目前固體激光器的工作物質(zhì)至少有100多種，固體激光器的波長也達到上百種，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)計全球激光市場對激光器的需求量正在以每年5%左右的速度增長，激光器的年需求量超過100億元，其中固體激光器占有量達到20%以上。

固體激光器近年來在一些應(yīng)用領(lǐng)域仍大有作為，尤其是在激光雷達、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，近年來異軍突起的光聲成像技術(shù)被認為是一種有發(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、以超聲作媒介的無損生物光子成像方法，可以提供高對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)控機體對化療的早期應(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。比如說檢測血紅蛋白的氧飽和度——當(dāng)其為亮紅色的時候，是氧含量充足的時候，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)聶立銘博士團隊提供的光聲顯微鏡下的活體血管網(wǎng)絡(luò)分布圖，觀測單位達微米級別。

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，很容易幫助人們在納米尺度進行材料的光譜定量分析和活細胞的觀察。這一技術(shù)在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科擁有廣泛的應(yīng)用，對于理解生命過程和疾病發(fā)生機理具有重要意義。

國內(nèi)數(shù)十家單位都在進行超分辨率顯微方面的研究工作，在研究上緊跟國際潮流，如北京大學(xué)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、中國科學(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有561 nm和656 nm等。

圖為超分辨率熒光顯微系統(tǒng)測試的數(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越高，以滿足縮短手術(shù)時間、提高療效的需求。固體激光器、多波長激光等新型激光開始在臨床上得到應(yīng)用，推動了醫(yī)用激光技術(shù)的發(fā)展。

國際上，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)的多波長激光器用于皮膚科和眼科治療。

隨著國內(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)備也開始推向市場，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患者眼部進行治療

04

光遺傳學(xué)

藍光激光導(dǎo)入實驗白鼠

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)，具有獨特的高時空分辨率和細胞類型特異性，克服了傳統(tǒng)手段控制細胞或有機體活動的許多缺點。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)細胞，比如大腦的嗅覺、視覺、觸覺、聽覺細胞等，將來還有可能發(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，讓越來越多相關(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等固體激光器進行光遺傳學(xué)研究。

自2010年開始，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，近一兩年國外科研機構(gòu)開始針對靈長類動物進行相關(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，每年發(fā)表的光遺傳學(xué)相關(guān)論文達幾百篇。

05

高通量測序技術(shù)

作為最重要的生物學(xué)分析方法之一，DNA測序不僅為遺傳信息的及時和基因表達調(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測序技術(shù)的局限性日益突出。自2005年以來，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)志的高通量測序技術(shù)相繼誕生。

高通量測序技術(shù)堪稱測序技術(shù)發(fā)展歷程的一個里程碑，該技術(shù)可以對數(shù)百萬個DNA分子進行同時測序。這使得對一個物種的轉(zhuǎn)錄組和基因組進行細致全貌的分析成為可能，因此也稱其為深度測序或下一代測序技術(shù)。雖然高通量測序技術(shù)建立的時間不長，但發(fā)展非?？?，已經(jīng)應(yīng)用于基因組，包括測序和表現(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，共同推動著激光器的發(fā)展，目前常用的測序激光波長有488 nm、532 nm、577 nm、639 nm等激光器，輸出功率為1~10 W。測序是一個活躍的初期市場，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。

人類基因測序

06

流式細胞儀

流式細胞分析，又稱流式細胞術(shù)，是以高能量激光照射高速流動狀態(tài)下被熒光色素染色的單細胞或微粒，測量其產(chǎn)生的散射光和發(fā)射熒光的強度，從而對細胞（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)等進行定性或定量檢測的一種現(xiàn)代細胞分析技術(shù)，在癌癥檢測、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。

流式細胞儀

低噪聲激光器

目前流式細胞的市場保持30%以上年增長率，吸引了更多廠家進場，如美國的Cytek，其主營業(yè)務(wù)原本是為美國市場的存量BD用戶提供高性價比的改裝升級服務(wù)。全球流式市場的最大供應(yīng)商主要有BD、Beckman、Partec等。目前國內(nèi)市場，歐美的流式細胞儀占據(jù)著大部分市場份額，但隨著與國外先進廠商的技術(shù)合作、國內(nèi)大量資金及國家政策的扶持，國產(chǎn)流式細胞儀初具規(guī)模；目前，我國已經(jīng)具備了發(fā)展流式細胞儀的資源優(yōu)勢，已初步具備了與國際品牌競爭的基礎(chǔ)。

