固體激光器的潛力已經挖掘殆盡？別鬧了！

作者：鄭權1，2，郭丹2，劉薇2，曲大鵬 2，孫艷兵2，邵妍2

1 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

2 長春新產業光電技術有限公司

幾年前曾有人認為固體激光器的潛力幾乎已挖掘殆盡，常用的 Nd:YAG、釹玻璃和紅寶石激光器的效率、輸出功率等似乎已達到極限，室溫頻率調諧等問題不易解決。但近年來新的激光晶體、倍頻晶體的開發和研究，抽運方式的改進，使得固體激光器的技能正朝著更好的、更廣闊的方向邁進。

目前固體激光器的工作物質至少有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、航天以及軍事等領域的需求。據不完全統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，其中固體激光器佔有量達到20%以上。

固體激光器近年來在一些應用領域仍大有作為，尤其是在激光雷達、生物醫學等熱門應用領域。

01

醫學光聲成像技術

在生物醫學領域中，成像技術對疾病的診斷、監控和研究具有十分重要的意義。在成像技術中，近年來異軍突起的光聲成像技術被認為是一種有發展前景的成像模式。

光聲成像是一種基於生物組織內部光學吸收差異、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解析度的組織影像，為研究生物組織的結構形態、生理特徵、代謝功能、病理特徵等提供了重要手。

汪立宏教授與華盛頓大學醫學院的醫師們共同將4種光聲成像技術應用到了臨床，其中一種能觀察到前哨淋巴結活檢術，這對於乳腺癌發生階段具有重要意義。還有一種成像技術能監控機體對化療的早期應答，第三種技術則能成像黑色素瘤，最後一種能觀察消化道。

除此之外，光聲成像還可以利用彩色成像，反映化學結構和功能。比如說檢測血紅蛋白的氧飽和度——當其為亮紅色的時候，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。在光聲成像技術中，532 nm高重頻固體脈衝激光器以及可調諧激光器得到廣泛應用。

廈門大學聶立銘博士團隊提供的光聲顯微鏡下的活體血管網路分布圖，觀測單位達微米級別。

02

超解析度熒光顯微系統

超分辨光學顯微鏡特指解析度打破了光學顯微鏡解析度極限（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。這一技術在生物、化學、醫學等多個學科擁有廣泛的應用，對於理解生命過程和疾病發生機理具有重要意義。

國內數十家單位都在進行超解析度顯微方面的研究工作，在研究上緊跟國際潮流，如北京大學、中國科學院化學研究所、中國科學院生物物理研究所、華中科技大學等。超解析度顯微是研究細胞結構的利器，而利器中的關鍵之一就是激光光源，超解析度熒光顯微技術中使用的固體激光器的波長有561 nm和656 nm等。

圖為超解析度熒光顯微系統測試的數據

03

激光醫療的應用

隨著激光技術與醫學臨床技術的加速結合，全球醫用激光輸出功率越來越高，以滿足縮短手術時間、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用，推動了醫用激光技術的發展。

國際上，Lumenis、WOM公司的Nd:YAG激光器用於眼科及泌尿外科治療；Lisa公司的銩激光器用於外科和泌尿外科；AMS、Lumenis生產的綠光激光器用於前列腺增生和眼科治療；Sction生產的鉺激光用於皮膚科治療；Asclepion生產的紅寶石激光器用於皮膚科治療；Sciton、Lumenis和Nidek生產的多波長激光器用於皮膚科和眼科治療。

隨著國內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用激光技術的發展，中低功率成套激光醫療設備也開始推向市場，展現出良好的發展前景。如561 nm，577 nm，671 nm激光器廣泛應用於眼科治療。

