植物激光燈的研究進展

萬文昌， 石明明， 張 彬， 茆學華

(1.上海應用技術大學 a.電氣與電子工程學院; b.理學院, 上海 201418;2.杭州彬康農業科技有限公司，杭州 310000; 3.杭州三得農業科技有限公司，杭州 310000)

為貫徹落實中國第十三個五年計劃的部署，2016年10月，在李克強總理簽訂的“《全國農業現代化(2016-2020)》”的規劃中提到提高信息化水平和技術裝備以及著力進行農業的轉型和升級，將加速農業現代化進程[1]。此外，2015年由中國國務院發布的《中國制造2025》[2]中提到鼓勵企業引進高科技設備，這有利于推動了我國激光制造產業的發展。激光的發明[3-4]在20世紀的重大科學技術發明中，能夠與計算機、原子能和半導體相提并論，雖然我國激光與國際上相比起步稍晚，但我國激光技術發展迅猛，目前的激光技術躍居世界前列。激光從誕生之初憑借著優異的性能應用在農業、工業、醫藥等各個領域[5-7]，并取得良好的效果。

可見光(波長380～760 nm)是植物進行光合作用固定二氧化碳[8]、釋放氧氣維持著大氣中氣體的轉換平衡的重要因素，特別是光質對植物的發育[9]、物質代謝和基因調控[10-12]均有促進作用。在傳統農業中，我國北方的冬天太陽入射角度低、植物單位面積的光能量不足、日照時間短，自然光無法滿足植物對光的需求而且受到惡劣天氣的影響，導致植物的生長速度過慢。人們使用溫室大棚雖然能解決溫度問題[13]，但改變不了植物單位面積的受照光強。因此如何促進植物的高效生長、提高作物產量[14-17]的問題一直備受關注。研究者研制出的一種植物補光燈，解決了溫室大棚作物生長這一關鍵的問題。目前用于植物照明的光源主要為LED植物燈、熒光燈、鹵素燈，技術手段上只能通過增加燈的功率來擴大植物受照面積，但產生的光對植物生長并沒有取得更好的效果，功率的增加必定會引發散熱問題，會加速LED、鹵素燈、熒光燈的老化，影響了植物燈的使用壽命。為解決上述植物燈存在的問題，需要一種輻照能量強、單燈功耗低、單色性好、覆蓋面積廣的新型光源。激光植物燈具有激光定向發光、極高的亮度、高的功率密度、較好的單色性、極高的輻射能流等優異的光學性能，植物生長過程中使用激光相燈，能將適宜的光子攝入植物細胞并增加植物細胞的生物能，提高有關光合作用酶的活性并加快植物的生理代謝[18-120]，從而使得植物的光合效率提高，進一步促進了植物的高效生長。另外，激光和LED一樣還能改變植物的營養結構以提高農作物的品質。作為新型的植物補光燈，激光植物燈具有許多優良的性能：覆蓋面積廣、體積小、壽命長、功耗低、光譜更精準。本文將從激光器的發展歷程及激光對植物產生的效應進行闡述，探討激光植物燈在現代農業中的應用以及對未來的展望。

圖1 啁啾脈沖放大技術[24]

1 激光器

“受激輻射”概念于1917年由愛因斯坦提出，1960年5月15日，科學家梅曼(T.H.Maiman)在加利福尼亞州成功研制了世界上首臺激光器。1961年,中國首臺激光器在長春被中科院長春光機所研制成功。1964年10月，錢學森建議將“LASER”的中文名定為激光，不僅能反映出“受激輻射”的科學含義，同時在國內的科學界認知程度相對較高并沿用至今。脈沖式激光器和連續波激光器[21]是根據激光的輸出方式不同進行分類，而根據工作介質的不同又可分為“固體、液體和氣體激光器”。

1.1 脈沖式激光器

脈沖式激光器是指單個脈沖寬度<0.25 s、具有一定工作周期的激光器，擁有較大的輸出功率。自世界上首臺激光器-紅寶石激光器實現了脈沖寬度為幾十ns的短脈沖輸出以來，脈沖式激光器經歷了調Q激光器、鎖模激光器以及啁啾脈沖放大技術3個階段，這3次技術縮短了脈沖寬度的技術革新階段[19]。

