青海民族大学10级物理藏文师范毕业论文

1、毕 业 论 文 题 目： 激光技术在农业生产中的 应用现状与前景分析 学生姓名： 余建华 学 号： 1012040009 毕业届期： 2014/7/1 指导教师： 赵素琴 院 系： 物理与电子信息工程学院 专业班级： 10物理(藏文师范)班 二一四 年 五 月 九 日独创性声明本人声明所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的理论学习、实习实践以及研究所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得 青海民族大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起探讨、工作的同学对本论文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意

2、。毕业论文作者签名： 签字日期：2014年5月10日毕业论文版权使用授权书本毕业论文作者完全了解 青海民族大学 有关保留、使用毕业论文的规定。特授权青海民族大学可以将毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。论文作者签名： 签字日期：2012年5月10日 指导教师签名： 签字日期：2014年5月10日I激光技术在农业生产中的应用现状与前景分析摘 要激光器是 20 世纪的重大发明之一，是人造光源的一次革命。激光作为人类科学史上的一项重大发明,以其普通光无法相比的超高亮度、超短脉冲、

3、单色性、相干性和方向性,使它必将深刻地影响当代科学、技术、经济和社会的发展变革。自 1960 年美国的梅曼发明了第一台红宝石激光器以来，短短的几十年激光已经在工业、国防、医学等领域获得愈来愈多的应用。近 10年来，激光技术由于其独特的性能在农业领域得到广泛应用，无论是在激光理论还是在激光技术、激光的应用等方面都取得了突飞猛进的发展。本文阐述了激光技术在育种、杀虫除草、促销等方面的作用机理、优势和取得的成果。激光诱变育种可以提高种子的发芽势和发芽率,促进生长发育,提高抗病能力;激光的生物热效应可破坏细胞的正常新陈代谢,起到除草杀虫的目的;激光技术在农产品销售中起着防伪、推销和美化的作用。最后,展

4、望了激光技术在农业应用中的发展前景。关键词: 农业基础科学；激光；综述；农业；应用；前景分析青海民族大学毕业论文 ： III目录引言11 激光的基本原理11.1 激光产生原理11.1.1普通光源的发光受激吸收和自发辐射11.1.2受激辐射和光的放大21.1.3粒子数反转31.2 激光器的结构41.2.1 激光工作物质41.2.2 激励源41.2.3谐振腔42 激光技术在农业领域中的应用现状52.1诱变育种 52.2提高种子活力62.3激光平地整地62.4防治病害虫72.5激光选择家畜精子性别82.6激光剪羊毛83 激光营销83.1 防伪83.2 推销83.3激光码84激光技术应用于农业的前景分

5、析94.1 激光处理种子的应用广泛化及数据模型化94.2 激光微束穿刺的自动化94.3激光应用于农业科学研究的前景值得期待94.4激光育种变异遗传机理有待研究9结论10参考文献11致谢12V引言激光是一种新型光源，是受激辐射光放大产生的一种单色性、方向性和相干性都很好的强光光束。激光器是20世纪的重大发明之一，是人造光源的一次革命。自1960年美国的梅曼发明了第一台红宝石激光器以来，在激光产生短短的几十年时间里，无论是在激光理论还是在激光技术、激光的应用等方面都取得了突飞猛进的发展。激光已经在工业、国防、医学等领域获得愈来愈多的应用。近10年来，激光在农业中的应用也取得了可喜的成果。1 激光的

6、基本原理1.1 激光产生原理 1.1.1普通光源的发光受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2）的电子寿命很短（一般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。(辐射光子能量为 h=E2-E1 )这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外

7、未位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。 在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即Nexp(-E/kT)，这是著名的玻耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 ： N2/N1exp-(E2-E1)/kT 式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2N1。例如，已知氢原子基态能量为E113.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20时， kT0.025eV，则 N2/N1exp（400）

8、0 可见，在20时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。 1.1.2受激辐射和光的放大 由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数n(n=1,2,)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量，玻尔曾给出了量子化公式Lnnh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动