577 nm固體激光器治療儀對患者眼部進行治療

04

光遺傳學

藍光激光導入實驗白鼠

光遺傳學是結合了遺傳學技術及光學技術的多學科生物工程技術，具有獨特的高時空解析度和細胞類型特異性，克服了傳統手段控制細胞或有機體活動的許多缺點。光遺傳學研究使用的新技術可以推廣到所有類型的神經細胞，比如大腦的嗅覺、視覺、觸覺、聽覺細胞等，將來還有可能發展出一系列中樞神經系統疾病的新療法。

可精準控制功率輸出且輸出功率穩定，便於外加調製等特點，讓越來越多相關領域中的科研工作者藉助光纖耦合輸出473 nm、589 nm、593.5 nm等固體激光器進行光遺傳學研究。

自2010年開始，光遺傳學技術得到飛速的發展，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開始針對靈長類動物進行相關光遺傳學研究，使用1 W左右的473 nm和589 nm固體激光器。據不完全統計，每年發表的光遺傳學相關論文達幾百篇。

05

高通量測序技術

作為最重要的生物學分析方法之一，DNA測序不僅為遺傳信息的及時和基因表達調控等基礎生物學研究提供重要數據，而且在基因診斷和基因治療等應用研究中也發揮著重要的作用。隨著科學的發展，傳統的Sanger測序技術的局限性日益突出。自2005年以來，以 Roche公司的454技術、Illumina公司的Solexa技術和ABI公司的SOLID技術為標誌的高通量測序技術相繼誕生。

高通量測序技術堪稱測序技術發展歷程的一個里程碑，該技術可以對數百萬個DNA分子進行同時測序。這使得對一個物種的轉錄組和基因組進行細緻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。雖然高通量測序技術建立的時間不長，但發展非常快，已經應用於基因組，包括測序和表現基因組學以及功能基因組學研究的許多方面。

基因測序技術涉及化學、納米光子學和微流體方面的創新，共同推動著激光器的發展，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多樣化的可能性，給激光器製造商提出了更高的要求，要有能力提供擴展範圍寬廣的客戶定製化系統，支持此行業的快速發展。

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，是以高能量激光照射高速流動狀態下被熒光色素染色的單細胞或微粒，測量其產生的散射光和發射熒光的強度，從而對細胞（或微粒）的物理、生理、生化、免疫、遺傳、分子生物學性狀及功能、狀態等進行定性或定量檢測的一種現代細胞分析技術，在癌症檢測、免疫學研究、血液學、微生物學、分子生物學等領域中得到廣泛的應用。

流式細胞儀

低雜訊激光器

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，其主營業務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。全球流式市場的最大供應商主要有BD、Beckman、Partec等。目前國內市場，歐美的流式細胞儀佔據著大部分市場份額，但隨著與國外先進廠商的技術合作、國內大量資金及國家政策的扶持，國產流式細胞儀初具規模；目前，我國已經具備了發展流式細胞儀的資源優勢，已初步具備了與國際品牌競爭的基礎。

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象，指一個物體不能與其鏡像相重合，常應用在化學醫藥領域，例如手性藥物。

手性藥物的研究目前已成為國際新葯研究的新方向之一，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。世界各國對於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、磁場調製的短波長手性拉曼光譜儀研製」專項，在基於多年紫外拉曼光譜儀器研製的基礎上（紫外拉曼激光器波長通常選用257 nm、261 nm、320 nm等），優化選取了適合於手性拉曼光譜的457 nm固體激光作為光源，成功研製世界上第一台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的空白。

大連化物所研製的短波長手性拉曼光譜儀

08

激光雷達及大氣監測

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，其吸收、散射以及密度分布直接影響地球輻射平衡、大氣氣候環境變化以及空氣質量污染指數。精細探測及研究氣溶膠的產生，輸送其光學和物理特性的時空變化規律，對研究大氣環境變化及提高自然災害的預警預報能力，特別是研究全球氣候變暖問題、沙塵暴的預警預報及城市氣溶膠的物理光學特性具有重要的研究意義和社會效益。

