近年來，以激光器為基礎的激光產業在全球發展迅猛。據統計，每年和激光相關產品和服務的市場價值高達上萬億美元。 得益于應用領域的不斷拓展，中國激光產業也逐漸駛入高速發展期。

本文將為大家介紹27類激光前沿應用，并對激光器的選擇提供一些參考性建議 。

數字PCR（dPCR）

數字PCR是第三代PCR技術，是一種核酸分子絕對定量技術。與傳統qPCR技術相比，數字PCR(dPCR)具有：絕對定量、無需標準品、樣品需求低，高靈敏度，高耐受性等特點。

數字PCR一般包括兩部分內容，即PCR擴增和熒光信號分析。在PCR 擴增階段，數字PCR一般需要將樣品稀釋到單分子水平，并平均分配到幾十至幾萬個單元中進行反應，通過特定激光來激發出通道中的熒光信號。在擴增結束后對各個反應單元的熒光信號進行統計學分析，最后通過直接計數或泊松分布公式計算得到樣品的原始濃度或含量。相對于qPCR技術，dPCR技術具備以下優勢： （1）靈敏度可達單個核酸分子：檢測限低至0.001%；（2）無需標準品/標準曲線，即可對靶分子起始量進行絕對定量；（3）特別適合基質復雜樣品的檢測；（4）能夠有效區分濃度差異（變化）微小的樣品，有更好的準確度、精密度和重復性。 目前，數字PCR技術在病原體檢測、癌癥生物標志物研究和拷貝數變異分析、基因表達分析、環境監測、食品檢測等領域得到廣泛應用。

常見的數字PCR(dPCR)技術主要有兩種：微滴式dPCR(ddPCR)和芯片式dPCR(cdPCR)。兩者基本原理相同，由于芯片式dPCR制造芯片的成本較高，目前微滴式dPCR以更低成本、更實用的優勢，正越來越受到企業的認可。微滴式dPCR(ddPCR)也在此次疫情防控中有力推動了對疑似疫情感染患者的甄別工作。

主要組成：熒光通道、激光器、光學檢測器、數據采集系統等。

激光器選擇：高功率穩定性，光斑高斯分布。

常用波長：405nm，473nm，532nm，639nm等。

流式細胞術

流式細胞術是一項集激光技術、電子物理、流體力學、光電測量技術、計算機技術、單克隆抗體技術為一體的新型高科技技術，被譽為實驗室的“CT”，是一種可以對細胞(或亞細胞)結構進行快速測量的新型分析技術和分選技術。

通過快速測定庫爾特電阻、熒光、光散射和光吸收來定量測定細胞 DNA含量、細胞體積、蛋白質含量、酶活性、細胞膜受體和表面抗原等許多重要參數。根據這些參數將不同性質的細胞分開，以獲得供生物學和醫學研究用的純細胞群體。隨著流式細胞技術水平的不斷提高，其應用范圍也日益廣泛。流式細胞術已普遍應用于免疫學、血液學、腫瘤學、細胞生物學、細胞遺傳學、生物化學等臨床醫學和基礎醫學研究領域。

主要組成：液流系統，光路系統，信號測量和細胞分選等。

激光器要求：高穩定性，低噪聲，定制光斑。

常用波長：355nm，360nm，405nm，473nm，488nm，532nm，561nm，593.5nm，640nm，671nm，785nm等。

熒光顯微成像&共聚焦顯微成像

熒光顯微技術是利用激光作為激發光源激發熒光基團產生熒光而成像，產生的熒光波長一般與激發光不同。它與一般光學顯微鏡一樣是場激發，因而只能面成像。

共聚焦顯微技術是在熒光顯微分析技術的基礎上發展起來的，利用熒光顯微鏡可以對生物樣品發出的熒光進行觀察和分析。但是熒光顯微鏡收集到的是樣品的整體熒光，來自樣品內不同部位的熒光信號相互干擾、難以區分，無法獲得準確的定位和定量信息。

共聚焦顯微技術的出現很好地解決了這一問題，這一技術可以獲取細胞內某個薄層面上的熒光信息，而該層以外的信號被消除掉，成像清晰程度大大提高。結合計算機自動控制，可以對熒光信號的分布、強度和動態變化進行全方位的分析，得到豐富的信息。與傳統顯微鏡相比，共聚焦顯微鏡可抑制圖像的模糊，獲得清晰的圖像；具有更高的軸向分辨率，并可獲取連續光學切片，增加側向分辨率；點對點掃描，去除了雜散光的影響。其應用領域擴展到細胞學、微生物學、發育生物學、遺傳學、神經生物學、生理和病理學等學科的研究工作中，成為現代生物學微觀研究的重要工具。

