近年來，以激光器為基礎(chǔ)的激光產(chǎn)業(yè)在全球發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計，每年和激光相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)的市場價值高達上萬億美元。 得益于應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，中國激光產(chǎn)業(yè)也逐漸駛?cè)敫咚侔l(fā)展期。

本文將為大家介紹27類激光前沿應(yīng)用，并對激光器的選擇提供一些參考性建議 。

數(shù)字PCR（dPCR）

數(shù)字PCR是第三代PCR技術(shù)，是一種核酸分子絕對定量技術(shù)。與傳統(tǒng)qPCR技術(shù)相比，數(shù)字PCR(dPCR)具有：絕對定量、無需標準品、樣品需求低，高靈敏度，高耐受性等特點。

數(shù)字PCR一般包括兩部分內(nèi)容，即PCR擴增和熒光信號分析。在PCR 擴增階段，數(shù)字PCR一般需要將樣品稀釋到單分子水平，并平均分配到幾十至幾萬個單元中進行反應(yīng)，通過特定激光來激發(fā)出通道中的熒光信號。在擴增結(jié)束后對各個反應(yīng)單元的熒光信號進行統(tǒng)計學分析，最后通過直接計數(shù)或泊松分布公式計算得到樣品的原始濃度或含量。相對于qPCR技術(shù)，dPCR技術(shù)具備以下優(yōu)勢： （1）靈敏度可達單個核酸分子：檢測限低至0.001%；（2）無需標準品/標準曲線，即可對靶分子起始量進行絕對定量；（3）特別適合基質(zhì)復(fù)雜樣品的檢測；（4）能夠有效區(qū)分濃度差異（變化）微小的樣品，有更好的準確度、精密度和重復(fù)性。 目前，數(shù)字PCR技術(shù)在病原體檢測、癌癥生物標志物研究和拷貝數(shù)變異分析、基因表達分析、環(huán)境監(jiān)測、食品檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

常見的數(shù)字PCR(dPCR)技術(shù)主要有兩種：微滴式dPCR(ddPCR)和芯片式dPCR(cdPCR)。兩者基本原理相同，由于芯片式dPCR制造芯片的成本較高，目前微滴式dPCR以更低成本、更實用的優(yōu)勢，正越來越受到企業(yè)的認可。微滴式dPCR(ddPCR)也在此次疫情防控中有力推動了對疑似疫情感染患者的甄別工作。

主要組成：熒光通道、激光器、光學檢測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

激光器選擇：高功率穩(wěn)定性，光斑高斯分布。

常用波長：405nm，473nm，532nm，639nm等。

流式細胞術(shù)

流式細胞術(shù)是一項集激光技術(shù)、電子物理、流體力學、光電測量技術(shù)、計算機技術(shù)、單克隆抗體技術(shù)為一體的新型高科技技術(shù)，被譽為實驗室的“CT”，是一種可以對細胞(或亞細胞)結(jié)構(gòu)進行快速測量的新型分析技術(shù)和分選技術(shù)。

通過快速測定庫爾特電阻、熒光、光散射和光吸收來定量測定細胞 DNA含量、細胞體積、蛋白質(zhì)含量、酶活性、細胞膜受體和表面抗原等許多重要參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)將不同性質(zhì)的細胞分開，以獲得供生物學和醫(yī)學研究用的純細胞群體。隨著流式細胞技術(shù)水平的不斷提高，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。流式細胞術(shù)已普遍應(yīng)用于免疫學、血液學、腫瘤學、細胞生物學、細胞遺傳學、生物化學等臨床醫(yī)學和基礎(chǔ)醫(yī)學研究領(lǐng)域。

主要組成：液流系統(tǒng)，光路系統(tǒng)，信號測量和細胞分選等。

激光器要求：高穩(wěn)定性，低噪聲，定制光斑。

常用波長：355nm，360nm，405nm，473nm，488nm，532nm，561nm，593.5nm，640nm，671nm，785nm等。

熒光顯微成像&共聚焦顯微成像

熒光顯微技術(shù)是利用激光作為激發(fā)光源激發(fā)熒光基團產(chǎn)生熒光而成像，產(chǎn)生的熒光波長一般與激發(fā)光不同。它與一般光學顯微鏡一樣是場激發(fā)，因而只能面成像。

共聚焦顯微技術(shù)是在熒光顯微分析技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用熒光顯微鏡可以對生物樣品發(fā)出的熒光進行觀察和分析。但是熒光顯微鏡收集到的是樣品的整體熒光，來自樣品內(nèi)不同部位的熒光信號相互干擾、難以區(qū)分，無法獲得準確的定位和定量信息。

