【激光】27類激光技術前沿應用
發表時間：2022-04-15 09:19
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。
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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。
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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。
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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。
激光器要求：低噪聲，高功率穩定性，窄線寬，自由空間/光纖耦合輸出，單波長/多波長可選。
常用波長：266nm，355nm，405nm，473nm，520nm，532nm，561nm，640nm，808nm，980nm等。
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光聲成像
光聲成像技術是指：當用短脈沖激光輻照生物組織時，位于組織體內的吸收體（如腫瘤）吸收脈沖光能量，從而升溫膨脹，產生超聲波；這時，位于組織體表面的超聲探測器可以接收到這些外傳的超聲波，并依據探測到的光聲信號來重建組織內光能吸收分布的圖像。近年來，光聲斷層成像、光聲顯微成像、光聲內窺成像發展迅速，使得532nm高重頻固體脈沖激光器，以及可調諧激光器得到廣泛應用。
對比其他醫學成像技術，光聲成像技術的優點及先進性：
?。?）使用非電離輻射，是一種無損的醫學成像技術。
（2）結合了光學成像的高對比度和超聲成像的高分辨率。解決了光學成像/超聲成像對比度不高，無法有效監測早期腫瘤的問題。
?。?）適用于通過內源性對比進行功能，代謝和組織學成像，以及通過外部對比進行分子和細胞成像。并可與其他成像模式互補并兼容，尤其是光學成像和超聲成像。
激光器要求：光點穩定性好，光斑優。
常用波長：266nm，457nm，532nm，660nm，770-840nm可調諧激光器等。
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光學相干層析成像（OCT）
光學相干層析成像(OCT)是20世紀90年代逐步發展而成的一種新的三維層析成像技術。
OCT基于低相干干涉原理獲得深度方向的層析能力，通過掃描可以重構出生物組織或材料內部結構的二維或三維圖像。其信號對比度源于生物組織或材料內部光學反射(散射)特性的空間變化。該成像模式的核心部件包括低相干寬帶激光光源、光纖邁克爾遜干涉儀和光電探測器，其軸向分辨率取決于寬帶光源的相干長度，一般可以達到1-15μm，而徑向分辨率與普通光學顯微鏡類似，決定于樣品內部聚焦光斑的尺寸，一般也在微米量級。
OCT具有非接觸、非侵入、成像速度快(實時動態成像)、探測靈敏度高等優點。目前，OCT技術已經在臨床診療與科學研究中獲得了廣泛的應用，如眼科醫療，視網膜病、牙科齲齒的檢測、心血管疾病探查、胃腸道疾病檢測、乳腺癌早期診斷等，具有其他檢測設備無法比擬的高分辨率和精準度。
主要組成：低相干寬帶激光光源，光纖邁克爾遜干涉儀，光電探測器等。
激光器要求：較寬的頻譜寬度，高輸出功率，高功率穩定性，易于耦合。
常用波長：1470nm，1550nm，1710nm等。
6
DNA測序
DNA測序是指通過分析特定DNA片段堿基序列，也就是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤的（G）排列方式，獲得生物遺傳信息的方法。
DNA測序采用鏈終止法，在DNA轉錄末端引入帶有熒光標記的寡核苷酸，此時DNA被分成了長度不同的單鏈；再使其通過激光聚焦光束，不同熒光素會發出不同顏色熒光，達到標記核苷酸排序的目的。DNA測序的出現極大地推動了生物學和醫學的研究和發現。
激光器要求：高波長穩定性，高功率，優光斑均勻性。
常用波長：473nm，488nm，505nm，514.5nm，532nm，561nm，577nm，639.5nm等。
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光鑷
光鑷(Optical tweezers)技術基于光輻射壓力與單光束梯度力光阱，是用物鏡下高度匯聚的激光形成的三維梯度勢阱來俘獲、操縱和測量微小顆粒力學特性的光學技術。光鑷的應用可歸納為四類，即光鑷與細胞生物學、光鑷與單分子生物學、光鑷與膠體科學以及光鑷與物理學4個學科領域。光鑷技術在這些領域已成功解決了許多的重大科學問題。經過近30年的發展，光鑷技術得到了極快的發展。由過去簡單的單光鑷演化出了許多其他的類型，極大地擴大了光鑷技術在現代科學技術領域的應用。
