聞及逐年增長(zhǎng)的固體激光器銷售量，我們相信固體激光器因?yàn)槠浔旧硖赜械墓鈱W(xué)參數(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，擁有眾多細(xì)分的應(yīng)用領(lǐng)域，是其它激光器暫時(shí)無(wú)法替代的，固體激光器的市場(chǎng)前景光明。
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