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27类激光技术前沿应用

来源:火狐全站APP官网登录 作者:火狐全站app下载  发布时间:2022-10-03 07:13:31  浏览 5

  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。

  本文将为大家介绍27类激光前沿应用,并对激光器的选择提供一些参考性建议。

  数字PCR是第三代PCR技术,是一种核酸分子绝对定量技术。与传统qPCR技术相比,数字PCR(dPCR)具有:绝对定量、无需标准品、样品需求低,高灵敏度,高耐受性等特点。

  数字PCR一般包括两部分内容,即PCR扩增和荧光信号分析。在PCR 扩增阶段,数字PCR一般需要将样品稀释到单分子水平,并平均分配到几十至几万个单元中进行反应,通过特定激光来激发出通道中的荧光信号。在扩增结束后对各个反应单元的荧光信号进行统计学分析,最后通过直接计数或泊松分布公式计算得到样品的原始浓度或含量。相对于qPCR技术,dPCR技术具备以下优势:(1)灵敏度可达单个核酸分子:检测限低至0.001%;(2)无需标准品/标准曲线,即可对靶分子起始量进行绝对定量;(3)特别适合基质复杂样品的检测;(4)能够有效区分浓度差异(变化)微小的样品,有更好的准确度、精密度和重复性。目前,数字PCR技术在病原体检测、癌症生物标志物研究和拷贝数变异分析、基因表达分析、环境监测、食品检测等领域得到广泛应用。

  常见的数字PCR(dPCR)技术主要有两种:微滴式dPCR(ddPCR)和芯片式dPCR(cdPCR)。两者基本原理相同,由于芯片式dPCR制造芯片的成本较高,目前微滴式dPCR以更低成本、更实用的优势,正越来越受到企业的认可。微滴式dPCR(ddPCR)也在此次疫情防控中有力推动了对疑似疫情感染患者的甄别工作。

  流式细胞术是一项集激光技术、电子物理、流体力学、光电测量技术、计算机技术、单克隆抗体技术为一体的新型高科技技术,被誉为实验室的“CT”,是一种可以对细胞(或亚细胞)结构进行快速测量的新型分析技术和分选技术。

  通过快速测定库尔特电阻、荧光、光散射和光吸收来定量测定细胞 DNA含量、细胞体积、蛋白质含量、酶活性、细胞膜受体和表面抗原等许多重要参数。根据这些参数将不同性质的细胞分开,以获得供生物学和医学研究用的纯细胞群体。随着流式细胞技术水平的不断提高,其应用范围也日益广泛。流式细胞术已普遍应用于免疫学、血液学、肿瘤学、细胞生物学、细胞遗传学、生物化学等临床医学和基础医学研究领域。

  荧光显微技术是利用激光作为激发光源激发荧光基团产生荧光而成像,产生的荧光波长一般与激发光不同。它与一般光学显微镜一样是场激发,因而只能面成像。

  共聚焦显微技术是在荧光显微分析技术的基础上发展起来的,利用荧光显微镜可以对生物样品发出的荧光进行观察和分析。但是荧光显微镜收集到的是样品的整体荧光,来自样品内不同部位的荧光信号相互干扰、难以区分,无法获得准确的定位和定量信息。

  共聚焦显微技术的出现很好地解决了这一问题,这一技术可以获取细胞内某个薄层面上的荧光信息,而该层以外的信号被消除掉,成像清晰程度大大提高。结合计算机自动控制,可以对荧光信号的分布、强度和动态变化进行全方位的分析,得到丰富的信息。与传统显微镜相比,共聚焦显微镜可抑制图像的模糊,获得清晰的图像;具有更高的轴向分辨率,并可获取连续光学切片,增加侧向分辨率;点对点扫描,去除了杂散光的影响。其应用领域扩展到细胞学、微生物学、发育生物学、遗传学、神经生物学、生理和病理学等学科的研究工作中,成为现代生物学微观研究的重要工具。

  激光器要求:低噪声,高功率稳定性,窄线宽,自由空间/光纤耦合输出,单波长/多波长可选。

  光声成像技术是指:当用短脉冲激光辐照生物组织时,位于组织体内的吸收体(如肿瘤)吸收脉冲光能量,从而升温膨胀,产生超声波;这时,位于组织体表面的超声探测器可以接收到这些外传的超声波,并依据探测到的光声信号来重建组织内光能吸收分布的图像。近年来,光声断层成像、光声显微成像、光声内窥成像发展迅速,使得532nm高重频固体脉冲激光器,以及可调谐激光器得到广泛应用。

