21类激光技术前沿应用（中）

近年来，以激光器为基础的激光产业在全球发展迅猛。据统计，每年和激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元。得益于应用领域的不断拓展，中国激光产业也逐渐驶入高速发展期。接着上期内容，小编将继续带大家一起探索“神奇激光世界”。

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光遗传学

光遗传学就是应用光来控制细胞的活性，已经被证明是神经科学中一种潜力无穷的研究工具。该技术整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。人们可以借助光遗传学技术对活体组织的特定细胞进行调控，开启或关闭某个已经被研究得非常清楚的细胞功能。

光遗传技术控制细胞的流程：首先向细胞内转入一个合适的光敏蛋白基因；以激光作为刺激媒介，在不同波长的激光照刺激下达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的（可以光纤输出局部刺激细胞，也可以空间光输出大范围刺激脑区）；最后收集输出信号，读取结果或者通过适当控制编程实现控制生物活动的效果。光遗传技术可以推广到所有类型的神经细胞，已经衍生出了几个富有前途的转化型研究领域，比如在神经病学的应用研究，可以用于眼病的治疗，神经修复学领域，心脏疾病，帕金森症等。

激光器要求：根据实验需求选择合适功率档，选配光纤跳线、陶瓷插针、可旋转光纤连接器、光纤支架等。

常用波长：405nm, 457nm, 473nm, 532nm, 561nm, 589nm, 635nm, 808nm, 980nm, 1064nm等。

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光动力治疗

光动力治疗（PDT）是继外科手术、化学治疗、放射治疗后出现的治疗肿瘤的新技术。具有创伤小、毒性低、选择性好、适用性高等优点。

其原理是应用一种给药方式给予光敏药物后，在一定时间间隔内采用特定波长的光源照射肿瘤部位；利用光敏药物的光敏化特性，使选择性聚集在肿瘤组织的光敏药物活化，在光源的激励下产生一系列的化学、物理、生物等光反应破坏肿瘤。新一代光动力疗法中的光敏药物会将能量传递给周围的氧，生成活性很强的单态氧。单态氧能与附近的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性进而杀伤肿瘤细胞。

光源是保证光动力治疗顺利实施的必要因素之一。而好的光源应该具备以下几个特点：（1）光波长处于光敏药物吸收峰附近，（2）光源在使用过程中需要有一定的组织穿透性，（3）光功率最好可调，（4）激光的输出可与光纤相结合使用，保证治疗靶向点更加精确等。总而言之，光动力治疗离不开高品质的光源，随着光动力治疗技术的日渐成熟，适用于光动力治疗的光源也将会随着科学研究技术的进步而日臻完善。

激光器要求：连续/脉冲输出，自由空间/光纤耦合输出可选。

常用波长：405nm, 457nm, 532nm, 561nm,  577nm, 589nm, 635nm, 808nm等。

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单细胞分选

单细胞分选具有无标记、非接触、准确率高、广泛适用等特点。利用激光与物质相互作用，非接触性地将附着在芯片上的目标单细胞从复杂的生物样本中弹射至接收装置中，从而实现直观、准确的单细胞分离。

与传统的流式细胞分选技术相比，单细胞分选：（1）可最大程度保持细胞本来的状态，实现精准分选。（2）可应对各种性状（不同类型、尺寸）的复杂生物样本，特别适用于微生物单细胞分选。（3）具有良好的兼容性，可与多种细胞识别装置耦合，实现特异性单细胞分选。例如：与共聚焦拉曼显微镜耦合，可根据拉曼光谱这一单细胞“分子指纹”，实现单细胞非标记识别与精准分选；与荧光显微镜耦合，可根据已知特异性表型单细胞的荧光标记，实现快速、精准分离；与光学显微镜耦合，可根据形态、大小、染色结果识别细胞，实现最直观的单细胞分选。

单细胞分选为环境、临床等复杂生物样本中的单细胞，特别是微生物分选提供先进可靠的技术手段。能够在单细胞水平上实现对目标微生物的分离，结合基因测序技术，建立单细胞表型与基因型的联系，突破了群落中功能基因难以验证这一生物学长久以来面临的困境；同时基于微生物单细胞的代谢机制研究，使未培养微生物的纯菌株获取成为可能，开创微生物单细胞基因组学研究的新方法，拓展人类对未知微生物世界的探索与资源利用。未来，单细胞激光分选将为微生物资源利用、疾病诊断、制药工程、健康管理等领域提供可靠的单细胞分选解决方案，推动单细胞研究领域快速发展，为生命科学打开一个全新世界。

