固体激光器的潜力已经挖掘殆尽?别闹了!

几年前曾有人认为固体激光器的潜力几乎已挖掘殆尽,常用的 Nd:YAG、钕玻璃和红宝石激光器的效率、输出功率等似乎已达到极限,室温频率调谐等问题不易解决。但近年来新的激光晶体、倍频晶体的开发和研究,抽运方式的改进,使得固体激光器的技能正朝着更好的、更广阔的方向迈进。

目前固体激光器的工作物质至少有100多种,固体激光器的波长也达到上百种,可以大大满足各种科研、工业、航天以及军事等领域的需求。据不完全统计全球激光市场对激光器的需求量正在以每年5%左右的速度增长,激光器的年需求量超过100亿元,其中固体激光器占有量达到20%以上。

固体激光器近年来在一些应用领域仍大有作为,尤其是在激光雷达、生物医学等热门应用领域。

01

医学光声成像技术

在生物医学领域中,成像技术对疾病的诊断、监控和研究具有十分重要的意义。在成像技术中,近年来异军突起的光声成像技术被认为是一种有发展前景的成像模式。

光声成像是一种基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法,可以提供高对比度和高分辨率的组织影像,为研究生物组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手。

汪立宏教授与华盛顿大学医学院的医师们共同将4种光声成像技术应用到了临床,其中一种能观察到前哨淋巴结活检术,这对于乳腺癌发生阶段具有重要意义。还有一种成像技术能监控机体对化疗的早期应答,第三种技术则能成像黑色素瘤,最后一种能观察消化道。

除此之外,光声成像还可以利用彩色成像,反映化学结构和功能。比如说检测血红蛋白的氧饱和度——当其为亮红色的时候,是氧含量充足的时候,而颜色变暗则代表血红蛋白释放了氧。在光声成像技术中,532 nm高重频固体脉冲激光器以及可调谐激光器得到广泛应用。

厦门大学聂立铭博士团队提供的光声显微镜下的活体血管网络分布图,观测单位达微米级别。

02

超分辨率荧光显微系统

超分辨光学显微镜特指分辨率打破了光学显微镜分辨率极限(200 nm)的显微镜,在荧光分子帮助下,很容易帮助人们在纳米尺度进行材料的光谱定量分析和活细胞的观察。这一技术在生物、化学、医学等多个学科拥有广泛的应用,对于理解生命过程和疾病发生机理具有重要意义。

国内数十家单位都在进行超分辨率显微方面的研究工作,在研究上紧跟国际潮流,如北京大学、中国科学院化学研究所、中国科学院生物物理研究所、华中科技大学等。超分辨率显微是研究细胞结构的利器,而利器中的关键之一就是激光光源,超分辨率荧光显微技术中使用的固体激光器的波长有561 nm和656 nm等。

图为超分辨率荧光显微系统测试的数据

03

激光医疗的应用

随着激光技术与医学临床技术的加速结合,全球医用激光输出功率越来越高,以满足缩短手术时间、提高疗效的需求。固体激光器、多波长激光等新型激光开始在临床上得到应用,推动了医用激光技术的发展。

国际上,Lumenis、WOM公司的Nd:YAG激光器用于眼科及泌尿外科治疗;Lisa公司的铥激光器用于外科和泌尿外科;AMS、Lumenis生产的绿光激光器用于前列腺增生和眼科治疗;Sction生产的铒激光用于皮肤科治疗;Asclepion生产的红宝石激光器用于皮肤科治疗;Sciton、Lumenis和Nidek生产的多波长激光器用于皮肤科和眼科治疗。

随着国内Nd:YAG激光、绿激光、黄激光、铒激光、钬激光、铥激光及多波长固体激光等医用激光技术的发展,中低功率成套激光医疗设备也开始推向市场,展现出良好的发展前景。如561 nm,577 nm,671 nm激光器广泛应用于眼科治疗。

577 nm固体激光器治疗仪对患者眼部进行治疗

04

光遗传学

蓝光激光导入实验白鼠

光遗传学是结合了遗传学技术及光学技术的多学科生物工程技术,具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性,克服了传统手段控制细胞或有机体活动的许多缺点。光遗传学研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉、视觉、触觉、听觉细胞等,将来还有可能发展出一系列中枢神经系统疾病的新疗法。

可精准控制功率输出且输出功率稳定,便于外加调制等特点,让越来越多相关领域中的科研工作者借助光纤耦合输出473 nm、589 nm、593.5 nm等固体激光器进行光遗传学研究。