  (2)结合了光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率。解决了光学成像/超声成像对比度不高,无法有效监测早期肿瘤的问题。

  (3)适用于通过内源性对比进行功能,代谢和组织学成像,以及通过外部对比进行分子和细胞成像。并可与其他成像模式互补并兼容,尤其是光学成像和超声成像。

  光学相干层析成像(OCT)是20世纪90年代逐步发展而成的一种新的三维层析成像技术。

  OCT基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力,通过扫描可以重构出生物组织或材料内部结构的二维或三维图像。其信号对比度源于生物组织或材料内部光学反射(散射)特性的空间变化。该成像模式的核心部件包括低相干宽带激光光源、光纤迈克尔逊干涉仪和光电探测器,其轴向分辨率取决于宽带光源的相干长度,一般可以达到1-15μm,而径向分辨率与普通光学显微镜类似,决定于样品内部聚焦光斑的尺寸,一般也在微米量级。

  OCT具有非接触、非侵入、成像速度快(实时动态成像)、探测灵敏度高等优点。目前,OCT技术已经在临床诊疗与科学研究中获得了广泛的应用,如眼科医疗,视网膜病、牙科龋齿的检测、心血管疾病探查、胃肠道疾病检测、乳腺癌早期诊断等,具有其他检测设备无法比拟的高分辨率和精准度。

  DNA测序是指通过分析特定DNA片段碱基序列,也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤的(G)排列方式,获得生物遗传信息的方法。

  DNA测序采用链终止法,在DNA转录末端引入带有荧光标记的寡核苷酸,此时DNA被分成了长度不同的单链;再使其通过激光聚焦光束,不同荧光素会发出不同颜色荧光,达到标记核苷酸排序的目的。DNA测序的出现极大地推动了生物学和医学的研究和发现。

  光镊(Optical tweezers)技术基于光辐射压力与单光束梯度力光阱,是用物镜下高度汇聚的激光形成的三维梯度势阱来俘获、操纵和测量微小颗粒力学特性的光学技术。光镊的应用可归纳为四类,即光镊与细胞生物学、光镊与单分子生物学、光镊与胶体科学以及光镊与物理学4个学科领域。光镊技术在这些领域已成功解决了许多的重大科学问题。经过近30年的发展,光镊技术得到了极快的发展。由过去简单的单光镊演化出了许多其他的类型,极大地扩大了光镊技术在现代科学技术领域的应用。

  1)全息光镊:可以自由控制多个粒子,使得粒子的融合、吸附以及粒子间或粒子与表面的相互作用研究得到简化。利用全息元件或空间光调制器(SLM)所形成的全息光镊,在多粒子操控方面的优势,为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面,是目前光镊家族极具活力的成员。

  2)等离子体光镊:用最小激光能量镊取最小微粒的纳米光镊。通过采用等离子体光镊结构,被捕获的纳米颗粒的运动被限制在等离子体区域,该区域比激光的衍射限制区域小得多,使得捕获更加稳定。等离子体光镊技术可以克服自由空间衍射带来的限制,增强阱内的局部光强度,能解决目前光镊技术研究中存在的进场光镊倏逝场偏弱、金属颗粒难以捕获等问题。等离子光镊技术不仅将加速生命/纳米/材料科学的研究进展,而且还将产生新的功能材料、纳米医学和诊断工具。这一科学领域在未来将继续迅速发展。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  三维彩色全息技术,就是一种在三维空间中投射三维立体影像(影像为物理上的“立体”而非单纯视觉上的“立体”)的次时代技术。这项技术是利用干涉和衍射原理来记录并再现物体真实的三维立体图像的技术,由于干涉信息每个点都记录在全息图上,所以即便损坏也可以完整的看到整个像。由于三维彩色全息图比单色全息图更能真实的反应物体的原始信息,因此在全息显示方面具有广阔的应用前景。

  为实现高清晰、大幅画、三维彩色全息显示,利用全息角度复用技术、全息旋转复用技术和全息波长复用技术在液晶薄膜中实现多重复用全息显示,采用RGB三色激光实现RGB图像分量的再现。RGB图像分量被记录在三个不同的全息图中,这三个全息图利用角度复用被记录在液晶薄膜的同一记录点。绿色激光作为记录光同时记录三幅全息图,然后红绿蓝三色激光分别读出相应的全息图,这三幅RGB图像合成为三维彩色全息图像。