3D掃描與打印

3D掃描技術：3D激光掃描技術是是測繪領域繼“GPS定位技術”后的又一項技術革新。其利用激光掃描系統快速、自動、實時獲取目標表面三維數據。近年來，隨著掃描設備和應用軟件的不斷發展與完善，3D掃描技術具有更高的便捷度及測繪精準度。該技術的應用已從初期的測量領域，拓展到工業制造、交通建設、社會治理以及安全監管等多個方面，被廣泛認為是“大數據”時代基礎數據獲取的重要技術之一。

目前我國已經成功的掌握了“機載3D掃描技術”，這標志著我國在3D掃描領域成功躋身國際一流水平。

3D打印技術：3D打印學名增材制造（AM），以計算機三維設計模型為藍本；通過軟件分層離散和數控成型系統；利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。

3D打印的優勢和核心在于可以打印任何復雜幾何、鏤空形狀，小批量個性化定制、一體成型等。3D打印的核心技術有FDM熔融層積成型技術、SLA光固化技術、SLS選擇性激光燒結技術這三種為常用類型。可以說3D打印在很大程度上顛覆了傳統制造行業，是科技時代的產物。

激光器要求：優光束質量，選配擴束器。

常用波長：355nm，360nm，405nm，488nm， 532nm，1064nm等。

星載激光雷達

激光雷 達是 以激光作為載波，以光電探測器為接受器件，以光學望遠鏡為天線的雷達。利用光頻波段的電磁波先向目標發射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發射信號相比較，從而獲得 目標 的位置(距離、方位和高度)、運動狀態(速度、姿態)等信息，實現對目標的探測、跟蹤和識別。 激光雷達相較于傳統雷達，以精準的空間分辨率、精確的時間分辨率、超遠的探測距離等特點成為了先進的主動遙感工具。

目前，世界上主要的空間大國都在開展 星載激光雷達 的研究。與機載激光雷達相比，星載激光雷達具有許多不可替代的優勢。 星載激光雷達采用衛星平臺，運行軌道高、觀測范圍廣、可以觸及世界的每一個角落，為三維控制點和數字地面模型獲取提供了新的途徑，對于科學研究具有十分重大的意義。

上海光機所研制的星載激光雷達系統是我國首顆星載激光雷達基本載核系統。采用3波長體制、5通道探測：1572nm-1通道，532nm3通道，1064nm1通道，可以實現對二氧化碳的濃度，氣溶膠、云的偏振等特性的探測。其整體設計性能指標優于國外同類產品，實現從跟跑到領跑的跨越。

星載激光雷達 的迅速發展，體現出這個新興探測方式所具有的獨特潛力。研 究和解決星載激光雷達的關鍵技術，建立起自己的星載激光雷達系統。將為我國的天體觀察、地形地貌測量、海洋科學以及空間探測等科學研究提供必要的手段，具有重要的科學和應用價值，是提升我國空間科研水平和綜合國力強有力的保障。

主要組成：激光器， 發射系統，接收系統，信息處理等。

激光器要求：窄脈寬，高光束質量，高波長、能量穩定性、高偏振比，高單脈沖能量。

常用波長：1572nm, 1550nm, 1064nm, 532nm, 355nm, 266nm等。

激光粒度分析

激光粒度分析 是一種新型的顆粒測量技術，結合了激光技術、光電技術、精密機械和計算機技術。具有響應速度快、測試范圍寬、重復性好等特點。不僅可以測量固 體顆粒還可以測量液體顆粒，可測量到微米甚至納米級的顆粒大小。

激光束照射到顆粒上發生衍射，衍射后激光會偏移原有的傳播路徑；根據Furanhofer衍射理論，顆粒越大偏移量越大，經過聚焦鏡聚焦到后焦平面的多元光電探測器，通過探測到衍射光的位置以及強度；再利用Mie散射理論分析出顆粒的大小以及數量。測試過程不受溫度變化、介質黏度，試樣密度及表面狀態等諸多因素的影響，只要將待測樣品均勻地展現于激光束中，即可獲得準確的測試結果。 目前激光粒度分析技術已廣泛應用于粉末冶金、薄膜分析、海洋分析、環境檢測等領域。

主要組成：激光器，分散系統，光路系統等。

激光器要求：高功率穩定性，高重復性，優光束質量，環境適應性強，波長越短測量精度越高，可配光學平臺使用保證光路的穩定。

常用波長：532nm，633nm（可替代氦氖激光器）。

量子通信

量子通信 是一項融合了現代物理學和光通信技術研究成果的量子技術。傳統的激光通信是用激光本身來傳信息，而量子通信是用激光來產生密鑰，然后利用量子態和量子糾纏效應進行信息或密鑰傳輸的新型通訊方式。量子通信方式很難被監控及竊聽，具有其他通訊方式不具備的安全性。量子密鑰分發根據所利用量子狀態特性的不同，可以分為基于測量和基于糾纏態兩種。基于糾纏態的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應，即兩個經過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態被測量時，同時會得到另一個粒子的狀態。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。

