He—Ne激光辐照种子光强的研究与设计

左春英　张欣艳　陈佰树　王春香　王乐新

摘 要：目前，尚未见到详细对比同一波长、不同功率（能量） 密度的激光诱变育种效果研究报告。这主要是因为实验室缺少经济实用且功率密度可以灵活调节的激光育种设备。本文通过采取激光光路中合理添加光学元件的措施，使得激光光强在一定范围内连续可调，既保证了植株突变率需要的激光功率密度，同时又增加了辐照种子的面积。在本研究的基础上，可以设计出经济、方便、实用的，功率密度可调、单批次辐射种子增多的激光辐照仪。

关键词：功率密度；激光诱变育种；光学元件；光强可调；激光辐照仪；辐照面积

目前常用的生物育种方法主要有诱变育种、基因工程育种。激光诱变育种技术与常规育种相比，具有高效、稳定、定向变异率高、当代变异、无污染等优点，而且激光还可以促使作物增产、提高植物的光合作用和根尖有丝分裂频率等，所培育出的新品种均具有高产、优质、适应范围广等特性，所以该项技术在生物育种中得到广泛应用。

激光诱变作为物理诱变的一种途径，其生物学效应直接来源于其产生的光、热、压力和电磁效应的综合应用。激光在辐照过程中产生活化效应，核仁被活化，使DNA、RNA和蛋白质的活性提高，使细胞DNA处于一种易突变的状态，继而发生一系列的诸如断键、聚合等物理与化学变化，导致DNA分子的损伤和突变，RNA也随之相应地发生变化，导致酶激活或钝化，从而引起细胞分裂和细胞代谢活动的改变，最终引起突变株的生物性变化。

经调查研究发现，激光技术在农业中的应用必然涉及到激光种类及激光参数的选择问题。如应用于农业增产方面， 不同波长的激光对不同作物都存在着最佳剂量， 即存在一个饱和剂量值。当超过此辐照剂量时会造成细胞组织的损伤， 导致激光从刺激作用到诱变作用。同样， 激光育种也存在着有效剂量问题， 一般认为可采用半致死量， 但有报道， 认为以生理效应最大、变异最多的剂量为准。因此， 当今需要解决的问题是：第一， 确定出不同激光对一系列农作物的最佳剂量。第二， 探明各类激光的诱变及生物效应作用是否具有共性及剂量范围。第三， 激光的特性参数包括波长、剂量、功率密度、偏振模式、连续或脉冲输出方式与时空相干等， 应探明这些参数与激光生物效应的关系， 在实验中正确判断、准确选择最佳激光参数。第四， 对种子大批量处理， 则需解决激光技术的普及、光束的调控、种子的自动摆放、自动传送等一系列问题。

由于激光处理种子过程中一个很重要的不确定因素就是激光辐照的剂量问题，故为了能够有效的进行实验，需要所用激光器辐射功率密度可调，这样才能满足不同实验要求。为此，本文提出了增加激光源辐照功率密度并使其连续可调的方法。

1 激光光源的选取

利用激光诱变技术进行生物育种，所选用的激光仪器设备有多种，波长从远红外的10.6～118.8微米，可见光的441.6～694.4纳米，直至紫外线的265.1～333.7纳米，几乎所有波段的激光都具有诱变效果，照射剂量一般采用1～50焦耳·平方厘米-1，处理时间可以缩短至秒，也可以延长至数小时。考虑到诱变效果、费用和操作难易程度等因素，最常用的激光器为CO2和He-Ne激光器。

本实验室有He-Ne激光器20台，其发射光波波长为632.8纳米，输出功率分别为1.5毫瓦和11毫瓦，故该项研究选用选用He-Ne激光器。

2 实验设计基本原理

若选购He-Ne激光器腔长为L，He-Ne激光器发射光波长为632.8纳米（1纳米=10-9米）。根据激光原理，此激光器所发基模出射光斑在激光器出射口半径为：

若取腔长为L=250毫米的He-Ne激光器，其光斑半径由上式可得r=0.228毫米，光斑面积s=πr2=0.163mm2。若其出射功率W1.5mW，可以得到此种激光器的辐射功率密度最小值为 。

由于激光处理种子技术中一项很重要的不确定因素就是激光辐照的剂量问题，故为了能够有效的进行实验，需要所用激光器辐射功率密度可调，这样才能满足不同实验要求。如图1为拟订的可调激光器出射光强光路。

各光学元件功能介绍如下。

（1）He-Ne激光器作为辐照光源（主要参数：激光波长632.8纳米，腔长L=250毫米，功率W1.5毫瓦）。

（2）聚焦透镜：调节出射光斑半径。若想在给定功率的条件下提高功率密度，可以将光束通过聚焦透镜，在通过光程不同的条件下，可以得到不同的的出射光斑半径，不同焦距的透镜可以将光斑缩小不同的比例，并且缩小效果显著，可以达到缩小一个数量级的程度。

（4）扩束镜：将激光扩束，这样可以增大照射种子的面积。

（5）准直镜：用于将出射光强调节均匀。

（6）平面镜：改变光路，将光辐照到种子上。

3 实验操作方法、步骤

（1）调节各仪器的高度，使其中心位置处于同一高度处。（2）测量激光束腰位置到透镜距离及透镜到第一片偏振片的距离，由①～⑤式子确定入射到第一片偏振片处的光斑半径。（3）固定第一片偏振片，按照所需光辐照强度，调节第二片偏振片与第一片偏振片间的夹角，由夹角的不同可以得到不同的出射光强。（4）按照需要照射种子的面积选择合适倍数的扩束镜（例如已知通过偏振片出射光斑的偏振片的直径为10毫米，选择型号BEST-633-3的He-Ne激光扩束镜，即扩束倍数为3，那么最大光斑输出直径为28毫米，即可以辐照约615平方毫米的种子）。（5）调节激光器发射激光进行种子的辐照工作。

4 前景

本文通过在激光出射光路中添加光学元件的方式，既实现了激光光强的灵活调节，又可以增加种子的辐照面积，为实际育种工作者提供研究激光辐射剂量对诱变育种影响作用的实验平台。期待多学科工作者齊心协力，利用本项目搭建的实验平台，推动研究耐盐、禁受气候变化的植物育种工作取得更好、更快的发展。