9、量量子化都应该有量子力学理论来推导。 量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l角动量量子数相差±1的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这种能级上时，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为亚稳态能级。但是，在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级，并放出光子。这种过程是被“激”出来的，故称受激辐射。 受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性

10、，这是激光的基础。 受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。1.1.3粒子数反转 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级地原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收

11、，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。粒子数如何实现反转分布，涉及两个方面：一是粒子体系（工作物质）的内结构；二是给工作物质施加外部作用。所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态，而实现光放大，不是每一种物质都能做工作物质。粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂，只有10-8秒。有一部分寿命相对较长些，如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，除铬

12、离子外，还有一些亚稳态能级，主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，以达到对特定频率辐射光进行光放大。即粒子数反转是产生光放大的内因。那外因是什么？既对亚稳态能级粒子体系（主要工作物质）增加某种的外部作用。由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处在高能级上的粒子数，当要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界的作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程被叫做激励，或被称为泵浦，尤如把低处的水抽到高处一样。对固体形的工作物质常应用强光照射的办法，即为光激励。这类工作物质常应用的有掺

13、铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。对气体形的工作物质，常应用放电的办法，促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励，常应用的工作气体物质，有分子气体（如CO2气体）及原子气体（如He-Ne原子气体）。如工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励发光，常见的有砷化镓，这类注入大电流的方法被叫做注入式激励法。此外，还可应用化学反应方法（化学激励法）、超音速绝热膨胀法（热激励），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（电子束泵浦、核泵浦）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置，其它形式的能量（诸如光、电、

14、化学、热能等）转换而来。1.2 激光器的结构 激光器一般包括三个部分。1.2.1 激光工作物质 激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种物质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作物质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。 1.2.2 激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励

15、方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 1.2.3谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。以红宝石激光器为例，工作物质是一根红宝石棒。

16、红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为0.05%的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径0.8cm、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。 红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E3，被抽运到E3上的电子很快（108s）通过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级，E2到E1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E2上积聚起来，实现E2和E1两能级上的粒子数反转。从E

17、2到E1受激发射的波长是694.3nm的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms，每个光脉冲能量在10J以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级E1是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相当强的激励才行。 2.激光技术在农业领域中的应用现状2.1诱变育种从20世纪60年代开始，美国、前苏联、澳大利亚、加拿大等国就已将激光用于诱变育种。我国激光育种始于1972年，并在粮食作物乃至经济作物领域取得显著成果，到1995年已培育40多个

18、新品种，取得了良好的经济效益和社会效益。应用育种的激光器波长从远红外118.8Hm, 10.6Hm，到可见光694. 3nm, 632. 8nm, 530nm, 441. 6nm，到紫外337. 1nm，265nm等;常用的激光器有 He-Ne、N2 、钦玻璃、红宝石、Ar+,YAG等，其中以CO2和He-Ne激光最为普遍。激光处理种子诱变作用与一股射线(如X射线、Y射线、中子、紫外线等)类似，是通过染色体结构畸变和遗传物质分子改变，最后导致其性状和特性发生变异，再通过细胞分裂遗传给后代，经过人为选择和培育成为新品种。张显志等利用He-Ne激光辐照花粉后进行属间杂交，获得新品种，提高杂种种子的

19、出苗率和成活率，且在L1代植株中均获得染色体自然加倍的双二倍体，即小黑麦种子。现已获得L1- L8代的小黑麦后代材料和稳定株系。激光诱变育种为小麦属间杂交育种工作开辟了一条新的途径。潘春等采用CO2和He-Ne两种激光3种剂量，分别辐照两个洋葱品种的湿种子，采用生理生化方法，研究洋葱L1各处理的生物学效应。结果表明，He-Ne激光辐照洋葱L1代的过氧化氢酶、叶绿素、总糖含量的变异大于C02激光辐照结果。侯丙凯等利用激光微束穿刺法将苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因导入了油菜，经聚合酶催化链式反应（PCR）和 PCR Southern 杂交证明，抗虫基因已导入油菜基因组中并能在 T1代得到遗传。对转基因

