He—Ne激光輻照種子光強的研究與設計

左春英　張欣艷　陳佰樹　王春香　王樂新

摘 要：目前，尚未見到詳細對比同一波長、不同功率（能量） 密度的激光誘變育種效果研究報告。這主要是因為實驗室缺少經濟實用且功率密度可以靈活調節的激光育種設備。本文通過采取激光光路中合理添加光學元件的措施，使得激光光強在一定范圍內連續可調，既保證了植株突變率需要的激光功率密度，同時又增加了輻照種子的面積。在本研究的基礎上，可以設計出經濟、方便、實用的，功率密度可調、單批次輻射種子增多的激光輻照儀。

關鍵詞：功率密度；激光誘變育種；光學元件；光強可調；激光輻照儀；輻照面積

目前常用的生物育種方法主要有誘變育種、基因工程育種。激光誘變育種技術與常規育種相比，具有高效、穩定、定向變異率高、當代變異、無污染等優點，而且激光還可以促使作物增產、提高植物的光合作用和根尖有絲分裂頻率等，所培育出的新品種均具有高產、優質、適應范圍廣等特性，所以該項技術在生物育種中得到廣泛應用。

激光誘變作為物理誘變的一種途徑，其生物學效應直接來源于其產生的光、熱、壓力和電磁效應的綜合應用。激光在輻照過程中產生活化效應，核仁被活化，使DNA、RNA和蛋白質的活性提高，使細胞DNA處于一種易突變的狀態，繼而發生一系列的諸如斷鍵、聚合等物理與化學變化，導致DNA分子的損傷和突變，RNA也隨之相應地發生變化，導致酶激活或鈍化，從而引起細胞分裂和細胞代謝活動的改變，最終引起突變株的生物性變化。

經調查研究發現，激光技術在農業中的應用必然涉及到激光種類及激光參數的選擇問題。如應用于農業增產方面， 不同波長的激光對不同作物都存在著最佳劑量， 即存在一個飽和劑量值。當超過此輻照劑量時會造成細胞組織的損傷， 導致激光從刺激作用到誘變作用。同樣， 激光育種也存在著有效劑量問題， 一般認為可采用半致死量， 但有報道， 認為以生理效應最大、變異最多的劑量為準。因此， 當今需要解決的問題是：第一， 確定出不同激光對一系列農作物的最佳劑量。第二， 探明各類激光的誘變及生物效應作用是否具有共性及劑量范圍。第三， 激光的特性參數包括波長、劑量、功率密度、偏振模式、連續或脈沖輸出方式與時空相干等， 應探明這些參數與激光生物效應的關系， 在實驗中正確判斷、準確選擇最佳激光參數。第四， 對種子大批量處理， 則需解決激光技術的普及、光束的調控、種子的自動擺放、自動傳送等一系列問題。

由于激光處理種子過程中一個很重要的不確定因素就是激光輻照的劑量問題，故為了能夠有效的進行實驗，需要所用激光器輻射功率密度可調，這樣才能滿足不同實驗要求。為此，本文提出了增加激光源輻照功率密度并使其連續可調的方法。

1 激光光源的選取

利用激光誘變技術進行生物育種，所選用的激光儀器設備有多種，波長從遠紅外的10.6～118.8微米，可見光的441.6～694.4納米，直至紫外線的265.1～333.7納米，幾乎所有波段的激光都具有誘變效果，照射劑量一般采用1～50焦耳·平方厘米-1，處理時間可以縮短至秒，也可以延長至數小時。考慮到誘變效果、費用和操作難易程度等因素，最常用的激光器為CO2和He-Ne激光器。

本實驗室有He-Ne激光器20臺，其發射光波波長為632.8納米，輸出功率分別為1.5毫瓦和11毫瓦，故該項研究選用選用He-Ne激光器。

2 實驗設計基本原理

若選購He-Ne激光器腔長為L，He-Ne激光器發射光波長為632.8納米（1納米=10-9米）。根據激光原理，此激光器所發基模出射光斑在激光器出射口半徑為：

若取腔長為L=250毫米的He-Ne激光器，其光斑半徑由上式可得r=0.228毫米，光斑面積s=πr2=0.163mm2。若其出射功率W1.5mW，可以得到此種激光器的輻射功率密度最小值為 。

由于激光處理種子技術中一項很重要的不確定因素就是激光輻照的劑量問題，故為了能夠有效的進行實驗，需要所用激光器輻射功率密度可調，這樣才能滿足不同實驗要求。如圖1為擬訂的可調激光器出射光強光路。

各光學元件功能介紹如下。

（1）He-Ne激光器作為輻照光源（主要參數：激光波長632.8納米，腔長L=250毫米，功率W1.5毫瓦）。

（2）聚焦透鏡：調節出射光斑半徑。若想在給定功率的條件下提高功率密度，可以將光束通過聚焦透鏡，在通過光程不同的條件下，可以得到不同的的出射光斑半徑，不同焦距的透鏡可以將光斑縮小不同的比例，并且縮小效果顯著，可以達到縮小一個數量級的程度。

（4）擴束鏡：將激光擴束，這樣可以增大照射種子的面積。

（5）準直鏡：用于將出射光強調節均勻。

（6）平面鏡：改變光路，將光輻照到種子上。

3 實驗操作方法、步驟

（1）調節各儀器的高度，使其中心位置處于同一高度處。（2）測量激光束腰位置到透鏡距離及透鏡到第一片偏振片的距離，由①～⑤式子確定入射到第一片偏振片處的光斑半徑。（3）固定第一片偏振片，按照所需光輻照強度，調節第二片偏振片與第一片偏振片間的夾角，由夾角的不同可以得到不同的出射光強。（4）按照需要照射種子的面積選擇合適倍數的擴束鏡（例如已知通過偏振片出射光斑的偏振片的直徑為10毫米，選擇型號BEST-633-3的He-Ne激光擴束鏡，即擴束倍數為3，那么最大光斑輸出直徑為28毫米，即可以輻照約615平方毫米的種子）。（5）調節激光器發射激光進行種子的輻照工作。

4 前景

本文通過在激光出射光路中添加光學元件的方式，既實現了激光光強的靈活調節，又可以增加種子的輻照面積，為實際育種工作者提供研究激光輻射劑量對誘變育種影響作用的實驗平臺。期待多學科工作者齊心協力，利用本項目搭建的實驗平臺，推動研究耐鹽、禁受氣候變化的植物育種工作取得更好、更快的發展。