共聚焦顯微技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，這一技術(shù)可以獲取細胞內(nèi)某個薄層面上的熒光信息，而該層以外的信號被消除掉，成像清晰程度大大提高。結(jié)合計算機自動控制，可以對熒光信號的分布、強度和動態(tài)變化進行全方位的分析，得到豐富的信息。與傳統(tǒng)顯微鏡相比，共聚焦顯微鏡可抑制圖像的模糊，獲得清晰的圖像；具有更高的軸向分辨率，并可獲取連續(xù)光學切片，增加側(cè)向分辨率；點對點掃描，去除了雜散光的影響。其應(yīng)用領(lǐng)域擴展到細胞學、微生物學、發(fā)育生物學、遺傳學、神經(jīng)生物學、生理和病理學等學科的研究工作中，成為現(xiàn)代生物學微觀研究的重要工具。

3D掃描與打印

3D掃描技術(shù)：3D激光掃描技術(shù)是是測繪領(lǐng)域繼“GPS定位技術(shù)”后的又一項技術(shù)革新。其利用激光掃描系統(tǒng)快速、自動、實時獲取目標表面三維數(shù)據(jù)。近年來，隨著掃描設(shè)備和應(yīng)用軟件的不斷發(fā)展與完善，3D掃描技術(shù)具有更高的便捷度及測繪精準度。該技術(shù)的應(yīng)用已從初期的測量領(lǐng)域，拓展到工業(yè)制造、交通建設(shè)、社會治理以及安全監(jiān)管等多個方面，被廣泛認為是“大數(shù)據(jù)”時代基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)之一。

目前我國已經(jīng)成功的掌握了“機載3D掃描技術(shù)”，這標志著我國在3D掃描領(lǐng)域成功躋身國際一流水平。

3D打印技術(shù)：3D打印學名增材制造（AM），以計算機三維設(shè)計模型為藍本；通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)；利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。

3D打印的優(yōu)勢和核心在于可以打印任何復(fù)雜幾何、鏤空形狀，小批量個性化定制、一體成型等。3D打印的核心技術(shù)有FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA光固化技術(shù)、SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)這三種為常用類型?？梢哉f3D打印在很大程度上顛覆了傳統(tǒng)制造行業(yè)，是科技時代的產(chǎn)物。

激光器要求：優(yōu)光束質(zhì)量，選配擴束器。

常用波長：355nm，360nm，405nm，488nm， 532nm，1064nm等。

星載激光雷達

激光雷 達是 以激光作為載波，以光電探測器為接受器件，以光學望遠鏡為天線的雷達。利用光頻波段的電磁波先向目標發(fā)射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發(fā)射信號相比較，從而獲得 目標 的位置(距離、方位和高度)、運動狀態(tài)(速度、姿態(tài))等信息，實現(xiàn)對目標的探測、跟蹤和識別。 激光雷達相較于傳統(tǒng)雷達，以精準的空間分辨率、精確的時間分辨率、超遠的探測距離等特點成為了先進的主動遙感工具。

目前，世界上主要的空間大國都在開展 星載激光雷達 的研究。與機載激光雷達相比，星載激光雷達具有許多不可替代的優(yōu)勢。 星載激光雷達采用衛(wèi)星平臺，運行軌道高、觀測范圍廣、可以觸及世界的每一個角落，為三維控制點和數(shù)字地面模型獲取提供了新的途徑，對于科學研究具有十分重大的意義。

上海光機所研制的星載激光雷達系統(tǒng)是我國首顆星載激光雷達基本載核系統(tǒng)。采用3波長體制、5通道探測：1572nm-1通道，532nm3通道，1064nm1通道，可以實現(xiàn)對二氧化碳的濃度，氣溶膠、云的偏振等特性的探測。其整體設(shè)計性能指標優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，實現(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑的跨越。

星載激光雷達 的迅速發(fā)展，體現(xiàn)出這個新興探測方式所具有的獨特潛力。研 究和解決星載激光雷達的關(guān)鍵技術(shù)，建立起自己的星載激光雷達系統(tǒng)。將為我國的天體觀察、地形地貌測量、海洋科學以及空間探測等科學研究提供必要的手段，具有重要的科學和應(yīng)用價值，是提升我國空間科研水平和綜合國力強有力的保障。