調Q技術是調Q激光器的核心技術，根據調Q方式的不同可分為主動調Q和被動調Q，國內外對調Q技術的研究主要集中在20世紀60～90年代。Kovacs等[22]率先通過轉鏡技術實現了調Q開關CO2激光器的脈沖激光輸出，得到了脈沖寬度為300 ns、峰值功率為10 kW的激光輸出。相位鎖定技術在1964年首次在氦氖激光器上得到應用,1968年人們開始了橫向和縱向鎖模的研究探討。20世紀70年代后，主加被動鎖模、同步鎖模等技術的發展比較迅速，目前使用鎖模技術可以將鈦摻雜藍寶石固體激光器產生的激光脈沖寬度壓縮到了飛秒(10-15s)級。然而從激光器應用方面考慮，激光器將要向更高能量輸出、更短脈寬以及更高的功率發展[23]，但激光增益介質飽和度和破壞閾值都會限制調Q技術、鎖模技術的發展，很難再進一步提升激光的性能。因此實現超短、超強的脈沖激光器的核心技術為啁啾脈沖放大技術[24]，如圖1所示。將時分復制脈沖放大技術與啁啾脈沖放大技術相結合是繼續提高脈沖能量以實現高功率的有效手段之一[25]。2013年，Guichard等[26]將單路啁啾脈沖放大系統輸出的400 fs的脈沖經時分復制脈沖放大技術復制處理后，進行輸出壓縮，獲得了脈沖寬度為71 fs、峰值功率為86 mW、脈沖能量為7.5 μJ的脈沖。此技術的出現，表明脈寬阿秒(10-18s)級將在不久會實現。

1.2 連續波激光器

連續波激光器是指以不同連續激勵工作方式的固體激光器、氣體激光器及半導體激光器。各能級的粒子數及腔內輻射場均具有穩定分布，其工作特點是可以在一段較長的時間范圍內以連續方式持續進行輸出，可持續輸出一定功率，其具有較好的單色性、相干性和穩定性，以及結構簡單、操作方便等優點，廣泛應用于生物領域。He-Ne激光器作為該類激光器的代表，孟菁等[27]使用He-Ne激光器(輻射計量為5 mW·mm-2，波長為632.8 nm)對水稻進行照射，結果顯示，He-Ne激光器提高了水稻在高濃度鹽離子環境下的適應性，在一定程度上能降低鹽脅迫對水稻的負面影響。較高劑量的He-Ne激光器誘變能促進分蔥的生長[28]，激光的照射還能提高Rubisco活化酶的活性[29]。CO2激光器的平均輸出功率在氣體激光器中排在前列，CO2激光器照射小麥也能通過提升酶的活性來增強小麥的抗旱性[30]，而且具有造價成本低、發出的紅外光易被許多物質吸收、能量轉換率高等優點，所以該激光在農作物育種、通信、醫療和工業加工等方面廣泛應用。

圖2 不同He-Ne激光處理下可溶性糖及可溶性蛋白質對比[32]

2 激光的植物效應

光是植物生長發育的過程中不可或缺的因素，并且還能起到一定的調節作用。而激光對植物的生長發育、植物的生理代謝活動有一定的影響。有研究顯示，激光的輻照強度和輻照時間決定了激光對植物的作用，低劑量的激光對植物的發育有一定的正面作用，而高劑量的激光則會出現誘變效應。激光對植物體感化機理較大，但大致可以經由激光在光化學效應、遺傳效應兩方面對植物產生的作用加以思量。

2.1 激光對植物的光化學效應

植物在光的作用下能激活植物組織或細胞，從而引起的化學反應，稱為光化學效應。只有被植物體充分利用的光照才有可能對植物體產生影響，被吸收的光可能會加速植物體內產生某些生物化學反應。激光作用于植物體后，有機體吸收了高能量密度的光子，可能發生光化學反應。

激光作用于植物體代謝的機制很有可能為酶受光產生反應引起酶的光激活。齊智等[31]研究發現，使用He-Ne激光器輻照可加速玉米幼苗的可溶性蛋白質的合成，改變蠶豆(ViciafabaL.)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化氫酶(peroxidase,POD)，推斷出被激光輻照過的種子的萌發速度會加快的可能原因是，激光刺激了植物體內某些酶的表達，進而誘導了種子的萌發和幼苗的發育。李曉陽等[32]使用一定劑量的He-Ne激光器照射擬南芥種子，通過對一些指標的測定(可溶性蛋白質、糖、葉綠素和MDA含量)，發現適量He-Ne激光的輻照時間(4 min)可以顯著提升酶的活性從而提高可溶性糖和蛋白質的含量(見圖2)、葉綠素的含量(見表1)，說明適量的激光對生物體的光效應可以促進種子的萌發。