中國作為全球第二大經濟體，在量子科學領域其實起步并不算早，但卻發展的很快。 2016年，中國發射世界首顆量子科學實驗衛星——“墨子號”。完成了包括千公里級的量子糾纏分發、星地的高速量子秘鑰分發，以及地球的量子隱形傳態等預定的科學目標。2017年，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”的正式開通，成功實現人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通信。干線全長2000余公里，全線路密鑰率大于20千比特/秒可同時供上萬用戶密鑰分發。2020年，祝世寧院士團隊完成了首個基于無人機平臺的量子糾纏分發實驗，該系統量子糾纏光源每秒可產生240萬對糾纏光子，能夠與高空無人機、高空氣球建立長距離鏈路，并與現有的光纖和衛星量子網絡連接，解決量子網絡不同層次之間全天候、廣覆蓋的問題。

近年來， 量子通信技術已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注，量子信息技術已成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

激光器要求：光點穩定性好，光斑優，偏振比高等。

常用波長：405nm，488nm，520nm，532nm，635nm，1064nm等。

免疫濁度測定

免疫濁度測定是將現代光學測量儀器與自動分析檢測系統相結合應用于沉淀反應的免疫檢測技術中的一種重要手段。當可溶性抗原與相應的抗體特異結合，在二者比例合適、并有一定濃度的電解質存在時，可以形成不溶性的免疫復合物，使反應液出現濁度。這種濁度可用肉眼或儀器測知，并可通過濁度推算出復合物的量，即抗原或抗體的量。免疫濁度測定是定量測定微量抗原物質的一種高靈敏度、快速的自動化免疫分析技術。可對各種液體介質中的微量抗原、抗體和藥物及其他小分子半抗原物質定量測定。

按測量方式可分為光透射免疫比濁法和光散射免疫比濁法。光透射免疫比濁法測量透過光的強度。該方法操作簡便，結果準確，能用全自動化或半自動化的儀器進行分析。但靈敏度低于散射比濁法、且抗體用量較大、耗時較長，不宜用于藥物半抗原的檢測。光散射免疫比濁法測量散射光的強度。該方法避免了透射光中所含有的透射、散射甚至折射等雜信號成分的影響，靈敏性和特異性均優于透射比濁法。該方法：（1）入射波長越短，散射光越強，（2）散射光強度與粒子的濃度和體積成正比，（3）散射光強度隨焦點至檢測器距離的平方和而下降。

目前免疫濁度技術主要用于各種蛋白質、載脂蛋白、半抗原(如激素、毒物和各種治療性藥物等)及微生物等檢測。

激光器要求：高功率穩定性、高波長穩定性等。

常用波長：532nm，635nm，639nm，671nm，940nm等。

單分子定位顯微成像

在單分子定位顯微成像技術出現之前由于顯微鏡的“阿貝極限”或“衍射極限”限制，科學家無法清楚地觀察到小于200 nm的結構 。單分子定位顯微成像技術的出現打破了傳統光學顯微鏡的分辨率極限，實現了高達橫向10-20 nm，縱向20-50 nm的空間分辨率，為人們在單分子水平上觀測、研究細胞內的精細結構和功能提供了強有力的研究工具，極大地促進了生命科學的發展。

單分子定位顯微成像過程如下：激光照射到熒光樣品上，樣品經過激發后發射的熒光和少量的激光經過一系列光學濾波成像系統和算法的處理，經過CCD探測系統，最終成像在屏幕上。 熒光的產生是這個系統一個重要的環節，熒光的波長直接影響了這個系統的大部分參數。這里簡單介紹下熒光，熒光是由某種熒光分子（熒光素）通過吸收特定波長范圍的光（或電磁波），并受激發出的光波（或電磁波）。一般情況下，吸收的波長要短于發射的波長，也即吸收的能量要高于發射的能量，且吸收光譜與發射光譜有某種對稱性。

2019年，我國科學家研發了一種新型的干涉單分子定位顯微鏡技術，被稱為重復光學選擇性曝光，通過六種不同方向和相位干涉條紋來判斷熒光分子的精確位置信息。使得顯微鏡的分辨率提升到3nm以內的分子尺度，單分子定位精度接近1nm。該項技術的研發，將解析生物分子的水平大大提高。

激光器要求：高亮度、高效率、長壽命、無污染、無雜斑等。

常用波長： 257nm，360nm，405nm，430nm，457nm，532nm，545nm，561nm，579nm，647nm，671nm，800nm~1000nm寬帶光源等。

熒光漂白恢復

熒光漂白恢復技術是使用親脂性或親水性的熒光分子，用于檢測所標記分子在活體細胞表面或細胞內部運動及其遷移速率的一種技術。該技術的基本要求是：（1）選擇合適的熒光探針，（2）具備精確可控的激光激發和熒光檢測設備。

