氦氖激光在农业上的应用

河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地管理与服务中心 许奕

新乡市动物检疫站 王方明

河南农业职业学院 李纳川 刘大兵

一、氦氖激光简介

（一）氦的理化性质

氦，元素符号He，原子序数2，原子量4.002 602（氦-4），元素名来源于希腊文，原意是“太阳”的意思。氦有两种天然同位素，分别为氦-3 和氦-4。自然界中存在的氦基本上是氦-4，相对原子质量为4.003。氦气是一种稀有气体，无色、无味。它在水中的溶解度非常低，是已知气体中最小的，其密度为0.17 847 g/L，是密度第二小的气体。

氦的惰性表现在其极难形成化合物，这是因为氦原子内层的原子核到外层的电子层距离很小，并且达到了稳定结构。它的这种性质决定了氦气的用途主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂等。

（二）氖的理化性质

氖，元素符号Ne，原子序数10，核外电子排布式为1s22s22p6，属于稳定的8 电子构型。同时氖原子较小，原子核对电子的束缚力较强，导致氖元素的化学性质很稳定。

氖气是一种无色的稀有气体，熔点为-248.6℃，沸点为-246.08 ℃，密度为0.899 94 g/L，溶解度为10.5 ml/L，第一电离能是2372 kJ/mol。其在大气层中分布非常稀少，只占到六万五千分之一。由于氖极其稳定，至今仍没有发现一种确认存在的化合物，只有一些报道称发现了不稳定的阳离子和未经证实的水合物。

氖元素通电后会发出橙黄色的光。在所有稀有气体中，氖的放电能力是最强烈的。生活中常用到的试电笔就是利用这种特性制作而成的。人们在试电笔中空部分冲入氖气，如果有电流从电笔一端经过，氖气则会发出亮光，从而证明被检验电路通电良好。

（三）氦氖气体激光器原理

激光器是指能发射激光的装置。按工作介质来分，激光器可分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器和染料激光器四大类。随着研究的深入，又出现了自由电子激光器。气体激光器按照激励方式不同，可以分为化学激励、电激励、光激励和气动激励等。其中电激励方式最常用。最常见的气体激光器有氦-氖激光器、铜蒸气激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和氩离子激光器等。氦氖激光器是由美国贝尔实验室的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其团队于1961年发明的，其工作物质为以氦、氖两种气体按一定比例的混合物。

氦氖激光器是第一种研制成功的气体激光器，也是最常用的一种。其单色性好，相干长度可达数十米乃至数百米。因为制造方便、价格低廉、性能可靠，氦氖激光器被广泛应用于医学治疗、育种、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等多个领域。氦氖激光器由激光放电管、谐震腔和激励电源三部分组成，可以产生632.8 nm、1152 nm、3391 nm 等不同波长的激光，其中使用最多的是632.8 nm 红光波长的激光。

氦氖激光器的工作原理为：放电电子与氦原子发生碰撞，把氦原子从基态激发到寿命更长的亚稳态；受激发的氦原子通过碰撞将氖原子从基态变成激发态；随着碰撞事件越来越多，被激发的氖原子数量不断累积直至产生粒子数反转；不同能态之间的氦氖转化受激辐射产生632.82 nm 或其他波长的光。但是这种变化也有缺点，氖原子激发态会迅速衰减到基态，氦氖激光器的输出功率就受到了限制，因为氖原子的高能级会随电流变大而饱和。

二、氦氖激光在植物种植方面的应用

（一）植物育种方面

DNA 是生物体遗传物质的有效载体。DNA 通过复制、转录、翻译等过程将其所携带的遗传信息表达为蛋白质。氦氖激光照射植物后，破坏了植物原本的DNA 有序状态，干扰了DNA 的结构和分型，以及遗传信息的表达，从而使DNA 发生突变或产生新性状的表达。人们可以通过筛选，将想要的性状从随机的突变或表达中选出，并通过多代选育将我们想要的突变或表达固定下来。

激光育种操作方法简单，使用成本低廉，对外界环境污染小，是一种很重要的农业育种方法，被广泛应用。我国从20 世纪70 年代起，开始对油菜、大豆、小麦、水稻、甜菜等农作物开展激光诱变育种试验，已经取得了许多优良的品种。研究表明，通过氦氖激光照射和选种育种，可以提高甜菜的产量和含糖量，显著提高西红柿的发芽率、发芽指数、发芽势和活力指数，提高大豆的发芽率等。

