He—Ne激光輻照種子光強(qiáng)的研究與設(shè)計(jì)

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(xì)對(duì)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(bào)告。這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室缺少經(jīng)濟(jì)實(shí)用且功率密度可以靈活調(diào)節(jié)的激光育種設(shè)備。本文通過采取激光光路中合理添加光學(xué)元件的措施，使得激光光強(qiáng)在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，既保證了植株突變率需要的激光功率密度，同時(shí)又增加了輻照種子的面積。在本研究的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、方便、實(shí)用的，功率密度可調(diào)、單批次輻射種子增多的激光輻照儀。

關(guān)鍵詞：功率密度；激光誘變育種；光學(xué)元件；光強(qiáng)可調(diào)；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(shù)與常規(guī)育種相比，具有高效、穩(wěn)定、定向變異率高、當(dāng)代變異、無污染等優(yōu)點(diǎn)，而且激光還可以促使作物增產(chǎn)、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(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)范圍廣等特性，所以該項(xiàng)技術(shù)在生物育種中得到廣泛應(yīng)用。

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

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用必然涉及到激光種類及激光參數(shù)的選擇問題。如應(yīng)用于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)方面， 不同波長的激光對(duì)不同作物都存在著最佳劑量， 即存在一個(gè)飽和劑量值。當(dāng)超過此輻照劑量時(shí)會(huì)造成細(xì)胞組織的損傷， 導(dǎo)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(rèn)為可采用半致死量， 但有報(bào)道， 認(rèn)為以生理效應(yīng)最大、變異最多的劑量為準(zhǔn)。因此， 當(dāng)今需要解決的問題是：第一， 確定出不同激光對(duì)一系列農(nóng)作物的最佳劑量。第二， 探明各類激光的誘變及生物效應(yīng)作用是否具有共性及劑量范圍。第三， 激光的特性參數(shù)包括波長、劑量、功率密度、偏振模式、連續(xù)或脈沖輸出方式與時(shí)空相干等， 應(yīng)探明這些參數(shù)與激光生物效應(yīng)的關(guān)系， 在實(shí)驗(yàn)中正確判斷、準(zhǔn)確選擇最佳激光參數(shù)。第四， 對(duì)種子大批量處理， 則需解決激光技術(shù)的普及、光束的調(diào)控、種子的自動(dòng)擺放、自動(dòng)傳送等一系列問題。

由于激光處理種子過程中一個(gè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要所用激光器輻射功率密度可調(diào)，這樣才能滿足不同實(shí)驗(yàn)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(xù)可調(diào)的方法。

1 激光光源的選取

利用激光誘變技術(shù)進(jìn)行生物育種，所選用的激光儀器設(shè)備有多種，波長從遠(yuǎn)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(shí)間可以縮短至秒，也可以延長至數(shù)小時(shí)?？紤]到誘變效果、費(fèi)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(shí)驗(yàn)室有He-Ne激光器20臺(tái)，其發(fā)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(xiàng)研究選用選用He-Ne激光器。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原理

若選購He-Ne激光器腔長為L，He-Ne激光器發(fā)射光波長為632.8納米（1納米=10-9米）。根據(jù)激光原理，此激光器所發(fā)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(shù)中一項(xiàng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要所用激光器輻射功率密度可調(diào)，這樣才能滿足不同實(shí)驗(yàn)要求。如圖1為擬訂的可調(diào)激光器出射光強(qiáng)光路。

各光學(xué)元件功能介紹如下。

（1）He-Ne激光器作為輻照光源（主要參數(shù)：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(diào)節(jié)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(dá)到縮小一個(gè)數(shù)量級(jí)的程度。

（4）擴(kuò)束鏡：將激光擴(kuò)束，這樣可以增大照射種子的面積。

（5）準(zhǔn)直鏡：用于將出射光強(qiáng)調(diào)節(jié)均勻。

（6）平面鏡：改變光路，將光輻照到種子上。

3 實(shí)驗(yàn)操作方法、步驟

（1）調(diào)節(jié)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(qiáng)度，調(diào)節(jié)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(qiáng)。（4）按照需要照射種子的面積選擇合適倍數(shù)的擴(kuò)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(hào)BEST-633-3的He-Ne激光擴(kuò)束鏡，即擴(kuò)束倍數(shù)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(diào)節(jié)激光器發(fā)射激光進(jìn)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(xué)元件的方式，既實(shí)現(xiàn)了激光光強(qiáng)的靈活調(diào)節(jié)，又可以增加種子的輻照面積，為實(shí)際育種工作者提供研究激光輻射劑量對(duì)誘變育種影響作用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。期待多學(xué)科工作者齊心協(xié)力，利用本項(xiàng)目搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，推動(dòng)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(fā)展。