1）全息光鑷：可以自由控制多個粒子，使得粒子的融合、吸附以及粒子間或粒子與表面的相互作用研究得到簡化。利用全息元件或空間光調制器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優勢，為光鑷技術走向實用化、規模工業生產打開了新局面，是目前光鑷家族極具活力的成員。
2）等離子體光鑷：用最小激光能量鑷取最小微粒的納米光鑷。通過采用等離子體光鑷結構，被捕獲的納米顆粒的運動被限制在等離子體區域，該區域比激光的衍射限制區域小得多，使得捕獲更加穩定。等離子體光鑷技術可以克服自由空間衍射帶來的限制，增強阱內的局部光強度，能解決目前光鑷技術研究中存在的進場光鑷倏逝場偏弱、金屬顆粒難以捕獲等問題。等離子光鑷技術不僅將加速生命/納米/材料科學的研究進展，而且還將產生新的功能材料、納米醫學和診斷工具。這一科學領域在未來將繼續迅速發展。
激光器要求：低噪聲，高功率穩定性。
常用波長：532nm、635nm、1064nm等。
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光遺傳學
光遺傳學就是應用光來控制細胞的活性，已經被證明是神經科學中一種潛力無窮的研究工具。該技術整合了光學、軟件控制、基因操作技術、電生理等多學科交叉的生物工程技術。人們可以借助光遺傳學技術對活體組織的特定細胞進行調控，開啟或關閉某個已經被研究得非常清楚的細胞功能。
光遺傳技術控制細胞的流程：首先向細胞內轉入一個合適的光敏蛋白基因；以激光作為刺激媒介，在不同波長的激光照刺激下達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的（可以光纖輸出局部刺激細胞，也可以空間光輸出大范圍刺激腦區）；最后收集輸出信號，讀取結果或者通過適當控制編程實現控制生物活動的效果。光遺傳技術可以推廣到所有類型的神經細胞，已經衍生出了幾個富有前途的轉化型研究領域，比如在神經病學的應用研究，可以用于眼病的治療，神經修復學領域，心臟疾病，帕金森癥等。
激光器要求：根據實驗需求選擇合適功率檔，選配光纖跳線、陶瓷插針、可旋轉光纖連接器、光纖支架等。
常用波長：405nm, 457nm, 473nm, 532nm, 561nm, 589nm, 635nm, 808nm, 980nm, 1064nm等。
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光動力治療
光動力治療（PDT）是繼外科手術、化學治療、放射治療后出現的治療腫瘤的新技術。具有創傷小、毒性低、選擇性好、適用性高等優點。
其原理是應用一種給藥方式給予光敏藥物后，在一定時間間隔內采用特定波長的光源照射腫瘤部位；利用光敏藥物的光敏化特性，使選擇性聚集在腫瘤組織的光敏藥物活化，在光源的激勵下產生一系列的化學、物理、生物等光反應破壞腫瘤。新一代光動力療法中的光敏藥物會將能量傳遞給周圍的氧，生成活性很強的單態氧。單態氧能與附近的生物大分子發生氧化反應，產生細胞毒性進而殺傷腫瘤細胞。
光源是保證光動力治療順利實施的必要因素之一。而好的光源應該具備以下幾個特點：（1）光波長處于光敏藥物吸收峰附近，（2）光源在使用過程中需要有一定的組織穿透性，（3）光功率最好可調，（4）激光的輸出可與光纖相結合使用，保證治療靶向點更加精確等?？偠灾?，光動力治療離不開高品質的光源，隨著光動力治療技術的日漸成熟，適用于光動力治療的光源也將會隨著科學研究技術的進步而日臻完善。
激光器要求：連續/脈沖輸出，自由空間/光纖耦合輸出可選。
常用波長：405nm, 457nm, 532nm, 561nm, 577nm, 589nm, 635nm, 808nm等。
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單細胞分選
單細胞分選具有無標記、非接觸、準確率高、廣泛適用等特點。利用激光與物質相互作用，非接觸性地將附著在芯片上的目標單細胞從復雜的生物樣本中彈射至接收裝置中，從而實現直觀、準確的單細胞分離。
與傳統的流式細胞分選技術相比，單細胞分選：（1）可最大程度保持細胞本來的狀態，實現精準分選。（2）可應對各種性狀（不同類型、尺寸）的復雜生物樣本，特別適用于微生物單細胞分選。（3）具有良好的兼容性，可與多種細胞識別裝置耦合，實現特異性單細胞分選。例如：與共聚焦拉曼顯微鏡耦合，可根據拉曼光譜這一單細胞“分子指紋”，實現單細胞非標記識別與精準分選；與熒光顯微鏡耦合，可根據已知特異性表型單細胞的熒光標記，實現快速、精準分離；與光學顯微鏡耦合，可根據形態、大小、染色結果識別細胞，實現最直觀的單細胞分選。
單細胞分選為環境、臨床等復雜生物樣本中的單細胞，特別是微生物分選提供先進可靠的技術手段。能夠在單細胞水平上實現對目標微生物的分離，結合基因測序技術，建立單細胞表型與基因型的聯系，突破了群落中功能基因難以驗證這一生物學長久以來面臨的困境；同時基于微生物單細胞的代謝機制研究，使未培養微生物的純菌株獲取成為可能，開創微生物單細胞基因組學研究的新方法，拓展人類對未知微生物世界的探索與資源利用。未來，單細胞激光分選將為微生物資源利用、疾病診斷、制藥工程、健康管理等領域提供可靠的單細胞分選解決方案，推動單細胞研究領域快速發展，為生命科學打開一個全新世界。