激光器要求：脉冲输出，高能量稳定性。

常用波长：355nm，532nm等。

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金刚石NV色心高灵敏度探测

NV色心是金刚石中的一种发光点缺陷。一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空穴，这样的点缺陷被称为NV色心。NV色心存在着光致变色现象，在激光的泵浦下表现出较强的荧光，用不同波长激光泵浦时会观察到NV色心荧光强度和波长的变化。

NV色心独特且稳定的光学特性使其拥有广泛的应用前景。在量子信息领域，NV色心可以作为单光子源用于量子计算。在生物学领域，NV色心是完美的生物标识物，具有光学性能稳定，细胞毒性低的特点。NV色心作为具有量子敏感度的传感设备，还可应用于纳米尺度磁场、电场、温度、压力的探测等。

激光器要求：低噪声、脉冲激光器或连续激光器均可。

常用波长：532nm，589nm，637nm等。

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光致发光测定半导体材料组分

光致发光光谱（Photoluminescence Spectroscopy，简称PL谱），是一种探测材料电子结构的分析测试方法。具有非接触、无损伤、分辨率/灵敏度高等特点。

光致发光是指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子力学理论上讲，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回基态，同时放出光子的过程。物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导致发光。它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均可引起光致发光。光致发光的数量与类型依研究的物质与使用的激光波长而定。选择适当的激光波长一般可避免不必须要的荧光干扰。

目前，光致发光的光谱结构和光强是测量包括半导体材料在内的许多重要材料光学性质、电子能级结构等的重要手段。

主要组成：光源系统，分光系统，样品检测系统，数据采集及处理系统等。

常用波长：266nm，325nm，360nm，532nm，808nm，980nm等。

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钠激光导星

激光导星技术 （LGS）是现代大型天文望远镜自适应光学系统的重要组成部分，以钠激光导星发射的光信号波前为标准，测量该波前通过大气产生的相位畸变获得误差信号，通过变形镜校正补偿该误差，使望远镜的实际分辨率达到衍射极限，从而实现对观测目标的高分辨成像。近些年来迅速发展的钠激光导星技术在一定程度上弥补了自适应光学技术的缺点：（1）受大气湍流干扰无法达到理论上的衍射极限；（2）有时只能高清晰地观测有限的空间目标。

钠激光导星的作用就是在待观测目标附近激发足够亮的人造光源。海拔90-110 Km的大气中间层分布着一层厚度为10公里的钠原子层，通过波长为589.159nm高性能激光激发钠原子发出共振荧光，形成一颗人造的点光源，即称为激光钠导星。激光钠导星是国内外地基大口径望远镜自适应光学系统的重要组成部分，钠激光导星自适应光学系统是用于校正天文目标光波前畸变、大幅度扩大空间探测范围、提高地基光学望远镜成像分辨率的有力工具。该项技术在空间目标识别、空间激光通信和天文观测等领域都具有着重要的应用前景。 

2012年，由中科院长春光机所和新产业光电技术有限公司共同承担的所创新项目“钠激光导星实验系统及关键技术研究”项目顺利结题，成功捕获到钠激光导星图像，并已可长期稳定地进行观测实验。科研人员通过不懈努力，掌握了钠激光导星非线性和频激光器、微弱信号成像、导星数据分析方法等多项关键技术，为工程化实际应用奠定了坚实的基础。

主要组成：激光器、发射系统，接收系统，波前探测控制系统、图像采集系统等。

激光器要求：高功率、高光束质量、窄线宽、波长可调、高波长稳定性等。

常用波长：589.159nm。

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三维粒子图像测速（PIV）

PIV技术是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。

在流场中散播一些跟踪性与反光性良好的示踪粒子；用激光片光照射到所测流场的切面区域；通过成像记录系统连续摄取两次或多次曝光的粒子图像；再利用图像互关方法分析所拍摄的PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维流体速度分布。PIV技术广泛应用在风洞中的流场测量，湍流流场测定，颗粒流的研究等领域。

二维PIV技术近几年主要向着高频率、高精度的方向发展。除此之外，多相流PIV和微PIV也逐渐发展成熟。除此之外，在PIV技术出现以来，三维PIV一直是研究的重点方向，目前学者们也已提出了多种途径来实现三维流场的测量。三维PIV技术的逐步推广，对诸如非定常、非周期性三维流动研究具有重要现实意义。

主要组成：相机，激光器，图像数据采集系统，系统控制/图像数据分析软件。

激光器要求：片光源，连续/单脉冲/双脉冲输出，选配导光臂/光纤。

常用波长：405nm，447nm，532nm，671nm，808nm等。

读到文末，关于激光技术及应用的知识点和激光器的选型技巧您是否已经掌握？没有您想了解的应用？不要急，5月12日前小编将准时推送下一期。欲知后续应用，且看下期详解！