主要組成：激光器， 發(fā)射系統(tǒng)，接收系統(tǒng)，信息處理等。

激光器要求：窄脈寬，高光束質(zhì)量，高波長、能量穩(wěn)定性、高偏振比，高單脈沖能量。

常用波長：1572nm, 1550nm, 1064nm, 532nm, 355nm, 266nm等。

激光粒度分析

激光粒度分析 是一種新型的顆粒測量技術(shù)，結(jié)合了激光技術(shù)、光電技術(shù)、精密機械和計算機技術(shù)。具有響應(yīng)速度快、測試范圍寬、重復(fù)性好等特點。不僅可以測量固 體顆粒還可以測量液體顆粒，可測量到微米甚至納米級的顆粒大小。

激光束照射到顆粒上發(fā)生衍射，衍射后激光會偏移原有的傳播路徑；根據(jù)Furanhofer衍射理論，顆粒越大偏移量越大，經(jīng)過聚焦鏡聚焦到后焦平面的多元光電探測器，通過探測到衍射光的位置以及強度；再利用Mie散射理論分析出顆粒的大小以及數(shù)量。測試過程不受溫度變化、介質(zhì)黏度，試樣密度及表面狀態(tài)等諸多因素的影響，只要將待測樣品均勻地展現(xiàn)于激光束中，即可獲得準確的測試結(jié)果。 目前激光粒度分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于粉末冶金、薄膜分析、海洋分析、環(huán)境檢測等領(lǐng)域。

主要組成：激光器，分散系統(tǒng)，光路系統(tǒng)等。

激光器要求：高功率穩(wěn)定性，高重復(fù)性，優(yōu)光束質(zhì)量，環(huán)境適應(yīng)性強，波長越短測量精度越高，可配光學平臺使用保證光路的穩(wěn)定。

常用波長：532nm，633nm（可替代氦氖激光器）。

量子通信

量子通信 是一項融合了現(xiàn)代物理學和光通信技術(shù)研究成果的量子技術(shù)。傳統(tǒng)的激光通信是用激光本身來傳信息，而量子通信是用激光來產(chǎn)生密鑰，然后利用量子態(tài)和量子糾纏效應(yīng)進行信息或密鑰傳輸?shù)男滦屯ㄓ嵎绞?。量子通信方式很難被監(jiān)控及竊聽，具有其他通訊方式不具備的安全性。量子密鑰分發(fā)根據(jù)所利用量子狀態(tài)特性的不同，可以分為基于測量和基于糾纏態(tài)兩種?；诩m纏態(tài)的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應(yīng)，即兩個經(jīng)過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態(tài)被測量時，同時會得到另一個粒子的狀態(tài)。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。

中國作為全球第二大經(jīng)濟體，在量子科學領(lǐng)域其實起步并不算早，但卻發(fā)展的很快。 2016年，中國發(fā)射世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星——“墨子號”。完成了包括千公里級的量子糾纏分發(fā)、星地的高速量子秘鑰分發(fā)，以及地球的量子隱形傳態(tài)等預(yù)定的科學目標。2017年，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”的正式開通，成功實現(xiàn)人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通信。干線全長2000余公里，全線路密鑰率大于20千比特/秒可同時供上萬用戶密鑰分發(fā)。2020年，祝世寧院士團隊完成了首個基于無人機平臺的量子糾纏分發(fā)實驗，該系統(tǒng)量子糾纏光源每秒可產(chǎn)生240萬對糾纏光子，能夠與高空無人機、高空氣球建立長距離鏈路，并與現(xiàn)有的光纖和衛(wèi)星量子網(wǎng)絡(luò)連接，解決量子網(wǎng)絡(luò)不同層次之間全天候、廣覆蓋的問題。

近年來， 量子通信技術(shù)已逐步從理論走向?qū)嶒?，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注，量子信息技術(shù)已成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

激光器要求：光點穩(wěn)定性好，光斑優(yōu)，偏振比高等。

常用波長：405nm，488nm，520nm，532nm，635nm，1064nm等。

免疫濁度測定

免疫濁度測定是將現(xiàn)代光學測量儀器與自動分析檢測系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于沉淀反應(yīng)的免疫檢測技術(shù)中的一種重要手段。當可溶性抗原與相應(yīng)的抗體特異結(jié)合，在二者比例合適、并有一定濃度的電解質(zhì)存在時，可以形成不溶性的免疫復(fù)合物，使反應(yīng)液出現(xiàn)濁度。這種濁度可用肉眼或儀器測知，并可通過濁度推算出復(fù)合物的量，即抗原或抗體的量。免疫濁度測定是定量測定微量抗原物質(zhì)的一種高靈敏度、快速的自動化免疫分析技術(shù)。可對各種液體介質(zhì)中的微量抗原、抗體和藥物及其他小分子半抗原物質(zhì)定量測定。