  目前,三维彩色全息技术在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感,研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程(如爆炸和燃烧)等各个方面获得广泛应用。

  近年来,在激光技术和纳米科技的迅猛发展之下,拉曼光谱呈现显著的上升趋势。短波紫外激光器正在拉曼光谱领域涌现出新应用。短波紫外激光器具有波长短、光子能量大、衍射效应小、分辨能力强、热效应小等优点。同时,短波紫外拉曼光谱解决了拉曼光谱几十年来没有解决的荧光干扰的问题。因为在短波紫外激发下拉曼信号和荧光信号在不同的光谱区域,不会受到干扰。而使用可见激光激发时,拉曼信号和荧光信号往往会重叠在一起,又由于荧光的信号强度是拉曼信号强度所无法比拟的,因此荧光信号会干扰甚至完全湮没拉曼信号。使用短波紫外激光激发时,拉曼信号仍位于靠近激光线附近的位置,而荧光则在较高波长的位置,由此拉曼和荧光信号不再重叠,荧光问题也不复存在。

  对于某些特定样品来说,短波紫外激光与样品相互作用的方式与可见激光不同,并且拉曼信号可以通过共振拉曼信号得到增强,在很大程度上扩宽了拉曼光谱在物理、化学、生物、材料等领域中的应用。例如:(1)短波紫外激光在半导体材料中的穿透深度一般在几个纳米的量级,因而短波紫外拉曼可以用来对样品表面的薄层(常见于新型硅基材料SOI材料)进行选择性分析。(2)短波紫外激发也可以与蛋白质、DNA、RNA等生物样品产生特定的共振增强进而对样品的结构进行特定的分析,而使用可见光激发则无法实现。(3)短波紫外拉曼在探测金属中心合成物、富勒分子、联乙醯以及其他的稀有分子上也是一种重要的技术,这些材料对于可见光都有着很强的吸收等。

  中科院大连化物所李灿院士课题组采用CNI-261nm短波连续紫外激光器,用于分子筛、杂原子分子筛的结构、合成、催化表征及原位表征研究,并取得重要成果。紧随激光拉曼光谱的发展,李灿院士课题组又进入了生物学领域。而生物学的一个重要特征是研究生物的手性问题,基于紫外拉曼光谱的思路:把常规的可见光移到了紫外区、短波区,移到短波区以后,手性拉曼的灵敏度、信噪比大幅度提升。成功于2017年成功研制第一台短波长手性拉曼光谱仪。

  未来,短波紫外激光技术将催生新一代纳米技术、材料科学、生物技术、化学分析、等离子体物理等学科的发展。短波紫外激光到红外激光,光电子技术将成为人类发展的重要基础,而短波紫外激光技术正成为新的研究和应用热点。

  高精度视觉检测是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来,就是用机器代替人眼来做测量和判断。

  高精度视觉检测系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中,图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响整个系统图像水平的重要因素,因为它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。通过合适的光源及光学系统设计,使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离,可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度,同时提高系统的定位、测量精度,使系统的可靠性和综合性能得到提高。

  在国外,高精度视觉检测的应用相当普及,主要集中在电子、汽车、冶金、食品饮料、零配件装配及制造等行业。高精度视觉检测系统在质量检测的各个方面也已经得到广泛的应用。在国内,这一应用刚刚起步,目前主要集中在制药、印刷、包装、食品饮料等行业,但随着国内制造业的快速发展,对于产品检测和质量的要求不断提高,各行各业对图像和高精度视觉检测技术的工业自动需求将越来越大,因此该技术在未来制造业中将会有巨大的发展空间。

  激光器要求:功率密度分布均匀,直线度高,条纹精细,边缘清晰,一字线、网格、多线、十字、多圆环等多种衍射模式可选。

  激光诱导光谱(LIBS)技术具有无接触式、破坏性小、快速原位远程分析、多元素同时在线监测等特点。

  将高峰值功率脉冲激光聚焦到测试位点,当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时,就会在样品表面产生等离子体。等离子体能量衰退过程中产生连续的韧致辐射以及内部元素的离子发射线,通过光谱仪采集光谱发射信号,分析谱图中元素对应的特征峰强度,进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。广泛应用于土壤、水及空气等环境污染监测领域,同时在植物学,考古学,工业过程监控和空间探索等方面也有多种应用。