2.2 激光對植物的遺傳效應

一般認為，激光對生物作用機制與其受到的光、壓力、熱、電磁和生物刺激效應有關。有研究稱，0.632 8 μm的He-Ne激光照射的植物中都產生了自由基[33]，這是由于多光子作用產生的，同時也使得不同波長的激光可能會對同一生物體產生共振作用[34]。從而更容易產生“共振”作用使DNA鍵斷裂，導致生物體內染色體發生基因突變、染色體結構的改變或關鍵性遺傳物質發生改變。

表1 He-Ne激光處理下葉綠素含量的變化[32]

注：表中數據為平均值±標準差；同列不同小寫字母表示不同處理之間在0.05水平存在顯著差異(n=3)。a代表一個處理組，b代表為一個處理組，ab表示 CK與L1、L3、L4有無顯著差異，與L2、L5有顯著差異。若一個字母處理為a，則與一切包含a的無顯著差異，和所有不包含a的具有顯著出差異(b、c、d同理)。若為多個字母如cd，則與一切既不包含c也不包含d的處理有顯著差異，和包含了c或者d的無顯著差異。

從激光育種機理研究，使用激光輻照能加快染色體之間的交換，誘導了染色體和染色單體的變異。有研究顯示，在受激光輻照的染色體中，染色體間發生鏈接，直至分裂后期以1.2 μm的距離分開，并始終保持原來的空間形態。另有研究發現，激光輻射還能讓染色體內的DNA的氫鍵斷裂，或者通過激發DNA中合成酶來誘導DNA雙鏈解開，進而誘發DNA的修復合成。He-Ne激光器可降低被UV-B輻照的小麥根尖細胞染色體數目[35],緩解UV-B輻照對胚總RNA合成的抑制，促進種子DNA的修復合成速率，有助于修復被UV-B損傷的植物DNA[36]。相關研究有助于驗證激光作用植物的光化學反應及遺傳效應機制。

圖3 不同劑量He-Ne激光、Nd∶YAG激光輻照對不同品種的水稻的發芽勢[40]

3 激光在現代農業中的應用

現代農業主要是將農業生產從天然的環境因素到利用自然，使用科學技術手段來改造自然環境以獲取高生產率為目的。而在所有的環境因素中，光是影響植物發育、形態構建和物質積累的因素之一[37]。由于激光對植物具有生物效應，因此激光可應用于誘變育種，自20世紀70年代初，我國在激光突變育種進行了研究，目前無論是在農作物領域(糧食作物、經濟作物)還是在水產以及微生物領域都獲得了豐碩的研究成果。下面將從糧食作物、經濟作物兩方面進行論述。

3.1 糧食作物

3.1.1 水稻

鑒于水稻在我國的經濟地位，備受青睞。目前用于植物補光的激光器包括He-Ne激光器、CO2激光器、N2激光器、Ar+激光器以及激光二極管。

激光對水稻種子的誘變及生長發育的影響：焦順吉等[38]使用鈦寶石飛秒激光照射龍稻5號水稻種子，發現種子的發芽情況受不同劑量的激光調控，結果表明，SOD酶和POD酶的突變可能是水稻幼苗受激光的影響產生了基因突變。王晟宇等[39]利用He-Ne激光(功率1.2 mW，波長632.8 nm)分別輻射20粒云恢290、會粳17號、明兩優527、兩優1259種子，輻照時間分別為0,15,20,25,30,35 min，結果表明，激光輻照對水稻種子的萌發有較大的誘導作用，在一定程度上可以促進水稻種子的萌發和幼苗的生長。王一波等[40]分別利用He-Ne(波長632.8 nm)、Nd∶YAG(波長532 nm)激光對3種水稻種子(黔優207、茂優601、汕優聯合2號)進行輻照，實驗得出(見圖3)，一定劑量的2種激光對不同品種水稻的發芽率以及發芽勢均有顯著提高,且不同品種的水稻對激光的敏感性不同導致所需要的激光劑量也不相同，研究表明一定劑量的激光可以促進水稻的發育以及提高水稻的突變率。

激光對提高水稻的抗逆性：馬曉麗等[41]選用水稻9311作為對照、將耐鹽海稻86作為實驗對象，利用0.5%的氯化鈉模擬鹽脅迫，使用He-Ne激光(輻照劑量5 mW·mm-2,波長為632.8 nm)進行照射，結果顯示適量的He-Ne激光輻照一定程度上能緩解鹽脅迫對水稻產生的負面影響，其中水稻9311的實驗結果表現最為明顯，表明一定劑量的Ne-He激光可以提高水稻在高鹽離子環境的適應性。朱培良等[42]使用波長為118.8 μm的亞毫米波對水稻進行輻照，研究得出功率(2～5 W)與輻照時間為60 min使水稻后代的抗病突變率達到了38.0%。也說明合適劑量的激光輻照量能提高水稻后代的抗病突變率，對促進我國水稻發展有重要意義。