按測量方式可分為光透射免疫比濁法和光散射免疫比濁法。光透射免疫比濁法測量透過光的強度。該方法操作簡便，結(jié)果準確，能用全自動化或半自動化的儀器進行分析。但靈敏度低于散射比濁法、且抗體用量較大、耗時較長，不宜用于藥物半抗原的檢測。光散射免疫比濁法測量散射光的強度。該方法避免了透射光中所含有的透射、散射甚至折射等雜信號成分的影響，靈敏性和特異性均優(yōu)于透射比濁法。該方法：（1）入射波長越短，散射光越強，（2）散射光強度與粒子的濃度和體積成正比，（3）散射光強度隨焦點至檢測器距離的平方和而下降。

目前免疫濁度技術(shù)主要用于各種蛋白質(zhì)、載脂蛋白、半抗原(如激素、毒物和各種治療性藥物等)及微生物等檢測。

激光器要求：高功率穩(wěn)定性、高波長穩(wěn)定性等。

常用波長：532nm，635nm，639nm，671nm，940nm等。

單分子定位顯微成像

在單分子定位顯微成像技術(shù)出現(xiàn)之前由于顯微鏡的“阿貝極限”或“衍射極限”限制，科學家無法清楚地觀察到小于200 nm的結(jié)構(gòu) 。單分子定位顯微成像技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率極限，實現(xiàn)了高達橫向10-20 nm，縱向20-50 nm的空間分辨率，為人們在單分子水平上觀測、研究細胞內(nèi)的精細結(jié)構(gòu)和功能提供了強有力的研究工具，極大地促進了生命科學的發(fā)展。

單分子定位顯微成像過程如下：激光照射到熒光樣品上，樣品經(jīng)過激發(fā)后發(fā)射的熒光和少量的激光經(jīng)過一系列光學濾波成像系統(tǒng)和算法的處理，經(jīng)過CCD探測系統(tǒng)，最終成像在屏幕上。 熒光的產(chǎn)生是這個系統(tǒng)一個重要的環(huán)節(jié)，熒光的波長直接影響了這個系統(tǒng)的大部分參數(shù)。這里簡單介紹下熒光，熒光是由某種熒光分子（熒光素）通過吸收特定波長范圍的光（或電磁波），并受激發(fā)出的光波（或電磁波）。一般情況下，吸收的波長要短于發(fā)射的波長，也即吸收的能量要高于發(fā)射的能量，且吸收光譜與發(fā)射光譜有某種對稱性。

2019年，我國科學家研發(fā)了一種新型的干涉單分子定位顯微鏡技術(shù)，被稱為重復(fù)光學選擇性曝光，通過六種不同方向和相位干涉條紋來判斷熒光分子的精確位置信息。使得顯微鏡的分辨率提升到3nm以內(nèi)的分子尺度，單分子定位精度接近1nm。該項技術(shù)的研發(fā)，將解析生物分子的水平大大提高。

激光器要求：高亮度、高效率、長壽命、無污染、無雜斑等。

常用波長： 257nm，360nm，405nm，430nm，457nm，532nm，545nm，561nm，579nm，647nm，671nm，800nm~1000nm寬帶光源等。

熒光漂白恢復(fù)

熒光漂白恢復(fù)技術(shù)是使用親脂性或親水性的熒光分子，用于檢測所標記分子在活體細胞表面或細胞內(nèi)部運動及其遷移速率的一種技術(shù)。該技術(shù)的基本要求是：（1）選擇合適的熒光探針，（2）具備精確可控的激光激發(fā)和熒光檢測設(shè)備。

利用熒光探針進行標記，借助于高強度脈沖激光來照射細胞某一區(qū)域，目的是使該區(qū)域熒光分子的光猝滅。一段時間后，該區(qū)域周圍的非猝滅熒光分子會以一定的速率向受照射區(qū)域擴散，這個擴散速率可通過低強度激光掃描探測，可檢測該小分子是否有擴散現(xiàn)象。（注：漂白前和漂白后恢復(fù)都用盡可能弱的激光掃描全細胞，目的是得到掃描圖像而不引起熒光。）在整個過程中，監(jiān)測漂白區(qū)域在各時間段的熒光強度變化并繪制曲線，從恢復(fù)曲線及其數(shù)據(jù)就可以得到關(guān)于分子遷移速率、動態(tài)分子比例等信息。 熒光漂白恢復(fù)技術(shù)與其它技術(shù)結(jié)合（如：共聚焦激光掃描顯微術(shù)可以控制光猝滅作用，實時監(jiān)測分子擴散率和恢復(fù)速率，反映細胞結(jié)構(gòu)和活動機制），為研究細胞膜的流動性提供了新的手段。

