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作者：郑全1、2、郭丹2、刘伟2、屈大鹏2、孙艳兵2、邵艳2

1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

2 长春新业光电科技有限公司

几年前，有人认为固体激光器的潜力几乎已经耗尽。 常用的Nd:YAG、钕玻璃和红宝石激光器的效率和输出功率似乎已经达到了极限，室温调频等问题也不好解决。 但近年来，新型激光晶体、倍频晶体的开发与研究，以及泵浦方式的改进，使固体激光器技术朝着更好、更广阔的方向发展。

目前，固体激光器的工作物质至少有100多种，固体激光器的波长有数百种，可以极大地满足各种科研、工业、航空航天和军事领域的需求。 据不完全统计，全球激光器市场对激光器的需求正以每年5%左右的速度增长。 每年对激光器的需求超过100亿元，其中固体激光器占20%以上。

近年来，固体激光器在一些应用领域仍然大有可为，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，影像技术对疾病的诊断、监测和研究具有重要意义。 在成像技术中，近年来兴起的光声成像技术被认为是一种很有前途的成像方式。

光声成像是一种基于生物组织内部光吸收差异，以超声波为介质的无损生物光子成像方法。 、病理特征等提供重要的帮助。

王丽红教授和华盛顿大学医学院的医师将四种光声成像技术应用到临床，其中一种可以观察到前哨淋巴结活检，这对乳腺癌的分期具有重要意义。 另一种成像技术可以监测身体对化疗的早期反应，第三种可以对黑色素瘤进行成像，最后一种可以观察消化道。

此外，光声成像还可以利用彩色成像来反映化学结构和功能。 例如测量血红蛋白的氧饱和度——当它呈鲜红色时，表示氧气充足，当颜色变深时，表示血红蛋白已经释放了氧气。 在光声成像技术中，532nm高重复频率固体脉冲激光器和可调谐激光器得到广泛应用。

厦门大学聂黎明博士团队提供的光声显微镜下活体血管分布图，观察单位为微米级。

02

超分辨荧光显微系统

超分辨光学显微镜特指分辨率突破光学显微镜分辨率极限（200nm）的显微镜。 借助荧光分子，很容易帮助人们在纳米尺度上进行材料的光谱定量分析和活细胞的观察。 该技术在生物学、化学、医学等学科有着广泛的应用，对于理解生命过程和疾病发病机制具有重要意义。

北京大学、中科院化学研究所、中科院生物物理研究所、华中科技大学等国内数十家单位紧跟国际研究趋势开展超分辨显微技术研究等。超分辨显微镜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。 超分辨荧光显微镜中使用的固态激光器的波长为 561 nm 和 656 nm。

图为超分辨荧光显微系统测试数据

03

激光医疗应用

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、提高疗效的需要。 固体激光器、多波长激光器等新型激光器开始应用于临床，推动了医用激光技术的发展。

国际上，Lumenis和WOM的Nd:YAG激光器用于眼科和泌尿科的治疗； Lisa 的铥激光器用于外科手术和泌尿外科； AMS和Lumenis生产的绿色激光用于治疗良性前列腺增生和眼科； Stion生产的Asclepion生产的铒激光器用于皮肤科治疗； Asclepion生产的红宝石激光器用于皮肤科治疗； Sciton、Lumenis和Nidek生产的多波长激光用于皮肤科和眼科治疗。

随着我国Nd:YAG激光、绿光激光、黄光激光、铒激光、钬激光、铥激光、多波长固体激光等医用激光技术的发展，成套低功率激光医疗设备也有了开始推向市场光源 光纤光谱仪 报价，表现良好。 发展前景。 如561nm、577nm、671nm激光在眼科治疗中应用广泛。

577nm固态激光治疗仪治疗患者眼睛

04

光遗传学

将蓝光激光引入实验小鼠

光遗传学是一门综合了遗传学技术和光学技术的多学科生物工程技术。 它具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性，克服了传统方法控制细胞或生物体活动的诸多缺点。 用于光遗传学研究的新技术可以扩展到所有类型的神经细胞光源 光纤光谱仪 报价，如大脑中的嗅觉、视觉、触觉和听觉细胞，并有可能开发出针对一系列中枢神经系统疾病的新疗法。未来。