利用熒光探針進行標記，借助于高強度脈沖激光來照射細胞某一區域，目的是使該區域熒光分子的光猝滅。一段時間后，該區域周圍的非猝滅熒光分子會以一定的速率向受照射區域擴散，這個擴散速率可通過低強度激光掃描探測，可檢測該小分子是否有擴散現象。（注：漂白前和漂白后恢復都用盡可能弱的激光掃描全細胞，目的是得到掃描圖像而不引起熒光。）在整個過程中，監測漂白區域在各時間段的熒光強度變化并繪制曲線，從恢復曲線及其數據就可以得到關于分子遷移速率、動態分子比例等信息。 熒光漂白恢復技術與其它技術結合（如：共聚焦激光掃描顯微術可以控制光猝滅作用，實時監測分子擴散率和恢復速率，反映細胞結構和活動機制），為研究細胞膜的流動性提供了新的手段。

目前， 熒光漂白恢復技術 已發展成為定量測定細胞膜分子的流動性的方法之一。廣泛用于研究細胞膜表面受體的結合和解離速率常數及遷移速率，細胞骨架構成，核膜結構，跨膜大分子遷移率，細胞間通訊等領域。

激光器要求：光斑優，高峰值功率（漂白階段），低功率（漂白前/后）等。

常用波長：488nm，532nm，635nm，770-840nm可調諧激光器等。

鉆石精密刻劃

鉆石是世界上最堅硬的物質，而在小體積鉆石表面上實現精密刻劃，對于一般的鉆石刻劃方法來說具有極高的難度。鉆石激光精密刻劃克服了其它鉆石刻劃方法的弊端，用激光進行鉆石精密刻劃。具有標定速度快，可隨意選擇字符和圖案，字跡清晰美觀，對鉆石的光澤度和純度不產生任何影響的特點，在鉆石乃至珠寶行業都有廣泛的應用。

鉆石激光精密刻劃包括標線和微刻兩部分。激光鉆石標線：激光束經過振鏡系統，再經物鏡聚焦于物件的表面，計算機控制振鏡運動，實現光束按照設定的路徑移動并在未加工的鉆石表面刻蝕、形成標線，進而再進行切割加工。鉆石激光微刻：光學系統將鉆石成像于CCD的像元面上，CCD采集其圖像并顯示在計算機屏幕上，用于選取刻字的位置。然后再利用激光器輸出高峰值功率的激光，經過光學系統形成直徑很小的光斑并聚焦到鉆石的表面，在局部形成高能量密度的光輻照，使鉆石氣化或石墨化，達到打標的目的。鉆石激光微刻機采用物件移動的方式進行掃描，電動平移臺將物件按照設定的路徑作二維移動，從而實現激光光束聚焦于物件表面刻蝕，形成指定的文字或圖案。

中國鉆石珠寶行業從20世紀90年代便開始進入一個迅猛的發展期，其中鉆石業的發展速度更是驚人！小編相信，鉆石激光精密刻劃未來定會炙手可熱！

激光器要求：高重復性，優光束質量等。

常用波長： 1064nm，355nm等。

多普勒血流成像

激光多普勒血流成像 是一種無創組織血流檢測手段，也是是一項以大范圍體表圖象顯示微循環狀態的新技術。基于激光遇到血細胞會產生相移的原理，激光多普勒可以給出血流量、血流速度、血細胞濃度等。

該技術基于發射激光通過光纖傳輸，激光束被所研究組織散射后有部分光被吸收。擊中組織中運動血細胞的激光波長發生了改變（即多普勒頻移），而擊中靜止組織的激光波長沒有改變。這些波長改變的強度和頻率分布與監測體積內的血細胞數量、濃度和移動速度直接相關（頻移大小與運動速度成正比, 散射光強度與運動的紅細胞數量成正比）。通過接收光纖，這些信息被記錄并且轉換為電信號進行分析，利用計算機系統中各種圖像處理分析軟件存儲 、分析處理后，輸出反應血流情況的數據和反映血流與時間關系的曲線圖。 相比于光學微循環技術， 激光多普勒血流成像技術可以測量體表任何部位的微循環。相比于超聲多普勒，激光多普勒除了無創還可以檢測組織的微循環和人情緒激動時血液灌注的快速變化。

激光多普勒血流成像技術 目前已廣泛應用于中樞神經系統、皮膚、肌肉、胃腸道、肝、胰、腎、肺、脾、眼、耳、鼻以及骨骼等幾乎全身各個臟器的實驗或臨床組織微循環血流動力學研究，對疾病診斷、健康評價、藥物評價等有重要意義。

激光器要求：光纖輸出，連續/脈沖輸出等。

常用波長： 650nm，660nm，785nm 等。