目前， 熒光漂白恢復(fù)技術(shù) 已發(fā)展成為定量測定細胞膜分子的流動性的方法之一。廣泛用于研究細胞膜表面受體的結(jié)合和解離速率常數(shù)及遷移速率，細胞骨架構(gòu)成，核膜結(jié)構(gòu)，跨膜大分子遷移率，細胞間通訊等領(lǐng)域。

激光器要求：光斑優(yōu)，高峰值功率（漂白階段），低功率（漂白前/后）等。

常用波長：488nm，532nm，635nm，770-840nm可調(diào)諧激光器等。

鉆石精密刻劃

鉆石是世界上最堅硬的物質(zhì)，而在小體積鉆石表面上實現(xiàn)精密刻劃，對于一般的鉆石刻劃方法來說具有極高的難度。鉆石激光精密刻劃克服了其它鉆石刻劃方法的弊端，用激光進行鉆石精密刻劃。具有標定速度快，可隨意選擇字符和圖案，字跡清晰美觀，對鉆石的光澤度和純度不產(chǎn)生任何影響的特點，在鉆石乃至珠寶行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

鉆石激光精密刻劃包括標線和微刻兩部分。激光鉆石標線：激光束經(jīng)過振鏡系統(tǒng)，再經(jīng)物鏡聚焦于物件的表面，計算機控制振鏡運動，實現(xiàn)光束按照設(shè)定的路徑移動并在未加工的鉆石表面刻蝕、形成標線，進而再進行切割加工。鉆石激光微刻：光學系統(tǒng)將鉆石成像于CCD的像元面上，CCD采集其圖像并顯示在計算機屏幕上，用于選取刻字的位置。然后再利用激光器輸出高峰值功率的激光，經(jīng)過光學系統(tǒng)形成直徑很小的光斑并聚焦到鉆石的表面，在局部形成高能量密度的光輻照，使鉆石氣化或石墨化，達到打標的目的。鉆石激光微刻機采用物件移動的方式進行掃描，電動平移臺將物件按照設(shè)定的路徑作二維移動，從而實現(xiàn)激光光束聚焦于物件表面刻蝕，形成指定的文字或圖案。

中國鉆石珠寶行業(yè)從20世紀90年代便開始進入一個迅猛的發(fā)展期，其中鉆石業(yè)的發(fā)展速度更是驚人！小編相信，鉆石激光精密刻劃未來定會炙手可熱！

激光器要求：高重復(fù)性，優(yōu)光束質(zhì)量等。

常用波長： 1064nm，355nm等。

多普勒血流成像

激光多普勒血流成像 是一種無創(chuàng)組織血流檢測手段，也是是一項以大范圍體表圖象顯示微循環(huán)狀態(tài)的新技術(shù)?；诩す庥龅窖毎麜a(chǎn)生相移的原理，激光多普勒可以給出血流量、血流速度、血細胞濃度等。

該技術(shù)基于發(fā)射激光通過光纖傳輸，激光束被所研究組織散射后有部分光被吸收。擊中組織中運動血細胞的激光波長發(fā)生了改變（即多普勒頻移），而擊中靜止組織的激光波長沒有改變。這些波長改變的強度和頻率分布與監(jiān)測體積內(nèi)的血細胞數(shù)量、濃度和移動速度直接相關(guān)（頻移大小與運動速度成正比, 散射光強度與運動的紅細胞數(shù)量成正比）。通過接收光纖，這些信息被記錄并且轉(zhuǎn)換為電信號進行分析，利用計算機系統(tǒng)中各種圖像處理分析軟件存儲 、分析處理后，輸出反應(yīng)血流情況的數(shù)據(jù)和反映血流與時間關(guān)系的曲線圖。 相比于光學微循環(huán)技術(shù)， 激光多普勒血流成像技術(shù)可以測量體表任何部位的微循環(huán)。相比于超聲多普勒，激光多普勒除了無創(chuàng)還可以檢測組織的微循環(huán)和人情緒激動時血液灌注的快速變化。

激光多普勒血流成像技術(shù) 目前已廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、皮膚、肌肉、胃腸道、肝、胰、腎、肺、脾、眼、耳、鼻以及骨骼等幾乎全身各個臟器的實驗或臨床組織微循環(huán)血流動力學研究，對疾病診斷、健康評價、藥物評價等有重要意義。

激光器要求：光纖輸出，連續(xù)/脈沖輸出等。

常用波長： 650nm，660nm，785nm 等。