20、植株进行抗虫性测试，结果表明，某些植株具有较好的抗虫性，且这种抗虫性在 T1代仍能保持。2.2 提高种子活力 低剂量激光能使机体当代产生光化学效应，DNA酶系统活性提高，有丝分裂加快，核仁、器官活化，可使种子发芽率提高、出苗加快、苗期生长旺盛、植株矮化、分蘖增加、提早开花和成熟、增加产量。报道较早的是美国和加拿大，用红宝石激光处理蚕豆、萝卜、紫花、苜蓿和南瓜种子，提高种子发芽率及发芽势。我国在 20 世纪 70 年代初开始研究，现已在水稻、小麦、大麦、棉花、高粱、玉米、大豆、甜菜、蕃茄、黄瓜、青椒、马铃薯及甜橙等方面取得成果。激光促长的主要途径有照射种子、照射植株和照射灌溉水，国内目前主要是照

21、射种子。激光辐照种子可提高其农学参数(发芽率、发芽势等)和改善叶绿素含量，提高种子活性，增强光合作用强度和一些生物酶活性，有利于作物生长，达到增产的目的。郝丽珍等采用多项式模拟方法，研究CO2激光对油菜种子活力指标的影响，得出发芽种子的下胚轴长、胚根长、种子发芽指数、萌动种子过氧化氢酶活性、地上部鲜质量及全株鲜质量分别与CO2激光照射时间的数学模型，并揭示了油菜种子活力与CO2激光照射时间的关系。张建东等采用CO2激光辐照萌动玉米种子，研究对玉米种子萌发及幼苗生长发育的影响。结果表明，不同时间CO2激光辐照萌动的玉米种子发芽率、出土后幼苗生长发育状况及幼苗的生理生化代谢均有不同程度的促进作用。

22、邵耀椿等利用激光辐照DNA导入番茄，有益于供体的一些显性基因性状在受体后代得到表达，品质得到改善。结果表明，激光辐照DNA已导入受体并得到整合表达。Chen Yi-Ping等研究了He-Ne激光辐照对菘蓝种子热力学参数的影响，根据种子发芽的自动温度图表来计算热力学参数。He-Ne激光预处理表明，其不仅在提高种子活力方面有短期生物效应，而且对秧苗的生长和发育有长期的生物效应。2.3 激光平地整地 激光平地整地技术是利用激光独有特性，将激光束作为控制手段，来控制液压平地机具的升降高度。激光平地设备一般由激光发射器、接收器、控制器和平地机具组成。激光发射器发射一束极细且能旋转 360°的激

23、光束，提供恒定平地基准。装有接收器的装置放在靠近平地机具测量标杆上，从激光束到平地刀口之间的固定距离即为标高测量基准，接收器检测到激光信号后不间断地给控制器发送坡度信号，从而实现机具控制。 20 世纪 70 年代，美国首先将激光技术应用于农用平地整地机械，并取得了巨大经济效益和社会效益。目前，该技术在美、英、日、俄等国的农业生产中得到了广泛应用。国外多采用红色氦氖激光器产生基准光线，其接收与控制系统精度较高，但价格十分昂贵。在国内，自 20 世纪 80 年代开始，一些部门就已引进国外机型进行试验，但一直未能推广。从技术上看，激光调平技术所需的关键元件（如激光发射器、接收器、电磁液压控制阀、水平

24、及高度传感器等）研制问题已基本解决，多数元件在国内已有厂家生产，但供平地机使用的专用元器件还很少，不能完全适应农用平地机的使用要求。90 年代中后期，国内研制出两种激光平地机械应用于盐业生产的 GP-1 型激光校准平地机和应用于农田基本建设的 1PJY-6 型激光平地机。 激光平地整地技术不仅可以实现大片土地平整自动化，节约劳动力，减少农民劳动强度，且可极大地提高农业水资源利用效率和灌水均匀度，有利于农田耕作和农作物生长，提高农产品产量，从而保障我国粮食安全，缓解我国水资源严重不足的局面，并有助于治理我国日益严重的水土流失等生态环境问题，是发展节水农业和农业生态建设的基础工程和关键技术，并具有