自2010年开始,光遗传学技术得到飞速的发展,尤其是近几年研究热度一直高涨,研究力度加大,近一两年国外科研机构开始针对灵长类动物进行相关光遗传学研究,使用1 W左右的473 nm和589 nm固体激光器。据不完全统计,每年发表的光遗传学相关论文达几百篇。

05

高通量测序技术

作为最重要的生物学分析方法之一,DNA测序不仅为遗传信息的及时和基因表达调控等基础生物学研究提供重要数据,而且在基因诊断和基因治疗等应用研究中也发挥着重要的作用。随着科学的发展,传统的Sanger测序技术的局限性日益突出。自2005年以来,以 Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa技术和ABI公司的SOLID技术为标志的高通量测序技术相继诞生。

高通量测序技术堪称测序技术发展历程的一个里程碑,该技术可以对数百万个DNA分子进行同时测序。这使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的分析成为可能,因此也称其为深度测序或下一代测序技术。虽然高通量测序技术建立的时间不长,但发展非常快,已经应用于基因组,包括测序和表现基因组学以及功能基因组学研究的许多方面。

基因测序技术涉及化学、纳米光子学和微流体方面的创新,共同推动着激光器的发展,目前常用的测序激光波长有488 nm、532 nm、577 nm、639 nm等激光器,输出功率为1~10 W。测序是一个活跃的初期市场,具有难以估量的技术多样化的可能性,给激光器制造商提出了更高的要求,要有能力提供扩展范围宽广的客户定制化系统,支持此行业的快速发展。

人类基因测序

06

流式细胞仪

流式细胞分析,又称流式细胞术,是以高能量激光照射高速流动状态下被荧光色素染色的单细胞或微粒,测量其产生的散射光和发射荧光的强度,从而对细胞(或微粒)的物理、生理、生化、免疫、遗传、分子生物学性状及功能、状态等进行定性或定量检测的一种现代细胞分析技术,在癌症检测、免疫学研究、血液学、微生物学、分子生物学等领域中得到广泛的应用。

流式细胞仪

低噪声激光器

目前流式细胞的市场保持30%以上年增长率,吸引了更多厂家进场,如美国的Cytek,其主营业务原本是为美国市场的存量BD用户提供高性价比的改装升级服务。全球流式市场的最大供应商主要有BD、Beckman、Partec等。目前国内市场,欧美的流式细胞仪占据着大部分市场份额,但随着与国外先进厂商的技术合作、国内大量资金及国家政策的扶持,国产流式细胞仪初具规模;目前,我国已经具备了发展流式细胞仪的资源优势,已初步具备了与国际品牌竞争的基础。

激光是流式细胞仪的最主要核心部件,目前市场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种现象,指一个物体不能与其镜像相重合,常应用在化学医药领域,例如手性药物。

手性药物的研究目前已成为国际新药研究的新方向之一,近十多年来国际公布上市的重磅药物中超过70%是手性药物。世界各国对于手性药物上市的手性对映体药效的要求极其严格,因此,手性中间体及手性药物的结果鉴定具有着“非同一般”的重要性。

2017年大连化物所李灿院士、冯兆池研究员团队主持完成的“电场、磁场调制的短波长手性拉曼光谱仪研制”专项,在基于多年紫外拉曼光谱仪器研制的基础上(紫外拉曼激光器波长通常选用257 nm、261 nm、320 nm等),优化选取了适合于手性拉曼光谱的457 nm固体激光作为光源,成功研制世界上第一台短波长手性拉曼光谱仪,同时填补了我国手性拉曼光谱技术的空白。

大连化物所研制的短波长手性拉曼光谱仪

08

激光雷达及大气监测

大气气溶胶是研究大气物理及气候变化的一个非常重要的参数,其吸收、散射以及密度分布直接影响地球辐射平衡、大气气候环境变化以及空气质量污染指数。精细探测及研究气溶胶的产生,输送其光学和物理特性的时空变化规律,对研究大气环境变化及提高自然灾害的预警预报能力,特别是研究全球气候变暖问题、沙尘暴的预警预报及城市气溶胶的物理光学特性具有重要的研究意义和社会效益。

目前,国内外已经建有多个激光雷达观测站,包括意大利那不勒斯观测站、美国激光雷达观测站、印度尼西亚斯玛特拉岛观测站等。而中国科学院安徽光学精密机械研究所自主研制的车载大气环境监测激光雷达系统已达到了国际领先水平。