  如今,LIBS技术的发展正呈现出突飞猛进的势头,研究热点则主要集中于更高的灵敏度、更高的准确性、更好的选择性、更高的自动化程度、仪器的小型化和智能化等方面。

  主要组成:激光器,光学系统,三维自动调节样品台,光谱仪(单通道/多通道),软件分析系统等。

  激光器要求:高能量稳定性,小体积,低Jitter值,脉宽ns量级,能量mJ量级。

  3D扫描技术:3D激光扫描技术是是测绘领域继“GPS定位技术”后的又一项技术革新。其利用激光扫描系统快速、自动、实时获取目标表面三维数据。近年来,随着扫描设备和应用软件的不断发展与完善,3D扫描技术具有更高的便捷度及测绘精准度。该技术的应用已从初期的测量领域,拓展到工业制造、交通建设、社会治理以及安全监管等多个方面,被广泛认为是“大数据”时代基础数据获取的重要技术之一。

  目前我国已经成功的掌握了“机载3D扫描技术”,这标志着我国在3D扫描领域成功跻身国际一流水平。

  3D打印技术:3D打印学名增材制造(AM),以计算机三维设计模型为蓝本;通过软件分层离散和数控成型系统;利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。

  3D打印的优势和核心在于可以打印任何复杂几何、镂空形状,小批量个性化定制、一体成型等。3D打印的核心技术有FDM熔融层积成型技术、SLA光固化技术、SLS选择性激光烧结技术这三种为常用类型。可以说3D打印在很大程度上颠覆了传统制造行业,是科技时代的产物。

  激光雷达是以激光作为载波,以光电探测器为接受器件,以光学望远镜为天线的雷达。利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号,然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较,从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息,实现对目标的探测、跟踪和识别。激光雷达相较于传统雷达,以精准的空间分辨率、精确的时间分辨率、超远的探测距离等特点成为了先进的主动遥感工具。

  目前,世界上主要的空间大国都在开展星载激光雷达的研究。与机载激光雷达相比,星载激光雷达具有许多不可替代的优势。星载激光雷达采用卫星平台,运行轨道高、观测范围广、可以触及世界的每一个角落,为三维控制点和数字地面模型获取提供了新的途径,对于科学研究具有十分重大的意义。

  上海光机所研制的星载激光雷达系统是我国首颗星载激光雷达基本载核系统。采用3波长体制、5通道探测:1572nm-1通道,532nm3通道,1064nm1通道,可以实现对二氧化碳的浓度,气溶胶、云的偏振等特性的探测。其整体设计性能指标优于国外同类产品,实现从跟跑到领跑的跨越。

  星载激光雷达的迅速发展,体现出这个新兴探测方式所具有的独特潜力。研究和解决星载激光雷达的关键技术,建立起自己的星载激光雷达系统。将为我国的天体观察、地形地貌测量、海洋科学以及空间探测等科学研究提供必要的手段,具有重要的科学和应用价值,是提升我国空间科研水平和综合国力强有力的保障。

  激光器要求:窄脉宽,高光束质量,高波长、能量稳定性、高偏振比,高单脉冲能量。

  激光粒度分析是一种新型的颗粒测量技术,结合了激光技术、光电技术、精密机械和计算机技术。具有响应速度快、测试范围宽、重复性好等特点。不仅可以测量固体颗粒还可以测量液体颗粒,可测量到微米甚至纳米级的颗粒大小。

  激光束照射到颗粒上发生衍射,衍射后激光会偏移原有的传播路径;根据Furanhofer衍射理论,颗粒越大偏移量越大,经过聚焦镜聚焦到后焦平面的多元光电探测器,通过探测到衍射光的位置以及强度;再利用Mie散射理论分析出颗粒的大小以及数量。测试过程不受温度变化、介质黏度,试样密度及表面状态等诸多因素的影响,只要将待测样品均匀地展现于激光束中,即可获得准确的测试结果。目前激光粒度分析技术已广泛应用于粉末冶金、薄膜分析、海洋分析、环境检测等领域。