激光是流式細胞儀的最主要核心部件，目前市場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際新藥研究的新方向之一，近十多年來國際公布上市的重磅藥物中超過70%是手性藥物。世界各國對于手性藥物上市的手性對映體藥效的要求極其嚴格，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、馮兆池研究員團隊主持完成的“電場、磁場調(diào)制的短波長手性拉曼光譜儀研制”專項，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短波長手性拉曼光譜儀，同時填補了我國手性拉曼光譜技術(shù)的空白。

大連化物所研制的短波長手性拉曼光譜儀

08

激光雷達及大氣監(jiān)測

大氣氣溶膠是研究大氣物理及氣候變化的一個非常重要的參數(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)。精細探測及研究氣溶膠的產(chǎn)生，輸送其光學(xué)和物理特性的時空變化規(guī)律，對研究大氣環(huán)境變化及提高自然災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報能力，特別是研究全球氣候變暖問題、沙塵暴的預(yù)警預(yù)報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效益。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)建有多個激光雷達觀測站，包括意大利那不勒斯觀測站、美國激光雷達觀測站、印度尼西亞斯瑪特拉島觀測站等。而中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所自主研制的車載大氣環(huán)境監(jiān)測激光雷達系統(tǒng)已達到了國際領(lǐng)先水平。

拉曼-米散射激光雷達

激光在氣體檢測方面的主要測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SO2氣體，SO2主要吸收譜集中在7.12~7.65 µm，這類激光器價格較昂貴，通過對比SO2的吸收譜，發(fā)現(xiàn)266 nm固體脈沖激光器對其有吸收，并成功驗證266 nm脈沖激光器可以檢測SO2的濃度，且有較高的檢測靈敏度及響應(yīng)度，是檢測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2項發(fā)明專利。

山西大學(xué)SO2檢測試驗平臺

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，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的特殊材料。這類材料具備普通材料所沒有的特殊性能，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，不過該激光器不是單縱模模式，在長時間曝光的過程中，激光的跳?，F(xiàn)象會使光刻曝光的圖樣變得模糊。目前新的發(fā)展趨勢是采用紫外單縱模激光器（波長通常為260~360 nm)作為光刻光源。

相對于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。目前很多科研機構(gòu)都在進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熱點應(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試

10

激光特種加工

目前市場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有的優(yōu)勢而被廣泛應(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)刻的雞蛋和蘋果沒有任何變化，經(jīng)過測試，雞蛋的保質(zhì)期也沒有受到影響。

紫外激光鉆石精細標(biāo)刻

紫外鉆石精細標(biāo)刻屬于冷加工，其標(biāo)刻的字體線條更細，速度更快，對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，相信將對珠寶行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

隨著人們生活水平的提高，對鉆石類的消費也是越來越多，中國已經(jīng)是世界第二大鉆石消費國，隨著鉆石珠寶行業(yè)的發(fā)展和紫外精細標(biāo)刻技術(shù)的進步與成熟，紫外激光器在加工應(yīng)用領(lǐng)域未來幾年甚至更長的時間里將會增長。

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粒子圖像測速技術(shù)

粒子圖像測速技術(shù)即我們熟知的PIV技術(shù)，是一種基于流場圖像相關(guān)分析的測量技術(shù)，是一種瞬態(tài)、多點、無接觸式的流體力學(xué)測速方法，它克服了傳統(tǒng)手段單點測量的局限性，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點的速度分布信息，并可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)以及流動特性。

隨著計算機、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年來有了長足發(fā)展，廣泛應(yīng)用在風(fēng)洞實驗、建筑工程、海岸工程、船體設(shè)計、環(huán)境研究、波動力學(xué)等領(lǐng)域。

隨著社會的發(fā)展，越來越多的相關(guān)工程或產(chǎn)品都會借助PIV技術(shù)進行完善與改進，相應(yīng)地，對PIV用固體激光器的需求也會增加。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級以上的輸出功率或是mJ級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固體激光器實驗場景圖

本文僅根據(jù)我們的部分市場調(diào)研及客戶實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?？v觀國內(nèi)外固體激光器的相關(guān)科研及產(chǎn)業(yè)化新聞及逐年增長的固體激光器銷售量，我們相信固體激光器因為其本身特有的光學(xué)參數(shù)特點和優(yōu)勢，擁有眾多細分的應(yīng)用領(lǐng)域，是其它激光器暫時無法替代的，固體激光器的市場前景光明。