拉曼-米散射激光雷达

激光在气体检测方面的主要测量方法有直接吸收光谱法、调制光谱法、光声光谱法等。比如检测SO2气体,SO2主要吸收谱集中在7.12~7.65 µm,这类激光器价格较昂贵,通过对比SO2的吸收谱,发现266 nm固体脉冲激光器对其有吸收,并成功验证266 nm脉冲激光器可以检测SO2的浓度,且有较高的检测灵敏度及响应度,是检测SO2的优质激光光源,山西大学已于2017年7月成功申报2项发明专利。

山西大学SO2检测试验平台

09

紫外光刻技术

纳米材料紫外光刻是利用激光的高相干性的特点,在感光材料上曝光出特定周期图样,制作出周期尺度在纳米级的特殊材料。这类材料具备普通材料所没有的特殊性能,在生物、医疗、光学、材料等领域都有重要作用。

常用的光刻光源是405 nm半导体激光器,不过该激光器不是单纵模模式,在长时间曝光的过程中,激光的跳模现象会使光刻曝光的图样变得模糊。目前新的发展趋势是采用紫外单纵模激光器(波长通常为260~360 nm)作为光刻光源。

相对于405 nm光源,紫外单纵模激光器的频率更稳定,相干性更好,波长更短,在曝光质量、材料敏感性等方面明显优于405 nm半导体激光器,而且光刻形成的纳米材料特征尺寸更小,分辨率更高。目前很多科研机构都在进行紫外单纵模激光光刻技术相关的研究,该技术已成为最近几年的一个热点应用。

用360 nm单纵模激光器做的光刻样品

360 nm单纵模激光器纵模测试

10

激光特种加工

目前市场上主流的激光加工设备的光源是光纤激光器和CO2激光器,但是在一些特殊的领域,固体端泵激光光源拥有其它激光器没有的优势而被广泛应用于如蛋类、水果、钻石划线等加工领域。

端泵532 nm打标机标刻的苹果与鸡蛋

很多蛋类、水果产品都需要在外壳上印上特有标记,如厂家LOGO、生产日期、条码等。用CO2激光器和端泵绿光激光器都可以对蛋壳打标,但是标刻后放置3~5天后,用CO2激光标刻的鸡蛋逐渐变质、发臭,打标位置腐烂,而用绿光激光器标刻的鸡蛋和苹果没有任何变化,经过测试,鸡蛋的保质期也没有受到影响。

紫外激光钻石精细标刻

紫外钻石精细标刻属于冷加工,其标刻的字体线条更细,速度更快,对于大部分钻石而言不用再涂一遍标刻液,省去了一道程序从而提高了标刻效率,相信将对珠宝行业产生巨大影响。

随着人们生活水平的提高,对钻石类的消费也是越来越多,中国已经是世界第二大钻石消费国,随着钻石珠宝行业的发展和紫外精细标刻技术的进步与成熟,紫外激光器在加工应用领域未来几年甚至更长的时间里将会增长。

11

粒子图像测速技术

粒子图像测速技术即我们熟知的PIV技术,是一种基于流场图像相关分析的测量技术,是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法,它克服了传统手段单点测量的局限性,能在同一瞬态记录下大量空间点的速度分布信息,并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。

随着计算机、图像处理技术尤其是激光器产业的快速发展,PIV技术在近10年来有了长足发展,广泛应用在风洞实验、建筑工程、海岸工程、船体设计、环境研究、波动力学等领域。

随着社会的发展,越来越多的相关工程或产品都会借助PIV技术进行完善与改进,相应地,对PIV用固体激光器的需求也会增加。PIV技术常用的激光器分为高功率绿光连续输出激光器及脉冲激光器,一般为W级以上的输出功率或是mJ级以上的脉冲输出能量。

哈尔滨工业大学PIV用20 W连续输出532 nm固体激光器实验场景图

本文仅根据我们的部分市场调研及客户实例列出了近年比较热门的固体激光器一些应用,还有很多尚未列举的应用领域。纵观国内外固体激光器的相关科研及产业化新闻及逐年增长的固体激光器销售量,我们相信固体激光器因为其本身特有的光学参数特点和优势,拥有众多细分的应用领域,是其它激光器暂时无法替代的,固体激光器的市场前景光明。

选光电产品,就上光电汇

光电汇--光电产品一站式导购服务平台(www.oeshow.cn)

猜您喜欢