目前，國內外已經建有多個激光雷達觀測站，包括義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。而中國科學院安徽光學精密機械研究所自主研製的車載大氣環境監測激光雷達系統已達到了國際領先水平。

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、調製光譜法、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，發現266 nm固體脈衝激光器對其有吸收，並成功驗證266 nm脈衝激光器可以檢測SO2的濃度，且有較高的檢測靈敏度及響應度，是檢測SO2的優質激光光源，山西大學已於2017年7月成功申報2項發明專利。

山西大學SO2檢測試驗平台

09

紫外光刻技術

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，製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、醫療、光學、材料等領域都有重要作用。

常用的光刻光源是405 nm半導體激光器，不過該激光器不是單縱模模式，在長時間曝光的過程中，激光的跳模現象會使光刻曝光的圖樣變得模糊。目前新的發展趨勢是採用紫外單縱模激光器（波長通常為260~360 nm)作為光刻光源。

相對於405 nm光源，紫外單縱模激光器的頻率更穩定，相干性更好，波長更短，在曝光質量、材料敏感性等方面明顯優於405 nm半導體激光器，而且光刻形成的納米材料特徵尺寸更小，解析度更高。目前很多科研機構都在進行紫外單縱模激光光刻技術相關的研究，該技術已成為最近幾年的一個熱點應用。

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備的光源是光纖激光器和CO2激光器，但是在一些特殊的領域，固體端泵激光光源擁有其它激光器沒有的優勢而被廣泛應用於如蛋類、水果、鑽石劃線等加工領域。

端泵532 nm打標機標刻的蘋果與雞蛋

很多蛋類、水果產品都需要在外殼上印上特有標記，如廠家LOGO、生產日期、條碼等。用CO2激光器和端泵綠光激光器都可以對蛋殼打標，但是標刻後放置3~5天後，用CO2激游標刻的雞蛋逐漸變質、發臭，打標位置腐爛，而用綠光激光器標刻的雞蛋和蘋果沒有任何變化，經過測試，雞蛋的保質期也沒有受到影響。

紫外激光鑽石精細標刻

紫外鑽石精細標刻屬於冷加工，其標刻的字體線條更細，速度更快，對於大部分鑽石而言不用再塗一遍標刻液，省去了一道程序從而提高了標刻效率，相信將對珠寶行業產生巨大影響。

隨著人們生活水平的提高，對鑽石類的消費也是越來越多，中國已經是世界第二大鑽石消費國，隨著鑽石珠寶行業的發展和紫外精細標刻技術的進步與成熟，紫外激光器在加工應用領域未來幾年甚至更長的時間裡將會增長。

11

粒子圖像測速技術

粒子圖像測速技術即我們熟知的PIV技術，是一種基於流場圖像相關分析的測量技術，是一種瞬態、多點、無接觸式的流體力學測速方法，它克服了傳統手段單點測量的局限性，能在同一瞬態記錄下大量空間點的速度分布信息，並可提供豐富的流場空間結構以及流動特性。

隨著計算機、圖像處理技術尤其是激光器產業的快速發展，PIV技術在近10年來有了長足發展，廣泛應用在風洞實驗、建築工程、海岸工程、船體設計、環境研究、波動力學等領域。

隨著社會的發展，越來越多的相關工程或產品都會藉助PIV技術進行完善與改進，相應地，對PIV用固體激光器的需求也會增加。PIV技術常用的激光器分為高功率綠光連續輸出激光器及脈衝激光器，一般為W級以上的輸出功率或是mJ級以上的脈衝輸出能量。

哈爾濱工業大學PIV用20 W連續輸出532 nm固體激光器實驗場景圖

本文僅根據我們的部分市場調研及客戶實例列出了近年比較熱門的固體激光器一些應用，還有很多尚未列舉的應用領域。縱觀國內外固體激光器的相關科研及產業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參數特點和優勢，擁有眾多細分的應用領域，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。

=========分界線=========

選光電產品，就上光電匯