可精确控制功率输出，输出功率稳定，方便外调制。 越来越多相关领域的科研人员使用473nm、589nm、593.5nm等光纤耦合固体激光器进行光遗传学研究。

2010年以来，光遗传学技术发展迅速，尤其是近年来，研究热情高涨，研究力度不断加大。 近一两年，国外科研机构开始对灵长类动物进行相关的光遗传学研究。 1W左右的473nm和589nm固态激光器。据不完全统计，每年发表光遗传学相关论文数百篇。

05

高通量测序技术

DNA测序作为最重要的生物学分析方法之一，不仅为遗传信息、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、基因治疗等应用研究中发挥着重要作用。 随着科学的发展，传统Sanger测序技术的局限性日益凸显。 2005年以来，以罗氏的454技术、Illumina的Solexa技术、ABI的SOLID技术为标志的高通量测序技术相继诞生。

高通量测序技术可以看作是测序技术发展的一个里程碑，它可以同时对数百万个DNA分子进行测序。 这使得能够对物种的转录组和基因组进行详细而全面的分析，因此称为深度测序或下一代测序。 高通量测序技术虽然成立时间不长，但发展非常迅速，已经应用于基因组，包括测序以及表观基因组学和功能基因组学研究的诸多方面。

基因测序技术涉及化学、纳米光子学、微流控等领域的创新，共同推动了激光的发展。 目前常用的测序激光器波长有488 nm、532 nm、577 nm和639 nm，输出功率范围为1~10 nm。 W. Sequencing是一个活跃的新兴市场，技术多元化的可能性不可估量，对激光器制造商提出了更高的要求，能够提供范围广泛的客户定制系统，以支持该行业的快速发展。

人类基因测序

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流式细胞仪

流式细胞术又称流式细胞仪，是用高能激光在高速流动下照射被荧光色素染色的单个细胞或颗粒，测量散射光和发射荧光的强度，从而对细胞（或particles) )是一种现代细胞分析技术，用于定性或定量检测物理的、生理的、生化的、免疫的、遗传的、分子生物学的性状、功能和状态。 它用于癌症检测、免疫学研究、血液学、微生物学和分子生物学。 广泛应用于科学等领域。

流式细胞仪

低噪音激光

目前，流式细胞仪市场每年保持30%以上的增长率，吸引了更多的厂商进入市场，例如美国的Cytek。 其主营业务原本是为美国市场现有的BD用户提供高性价比的改装升级服务。 全球流式细胞仪市场最大的供应商主要有BD、Beckman、Partec等。目前在国内市场上，欧美流式细胞仪占据了大部分市场份额，但随着与国外先进厂商的技术合作，大量国内资金量和国家政策支持，国产流式细胞仪初具规模； 目前，我国拥有发展流式细胞仪的资源优势，初步奠定了与国际品牌竞争的基础。

激光器是流式细胞仪最重要的核心部件。 目前，市场上使用的主要激光器有355nm、360nm、488nm、532nm、561nm等。

07

手性拉曼

手性是自然界中普遍存在的现象，即一个物体不可能与其镜像重合。 常用于化学和医学领域，如手性药物。

手性药物的研究已成为国际新药研究的新方向之一。 近十年来，国际上公布的重磅药物中，70%以上是手性药物。 世界各国对于手性药物的上市，对手性对映体的药效都有极其严格的要求。 因此，手性中间体和手性药物的鉴定具有“非同寻常”的重要性。

2017年，大连化物所李灿院士和冯兆驰研究员团队主持了“电场和磁场调制的短波长手性拉曼光谱仪研制”专项课题。 通常选用257 nm、261 nm、320 nm等），并优化选用适合手性拉曼光谱的457 nm固态激光器作为光源，成功研制出世界上第一台短波长手性拉曼光谱仪，并在同时填补了我国在手性拉曼光谱方面的空白。

大连化工学院研制的短波手性拉曼光谱仪

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激光雷达和大气监测

大气气溶胶是大气物理和气候变化研究中非常重要的参数。 它的吸收、散射和密度分布直接影响地球辐射平衡、大气气候环境变化和空气质量污染指数。 精确探测和研究气溶胶的产生，传递其光学和物理性质的时空变化，提高自然灾害的预警预报能力，尤其适用于全球变暖、沙尘暴和灾害预警预报的研究城市天气状况。 溶胶的物理光学性质具有重要的研究意义和社会效益。