  激光器要求:高功率稳定性,高重复性,优光束质量,环境适应性强,波长越短测量精度越高,可配光学平台使用保证光路的稳定。

  量子通信是一项融合了现代物理学和光通信技术研究成果的量子技术。传统的激光通信是用激光本身来传信息,而量子通信是用激光来产生密钥,然后利用量子态和量子纠缠效应进行信息或密钥传输的新型通讯方式。量子通信方式很难被监控及窃听,具有其他通讯方式不具备的安全性。量子密钥分发根据所利用量子状态特性的不同,可以分为基于测量和基于纠缠态两种。基于纠缠态的量子通信在传递信息的时候利用了量子纠缠效应,即两个经过耦合的微观粒子,在一个粒子状态被测量时,同时会得到另一个粒子的状态。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

  中国作为全球第二大经济体,在量子科学领域其实起步并不算早,但却发展的很快。2016年,中国发射世界首颗量子科学实验卫星——“墨子号”。完成了包括千公里级的量子纠缠分发、星地的高速量子秘钥分发,以及地球的量子隐形传态等预定的科学目标。2017年,世界首条量子保密通信干线“京沪干线”的正式开通,成功实现人类首次洲际距离且天地链路的量子保密通信。干线余公里,全线千比特/秒可同时供上万用户密钥分发。2020年,祝世宁院士团队完成了首个基于无人机平台的量子纠缠分发实验,该系统量子纠缠光源每秒可产生240万对纠缠光子,能够与高空无人机、高空气球建立长距离链路,并与现有的光纤和卫星量子网络连接,解决量子网络不同层次之间全天候、广覆盖的问题。

  近年来,量子通信技术已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注,量子信息技术已成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

  免疫浊度测定是将现代光学测量仪器与自动分析检测系统相结合应用于沉淀反应的免疫检测技术中的一种重要手段。当可溶性抗原与相应的抗体特异结合,在二者比例合适、并有一定浓度的电解质存在时,可以形成不溶性的免疫复合物,使反应液出现浊度。这种浊度可用肉眼或仪器测知,并可通过浊度推算出复合物的量,即抗原或抗体的量。免疫浊度测定是定量测定微量抗原物质的一种高灵敏度、快速的自动化免疫分析技术。可对各种液体介质中的微量抗原、抗体和药物及其他小分子半抗原物质定量测定。

  按测量方式可分为光透射免疫比浊法和光散射免疫比浊法。光透射免疫比浊法测量透过光的强度。该方法操作简便,结果准确,能用全自动化或半自动化的仪器进行分析。但灵敏度低于散射比浊法、且抗体用量较大、耗时较长,不宜用于药物半抗原的检测。光散射免疫比浊法测量散射光的强度。该方法避免了透射光中所含有的透射、散射甚至折射等杂信号成分的影响,灵敏性和特异性均优于透射比浊法。该方法:(1)入射波长越短,散射光越强,(2)散射光强度与粒子的浓度和体积成正比,(3)散射光强度随焦点至检测器距离的平方和而下降。

  目前免疫浊度技术主要用于各种蛋白质、载脂蛋白、半抗原(如激素、毒物和各种治疗性药物等)及微生物等检测。

  在单分子定位显微成像技术出现之前由于显微镜的“阿贝极限”或“衍射极限”限制,科学家无法清楚地观察到小于200 nm的结构 。单分子定位显微成像技术的出现打破了传统光学显微镜的分辨率极限,实现了高达横向10-20 nm,纵向20-50 nm的空间分辨率,为人们在单分子水平上观测、研究细胞内的精细结构和功能提供了强有力的研究工具,极大地促进了生命科学的发展。

  单分子定位显微成像过程如下:激光照射到荧光样品上,样品经过激发后发射的荧光和少量的激光经过一系列光学滤波成像系统和算法的处理,经过CCD探测系统,最终成像在屏幕上。荧光的产生是这个系统一个重要的环节,荧光的波长直接影响了这个系统的大部分参数。这里简单介绍下荧光,荧光是由某种荧光分子(荧光素)通过吸收特定波长范围的光(或电磁波),并受激发出的光波(或电磁波)。一般情况下,吸收的波长要短于发射的波长,也即吸收的能量要高于发射的能量,且吸收光谱与发射光谱有某种对称性。

  2019年,我国科学家研发了一种新型的干涉单分子定位显微镜技术,被称为重复光学选择性曝光,通过六种不同方向和相位干涉条纹来判断荧光分子的精确位置信息。使得显微镜的分辨率提升到3nm以内的分子尺度,单分子定位精度接近1nm。该项技术的研发,将解析生物分子的水平大大提高。