激光器要求：脈沖輸出，高能量穩定性。
常用波長：355nm，532nm等。
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金剛石NV色心高靈敏度探測
NV色心是金剛石中的一種發光點缺陷。一個氮原子取代金剛石中的碳原子，并且在臨近位有一個空穴，這樣的點缺陷被稱為NV色心。NV色心存在著光致變色現象，在激光的泵浦下表現出較強的熒光，用不同波長激光泵浦時會觀察到NV色心熒光強度和波長的變化。
NV色心獨特且穩定的光學特性使其擁有廣泛的應用前景。在量子信息領域，NV色心可以作為單光子源用于量子計算。在生物學領域，NV色心是完美的生物標識物，具有光學性能穩定，細胞毒性低的特點。NV色心作為具有量子敏感度的傳感設備，還可應用于納米尺度磁場、電場、溫度、壓力的探測等。
激光器要求：低噪聲、脈沖激光器或連續激光器均可。
常用波長：532nm，589nm，637nm等。
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光致發光測定半導體材料組分
光致發光光譜（Photoluminescence Spectroscopy，簡稱PL譜），是一種探測材料電子結構的分析測試方法。具有非接觸、無損傷、分辨率/靈敏度高等特點。
光致發光是指物質吸收光子（或電磁波）后重新輻射出光子（或電磁波）的過程。從量子力學理論上講，這一過程可以描述為物質吸收光子躍遷到較高能級的激發態后返回基態，同時放出光子的過程。物體依賴外界光源進行照射，從而獲得能量，產生激發導致發光。它大致經過吸收、能量傳遞及光發射三個主要階段，光的吸收及發射都發生于能級之間的躍遷，都經過激發態。而能量傳遞則是由于激發態的運動。紫外輻射、可見光及紅外輻射均可引起光致發光。光致發光的數量與類型依研究的物質與使用的激光波長而定。選擇適當的激光波長一般可避免不必須要的熒光干擾。
目前，光致發光的光譜結構和光強是測量包括半導體材料在內的許多重要材料光學性質、電子能級結構等的重要手段。
主要組成：光源系統，分光系統，樣品檢測系統，數據采集及處理系統等。
常用波長：266nm，325nm，360nm，532nm，808nm，980nm等。
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鈉激光導星
激光導星技術（LGS）是現代大型天文望遠鏡自適應光學系統的重要組成部分，以鈉激光導星發射的光信號波前為標準，測量該波前通過大氣產生的相位畸變獲得誤差信號，通過變形鏡校正補償該誤差，使望遠鏡的實際分辨率達到衍射極限，從而實現對觀測目標的高分辨成像。近些年來迅速發展的鈉激光導星技術在一定程度上彌補了自適應光學技術的缺點：（1）受大氣湍流干擾無法達到理論上的衍射極限；（2）有時只能高清晰地觀測有限的空間目標。
鈉激光導星的作用就是在待觀測目標附近激發足夠亮的人造光源。海拔90-110 Km的大氣中間層分布著一層厚度為10公里的鈉原子層，通過波長為589.159nm高性能激光激發鈉原子發出共振熒光，形成一顆人造的點光源，即稱為激光鈉導星。激光鈉導星是國內外地基大口徑望遠鏡自適應光學系統的重要組成部分，鈉激光導星自適應光學系統是用于校正天文目標光波前畸變、大幅度擴大空間探測范圍、提高地基光學望遠鏡成像分辨率的有力工具。該項技術在空間目標識別、空間激光通信和天文觀測等領域都具有著重要的應用前景。
2012年，由中科院長春光機所和新產業光電技術有限公司共同承擔的所創新項目“鈉激光導星實驗系統及關鍵技術研究”項目順利結題，成功捕獲到鈉激光導星圖像，并已可長期穩定地進行觀測實驗?？蒲腥藛T通過不懈努力，掌握了鈉激光導星非線性和頻激光器、微弱信號成像、導星數據分析方法等多項關鍵技術，為工程化實際應用奠定了堅實的基礎。
主要組成：激光器、發射系統，接收系統，波前探測控制系統、圖像采集系統等。
激光器要求：高功率、高光束質量、窄線寬、波長可調、高波長穩定性等。
常用波長：589.159nm。
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三維粒子圖像測速（PIV）
PIV技術是一種瞬態、多點、無接觸式的流體力學測速方法。
在流場中散播一些跟蹤性與反光性良好的示蹤粒子；用激光片光照射到所測流場的切面區域；通過成像記錄系統連續攝取兩次或多次曝光的粒子圖像；再利用圖像互關方法分析所拍攝的PIV圖像，獲得每一小區域中粒子圖像的平均位移，由此確定流場切面上整個區域的二維流體速度分布。PIV技術廣泛應用在風洞中的流場測量，湍流流場測定，顆粒流的研究等領域。
二維PIV技術近幾年主要向著高頻率、高精度的方向發展。除此之外，多相流PIV和微PIV也逐漸發展成熟。除此之外，在PIV技術出現以來，三維PIV一直是研究的重點方向，目前學者們也已提出了多種途徑來實現三維流場的測量。三維PIV技術的逐步推廣，對諸如非定常、非周期性三維流動研究具有重要現實意義。