3.1.2 小麥

近年來，由于臭氧層減薄導致增強UV-B輻照，破壞植物的葉綠體結構和功能。激光可以修復小麥的損傷及提高其細胞器中酶的活性：根據研究[43-44],合適劑量的激光輻照可修復被增強UV-B損傷的小麥葉片，提高PAL、POD及Na+/K+-ATP酶的活性。常阿麗等[45]研究表明，選用“ML7113”小麥幼苗為實驗研究對象，采用He-Ne激光(5 mW·mm-2)和增強UV-B[10.8 kJ/(m2·d)-1]輻射以及2種激光混合輻照處理，使用葉綠素熒光儀測定，經不同天數處理后，幼苗葉綠素熒光特性的變化，結果得出小麥在較低的Ne-He激光器輻照后，在一定程度上修復小麥幼苗葉綠素熒光經UV-B輻照后造成的損傷。

激光可以提高小麥的抗逆性：分別以不同輻照強度的He-Ne激光器對小麥(受到低溫脅迫)進行輻照，結果顯示，處理時間為2 min、輻照劑量為20.8 J時，顯著提高CAT、SOD和POD，3種酶的活性從而提高了小麥的抗寒性。有研究顯示，利用CO2激光與外源NO在低溫下也可對小麥進行保護[46]。李金亭等[47]用He-Ne激光預處理被鎘脅迫的小麥，經過預處理可通過緩解鎘脅迫對小麥的生長抑制、促進酶和非酶類的氧化劑的生成、降低產生脂質過氧化物的量，以提高小麥在鎘脅迫環境中的適應性。使用激光在現代農業中的應用，減輕了環境對小麥帶來的影響。

3.2 經濟作物

3.2.1 棉花

棉花的生長不僅受溫度、光照、水分和養分等壞境因素的影響，還受激光、激素等物理、化學技術的影響。許玉璋等[48]使用不同種的He-Ne激光器對四組秦棉一號進行試驗，探究激光對棉花生長發育規律的影響。不同的激光處理對棉花生育期的影響如表2所示，不同激光處理對棉鈴的影響如表3所示。研究表明，用20 mW 10′He-Ne激光器處理的棉花，比對照組現蕾期和吐絮期分別提前6、10 d，伏桃比對照組高出37.3%，棉花的成熟周期得到縮短和產量得以提高。

3.2.2 花生

花生作為我國主要經濟作物之一，但由于UV-B輻照產生的影響，使花生的幼苗的光合速率，水分利用率和酶的活性降低，導致一直以來花生的生長受到制約使其產量受到約束。高曉玲等[49],使用He-Ne激光器(MSHN-A-B450MM波長為632.8 nm，輸出功率為30 mW,光斑直徑6 mm)照射被UV-B輻照的植物種子的胚，結果如表4，實驗表明，Ne-He激光對UV-B輻照過的花生幼苗具有明顯的修復效應，并且He-Ne激光通過激發酶的活性，以提高幼苗的氣孔張開、水分利用率和凈光合速率，對花生的增產具有重要的作用。為研究不同劑量，不同波長對花生的影響，歐琳等[50]研究了Kr+、Ar+、YAG、LD等不同激光器對花生幼苗的影響，研究表明，輻照劑量為23/cm2的情況下，在較大的功率密度下(實驗為1.28 W/cm2),長波長的激光對花生種子的發育具有將較強的促進作用，在較小的功率密度下(實驗為0.128/cm2)，短波長的激光對花生幼苗的生長有顯著的促進作用。

表2 不同激光處理對棉花生育期(月/日)的影響[48]

表3 不同激光處理對株鈴的影響[48]

表4 紫外線和激光輻射對花生的效應[49]

4 結 語

目前我國高新激光器技術主要應用于軍事、工業、航天航空等方面，但是激光對植物的所需光波長、單位面積受照強度、輻照時間的研究數據較少，例如將激光應用在種子處理、幼苗發育、植物的生物效應以及激光的作用機制的研究，雖然國內在激光處理對部分植物的抗輻射、耐鹽性、抗旱性的研究取得了很好的成績，而且激光在誘變育種、激光提高植物的抗逆性、增加農作物的產量具有較強的促進作用，但是不成規模。并且近幾年我國物聯網、大數據、云計算、生物技術等高新技術的發展，為激光對植物的研究提供了分析捷徑，未來可通過激光與高新技術相結合的方式以加快激光對植物的作用機理研究的速度。