20 世纪80 年代，河南省开始运用氦氖激光育种技术进行油菜育种试验。研究发现，在一定时间内，照射氦氖激光能使油菜种子出苗率增加，并使其成熟期提前1～3 d。通过照射氦氖激光选出的早熟株系，在第二代时依旧能够保持早熟性状，在第一代、第二代植株性状表现较好的株系，在第三代表现依然很好。

20 世纪90 年代，河北省高智才团队采用氦氖激光对葡萄进行激光诱变育种。其试验结果表明，同一个葡萄品种，在不同诱变时间的处理下，获得优质突变的效果不同。激光照射5 min 以下的处理，其芽无变化；激光照射40 min 以上的处理，其芽枯死；激光照射15～35 min 之间的处理，试验效果最好，是出现优质突变比较适宜的范围。

八一农垦大学左春英团队经实验得出结论，不同激光辐照剂量在辐照过程中产生不同的活化效应；激光辐照会使DNA、RNA 和蛋白质活性提高，使DNA处于不同程度的易突变状态，继而发生一系列如断键、聚合等物理化学变化，导致DNA 及RNA 产生变化，从而引起细胞分裂和细胞代谢变化，最终引起生物性状变化。

（二）植物生长方面

氦氖激光能够通过提高植物自身的生理代谢能力来抵御逆境胁迫。激光主要通过压力、热、电磁场等对植物体产生作用。低功率的激光，因为产生的压力以及热效应较小，基本通过电磁效应及光效应对植株产生影响。在一定照射时间内，氦氖激光可以使植株内的酶或蛋白质产生新的排序，从而激活或提高其生理活性，进而加强植株的抗逆能力。

有研究表明，适宜的氦氖激光辐照处理能加速植物的新陈代谢，促进植株生长。使用较低剂量的氦氖激光照射处理小麦幼苗时，可以同时提供一定量ATP分子，不仅可以修复紫外线照射对小麦叶绿体产生的负面生理影响，而且能对小麦的气孔调节产生一定的有益影响。

据最新研究发现，受适度干旱胁迫的小麦幼苗经短时间氦氖激光照射之后，可以减轻膜的损伤，增高酶的活性，有效增强植物体清除活性氧的能力。

三、氦氖激光在畜牧养殖领域的应用

（一）动物临床免疫方面

氦氖激光为632.8 nm 的红色激光，属于低强度激光，能够很好地穿透肉体组织，可用于照射动物，有刺激、消炎、镇痛和扩张血管等作用，可以产生治疗效果。照射氦氖激光已成为一种常见的动物临床免疫手段，主要用于消炎止痛，促进皮肤黏膜溃疡愈合和穴位治疗。创伤皮肤的愈合一般会经过止血、消炎、肉芽组织形成和组织重塑四个过程。照射氦氖激光可以促进伤口处健康细胞的生殖，促进生长因子释放，加速胶原沉积、清除自由基、消炎镇痛等一系列作用。在肌体出现面积较大的创伤时，氦氖激光可以提供很好的治疗和辅助作用。

新的研究证实，氦氖激光照射后的治疗机理是对生物体产生光化学作用。照射后，激光可以使机体产生重要的生物效应。对氦氖激光反应最大的细胞结构是线粒体。在氦氖激光照射后，线粒体的过氧化氢酶活性增加，可以加快细胞的新陈代谢，提高糖元含量，增加蛋白的合成和三磷酸腺苷的分解，促使新的细胞产生，促进伤口和溃疡的愈合。新细胞产生的同时，白血球的吞噬作用也能得到提高，从而增强了动物的免疫功能。

（二）畜牧养殖方面

氦氖激光照射在畜牧养殖领域的应用非常广泛。首先，在动物生长初期对仔猪、雏鸡、羔羊等牲畜进行氦氖激光照射，可以提高其成活率。通过照射，不仅可以帮助动物幼崽御寒，而且可以改善动物幼崽的血液循环，促进其生长发育，减少死亡。其次，在禽类动物的养殖过程中，使用氦氖激光照射可以起到镇静作用，降低禽类动物对环境刺激的敏感性，减少或制止禽类动物的互啄、争斗等行为，减轻运动量和损伤。夜间对鸡进行照射，可以制止其快速移动，易于捕捉。另外,红光照射可以延迟鸡的性成熟，增加鸡的产蛋量，并降低蛋的受精率。使用氦氖激光照射，还可以延长小母猪的性成熟时间。