  荧光漂白恢复技术是使用亲脂性或亲水性的荧光分子,用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部运动及其迁移速率的一种技术。该技术的基本要求是:(1)选择合适的荧光探针,(2)具备精确可控的激光激发和荧光检测设备。

  利用荧光探针进行标记,借助于高强度脉冲激光来照射细胞某一区域,目的是使该区域荧光分子的光猝灭。一段时间后,该区域周围的非猝灭荧光分子会以一定的速率向受照射区域扩散,这个扩散速率可通过低强度激光扫描探测,可检测该小分子是否有扩散现象。(注:漂白前和漂白后恢复都用尽可能弱的激光扫描全细胞,目的是得到扫描图像而不引起荧光。)在整个过程中,监测漂白区域在各时间段的荧光强度变化并绘制曲线,从恢复曲线及其数据就可以得到关于分子迁移速率、动态分子比例等信息。荧光漂白恢复技术与其它技术结合(如:共聚焦激光扫描显微术可以控制光猝灭作用,实时监测分子扩散率和恢复速率,反映细胞结构和活动机制),为研究细胞膜的流动性提供了新的手段。

  目前,荧光漂白恢复技术已发展成为定量测定细胞膜分子的流动性的方法之一。广泛用于研究细胞膜表面受体的结合和解离速率常数及迁移速率,细胞骨架构成,核膜结构,跨膜大分子迁移率,细胞间通讯等领域。

  钻石是世界上最坚硬的物质,而在小体积钻石表面上实现精密刻划,对于一般的钻石刻划方法来说具有极高的难度。钻石激光精密刻划克服了其它钻石刻划方法的弊端,用激光进行钻石精密刻划。具有标定速度快,可随意选择字符和图案,字迹清晰美观,对钻石的光泽度和纯度不产生任何影响的特点,在钻石乃至珠宝行业都有广泛的应用。

  钻石激光精密刻划包括标线和微刻两部分。激光钻石标线:激光束经过振镜系统,再经物镜聚焦于物件的表面,计算机控制振镜运动,实现光束按照设定的路径移动并在未加工的钻石表面刻蚀、形成标线,进而再进行切割加工。钻石激光微刻:光学系统将钻石成像于CCD的像元面上,CCD采集其图像并显示在计算机屏幕上,用于选取刻字的位置。然后再利用激光器输出高峰值功率的激光,经过光学系统形成直径很小的光斑并聚焦到钻石的表面,在局部形成高能量密度的光辐照,使钻石气化或石墨化,达到打标的目的。钻石激光微刻机采用物件移动的方式进行扫描,电动平移台将物件按照设定的路径作二维移动,从而实现激光光束聚焦于物件表面刻蚀,形成指定的文字或图案。

  中国钻石珠宝行业从20世纪90年代便开始进入一个迅猛的发展期,其中钻石业的发展速度更是惊人!小编相信,钻石激光精密刻划未来定会炙手可热!

  激光多普勒血流成像是一种无创组织血流检测手段,也是是一项以大范围体表图象显示微循环状态的新技术。基于激光遇到血细胞会产生相移的原理,激光多普勒可以给出血流量、血流速度、血细胞浓度等。

  该技术基于发射激光通过光纤传输,激光束被所研究组织散射后有部分光被吸收。击中组织中运动血细胞的激光波长发生了改变(即多普勒频移),而击中静止组织的激光波长没有改变。这些波长改变的强度和频率分布与监测体积内的血细胞数量、浓度和移动速度直接相关(频移大小与运动速度成正比, 散射光强度与运动的红细胞数量成正比)。通过接收光纤,这些信息被记录并且转换为电信号进行分析,利用计算机系统中各种图像处理分析软件存储 、分析处理后,输出反应血流情况的数据和反映血流与时间关系的曲线图。相比于光学微循环技术,激光多普勒血流成像技术可以测量体表任何部位的微循环。相比于超声多普勒,激光多普勒除了无创还可以检测组织的微循环和人情绪激动时血液灌注的快速变化。

  激光多普勒血流成像技术目前已广泛应用于中枢神经系统、皮肤、肌肉、胃肠道、肝、胰、肾、肺、脾、眼、耳、鼻以及骨骼等几乎全身各个脏器的实验或临床组织微循环血流动力学研究,对疾病诊断、健康评价、药物评价等有重要意义。

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