目前，国内外已建成多个激光雷达观测站，包括意大利那不勒斯天文台、美国激光雷达观测站、印度尼西亚斯马特拉岛观测站等。 中科院安徽光机所自主研发的车载大气环境监测激光雷达系统达到国际领先水平。

拉曼计散射激光雷达

激光在气体检测中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。例如检测SO2气体时，SO2的主要吸收光谱集中在7.12~7.65µm。 这种类型的激光器相对昂贵。 通过比较SO2的吸收光谱，发现266nm固体脉冲激光对其有吸收，成功验证了266nm脉冲激光可以检测SO2的浓度，具有较高的检测灵敏度和responsivity, 是一种用于检测 SO2 的高质量激光光源。 山西大学于2017年7月成功申请了2项发明专利。

山西大学二氧化硫检测试验平台

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紫外光刻

纳米材料紫外光刻利用激光高相干性的特点，在光敏材料上曝光特定的周期性图案，生产出纳米级具有周期尺度的特殊材料。 这类材料具有普通材料所不具备的特殊性能，在生物、医学、光学、材料等领域发挥着重要作用。

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

与405nm光源相比，紫外单纵模激光器频率更稳定，相干性更好，波长更短，在曝光质量和材料灵敏度方面明显优于405nm半导体激光器. 体积更小，分辨率更高。 目前，许多科研机构都在开展紫外单纵模激光光刻技术的研究，该技术已成为近年来的应用热点。

使用 360 nm 单纵模激光器制作的光刻样品

360nm单纵模激光器纵模测试

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激光特殊加工

目前市场上主流激光加工设备的光源是光纤激光器和CO2激光器，但在一些特殊领域，固态泵浦激光光源具有其他激光器不具备的优势，被广泛应用于鸡蛋、水果等、金刚石划片等加工领域。

端泵532nm打标机打标苹果鸡蛋

许多鸡蛋和水果产品需要在外壳上打印独特的标记，如制造商的LOGO、生产日期、条形码等。CO2激光和端泵绿色激光都可以用来标记蛋壳，但经过3到5天后打标时，CO2激光打标的鸡蛋会逐渐变质发臭，打标位置会腐烂，而绿色激光打标的鸡蛋和苹果没有任何变化，测试时鸡蛋的货架期没有受到影响。

紫外激光钻石精细打标

紫外钻石精细打标属于冷加工。 标记字体线条更细更快。 对大多数钻石来说，无需再次涂抹打标液，省去了一道工序，提高了打标效率。 相信会对珠宝行业产生巨大的影响。

随着人们生活水平的提高，钻石的消费量也越来越大。 中国已经是世界第二大钻石消费国。 随着钻石首饰行业的发展和紫外精细打标技术的进步和成熟，紫外激光在加工应用领域，将在未来几年甚至更长时间内增长。

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粒子图像测速

粒子图像测速技术又称PIV技术，是一种基于流场图像相关分析的测量技术。 它是一种瞬态、多点、非接触式流体动力测速方法。 由于流场的局限性，它可以记录大量空间点在同一瞬态下的速度分布信息，可以提供丰富的流场空间结构和流动特征。

随着计算机和图像处理技术，特别是激光行业的飞速发展，PIV技术在近10年取得了长足的进步，广泛应用于风洞实验、建筑工程、海岸工程、船体设计、环境研究、波浪力学等领域等领域。

随着社会的发展，越来越多的相关项目或产品将借助PIV技术得到完善和完善。 相应地，PIV对固体激光器的需求也将增加。 PIV技术常用的激光器分为高功率绿光连续输出激光器和脉冲激光器，一般输出功率在W级以上或脉冲输出能量在mJ级以上。

20W连续输出532nm固体激光器的哈工大PIV实验场景图

本文仅根据我们的一些市场调研和客户实例，列举了近年来比较流行的固体激光器的一些应用，还有很多应用领域没有列举出来。 纵观国内外固体激光器的相关科研和产业化新闻以及固体激光器销量逐年递增的趋势，我们认为固体激光器因其独特的光学参数和其他激光器暂时没有的优势。 作为替代方案，固态激光器有着光明的未来。

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