主要組成：相機，激光器，圖像數據采集系統，系統控制/圖像數據分析軟件。
激光器要求：片光源，連續/單脈沖/雙脈沖輸出，選配導光臂/光纖。
常用波長：405nm，447nm，532nm，671nm，808nm等。
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大幅畫三維彩色全息
三維彩色全息技術，就是一種在三維空間中投射三維立體影像（影像為物理上的“立體”而非單純視覺上的“立體”）的次時代技術。這項技術是利用干涉和衍射原理來記錄并再現物體真實的三維立體圖像的技術，由于干涉信息每個點都記錄在全息圖上，所以即便損壞也可以完整的看到整個像。由于三維彩色全息圖比單色全息圖更能真實的反應物體的原始信息，因此在全息顯示方面具有廣闊的應用前景。
為實現高清晰、大幅畫、三維彩色全息顯示，利用全息角度復用技術、全息旋轉復用技術和全息波長復用技術在液晶薄膜中實現多重復用全息顯示，采用RGB三色激光實現RGB圖像分量的再現。RGB圖像分量被記錄在三個不同的全息圖中，這三個全息圖利用角度復用被記錄在液晶薄膜的同一記錄點。綠色激光作為記錄光同時記錄三幅全息圖，然后紅綠藍三色激光分別讀出相應的全息圖，這三幅RGB圖像合成為三維彩色全息圖像。
目前，三維彩色全息技術在立體電影、電視、展覽、顯微術、干涉度量學、投影光刻、軍事偵察監視、水下探測、金屬內部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術品、信息存儲、遙感，研究和記錄物理狀態變化極快的瞬時現象、瞬時過程（如爆炸和燃燒）等各個方面獲得廣泛應用。
激光器要求：長相干/窄線寬，高功率/頻率/指向穩定性。
常用波長：405nm，457nm，473nm，532nm，589nm，639nm，660nm，671nm，RGB合光等。
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短波紫外拉曼
近年來，在激光技術和納米科技的迅猛發展之下，拉曼光譜呈現顯著的上升趨勢。短波紫外激光器正在拉曼光譜領域涌現出新應用。短波紫外激光器具有波長短、光子能量大、衍射效應小、分辨能力強、熱效應小等優點。同時，短波紫外拉曼光譜解決了拉曼光譜幾十年來沒有解決的熒光干擾的問題。因為在短波紫外激發下拉曼信號和熒光信號在不同的光譜區域，不會受到干擾。而使用可見激光激發時，拉曼信號和熒光信號往往會重疊在一起，又由于熒光的信號強度是拉曼信號強度所無法比擬的，因此熒光信號會干擾甚至完全湮沒拉曼信號。使用短波紫外激光激發時，拉曼信號仍位于靠近激光線附近的位置，而熒光則在較高波長的位置，由此拉曼和熒光信號不再重疊，熒光問題也不復存在。
對于某些特定樣品來說，短波紫外激光與樣品相互作用的方式與可見激光不同，并且拉曼信號可以通過共振拉曼信號得到增強，在很大程度上擴寬了拉曼光譜在物理、化學、生物、材料等領域中的應用。例如：（1）短波紫外激光在半導體材料中的穿透深度一般在幾個納米的量級，因而短波紫外拉曼可以用來對樣品表面的薄層（常見于新型硅基材料SOI材料)進行選擇性分析。（2）短波紫外激發也可以與蛋白質、DNA、RNA等生物樣品產生特定的共振增強進而對樣品的結構進行特定的分析，而使用可見光激發則無法實現。（3）短波紫外拉曼在探測金屬中心合成物、富勒分子、聯乙醯以及其他的稀有分子上也是一種重要的技術，這些材料對于可見光都有著很強的吸收等。
中科院大連化物所李燦院士課題組采用CNI-261nm短波連續紫外激光器，用于分子篩、雜原子分子篩的結構、合成、催化表征及原位表征研究，并取得重要成果。緊隨激光拉曼光譜的發展，李燦院士課題組又進入了生物學領域。而生物學的一個重要特征是研究生物的手性問題，基于紫外拉曼光譜的思路：把常規的可見光移到了紫外區、短波區，移到短波區以后，手性拉曼的靈敏度、信噪比大幅度提升。成功于2017年成功研制第一臺短波長手性拉曼光譜儀。
未來，短波紫外激光技術將催生新一代納米技術、材料科學、生物技術、化學分析、等離子體物理等學科的發展。短波紫外激光到紅外激光，光電子技術將成為人類發展的重要基礎，而短波紫外激光技術正成為新的研究和應用熱點。
主要組成：激光器，光譜儀，拉曼探頭等。
激光器要求：窄線寬，高波長穩定性，高光譜純度。
常用波長：213nm——360nm等。
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高精度視覺檢測
高精度視覺檢測是人工智能正在快速發展的一個分支。簡單說來，就是用機器代替人眼來做測量和判斷。
高精度視覺檢測系統的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源于圖像之中，圖像本身的質量對整個視覺系統極為關鍵。而光源則是影響整個系統圖像水平的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。通過合適的光源及光學系統設計，使圖像中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，同時提高系統的定位、測量精度，使系統的可靠性和綜合性能得到提高。
在國外，高精度視覺檢測的應用相當普及，主要集中在電子、汽車、冶金、食品飲料、零配件裝配及制造等行業。高精度視覺檢測系統在質量檢測的各個方面也已經得到廣泛的應用。在國內，這一應用剛剛起步，目前主要集中在制藥、印刷、包裝、食品飲料等行業，但隨著國內制造業的快速發展，對于產品檢測和質量的要求不斷提高，各行各業對圖像和高精度視覺檢測技術的工業自動需求將越來越大，因此該技術在未來制造業中將會有巨大的發展空間。
主要組成：光源，圖像攝取裝置、圖像采集/處理卡、圖像處理系統等。
激光器要求：功率密度分布均勻，直線度高，條紋精細，邊緣清晰，一字線、網格、多線、十字、多圓環等多種衍射模式可選。
常用波長：405nm-980nm范圍，多種波長可選。
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激光誘導光譜（LIBS）
激光誘導光譜（LIBS）技術具有無接觸式、破壞性小、快速原位遠程分析、多元素同時在線監測等特點。
將高峰值功率脈沖激光聚焦到測試位點，當激光脈沖的能量密度大于擊穿閾值時，就會在樣品表面產生等離子體。等離子體能量衰退過程中產生連續的韌致輻射以及內部元素的離子發射線，通過光譜儀采集光譜發射信號，分析譜圖中元素對應的特征峰強度，進而可以進行材料的識別、分類、定性以及定量分析。廣泛應用于土壤、水及空氣等環境污染監測領域，同時在植物學，考古學，工業過程監控和空間探索等方面也有多種應用。
如今，LIBS技術的發展正呈現出突飛猛進的勢頭，研究熱點則主要集中于更高的靈敏度、更高的準確性、更好的選擇性、更高的自動化程度、儀器的小型化和智能化等方面。
主要組成：激光器，光學系統，三維自動調節樣品臺，光譜儀（單通道/多通道），軟件分析系統等。
激光器要求：高能量穩定性，小體積，低Jitter值，脈寬ns量級，能量mJ量級。
常用波長：1064nm，532nm，355nm，266nm等。
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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?？梢哉f3D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。
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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。
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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）。
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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?；诩m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。
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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?？蓪Ω鞣N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。
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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。
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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。
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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。
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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?；诩す庥龅窖毎麜a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。