25、良好的应用前景。2.4 防治病害虫 美国科学家发现激光照射到健康农作物时，能被吸收进行光合作用。如果照射在生长不良或有病虫害的农作物上时，光能不会完全被光合作用利用，其中一部分会分散成不同波长的冷光或被反射回来。通过分析这些光的性质，就可检测到作物病害，确诊病因，对症下药。在农业生产中，利用激光技术替代化学药品防治杀灭害虫，可有效减轻农药残留对环境的污染和因食用被污染的食品而给人们的健康造成伤害。用小功率红宝石或 CO2激光器可在几小时内杀死大部分农业害虫的卵、幼虫、蛹或成虫，如波长（450500）×10-9的激光可杀死螨类和蚊类。使用激光方法防治农作物病虫害的过程中，应选择适当激光

26、波长和剂量，以确保在不影响作物生长和伤害有益昆虫的同时又能杀死害虫。 2.5 激光选择家畜精子性别美国农业研究中心研究成功一种激光选择家畜精子性别系统。这种系统是根据 X 精子染色体中的 DNA 比 Y 精子染色体中含量多，在激光照射时，X 精子染色体比较明亮，由电脑记录其荧光高密度， 然后在电声作用下分离开 X 精子和 Y 精子，于是选用 X 精子与卵子受精便生产雌畜，选用 Y 精子与卵子受精便生产雄畜，目前，美国已在牛、羊、猪等家畜中进行试验2.6 激光剪羊毛澳大利亚的养羊业非常发达，但用传统的剪刀剪羊毛费时费力，效率低。科技人员研制成功一种激光装置，利用该装置的光束代替传统的剪刀，把羊毛

27、连根剪断，整张毛被剥下来，提高工效 10 倍。 3.激光营销3.1 防伪激光全息防伪标识作为高新技术的结晶,是近年来在国内外受到普遍关注的一项现代化激光应用技术成果。在农副产品的包装上,激光防伪技术不仅能确保产品的质量,而且更能增加产品美感,以深奥的全息成像原理及色彩斑斓的闪光效果而受到消费者的青睐。3.2 推销广告对于农副产品的销售至关重要,普通的广告照片只能在一维平面展示,而激光全息显示可以逼真地再现农副产品的三维图像,仿佛看到真正的实物一样清晰。这样全方位展示产品的信息,有助于感官上引起买家的注意,促进产品的销售。3.3激光码纽约时报曾报道,美国的一些超市里出现了打上先进的安全许可“烙印

28、”激光码信息的水果和蔬菜。在水果和蔬菜表面,利用激光文上它们的名称、识别码、产地以及其它信息,帮助提高发货速度。由于这些信息都刻在水果和蔬菜的外表皮,所以非常便于消费者和收银员识别。这种技术的工作方式与激光外科手术是一样的,即切割的同时进行烧灼。被激光蚀刻的水果表皮仍是不透气的,而且记号可永久性保存。激光码的出现可能意味着传统胶标签将成为历史,人们再也不必费力地粘撕这些顽固的胶标。4.激光技术应用于农业的前景分析4.1 激光处理种子的应用广泛化及数据模型化 低剂量激光辐照刺激种子发育与生长已被许多试验研究证实。对于激光技术广泛应用于种子处理还有许多亟待解决的问题，如激光光束的调控、种子自动摆放

29、、自动传送等。激光技术处理种子和作物应注重应用数学语言和数学方法来描述所观察的现象，这对提高激光技术研究水平及数据精确性有着重要的现实意义。 4.2 激光微束穿刺的自动化 激光微束穿刺技术是利用激光微束在受体植物细胞上穿孔，并通过细胞内外的渗透压差将外源基因直接导入带壁的植物细胞内。目前，激光照射采用手动法，即手动控制显微镜载物平台，目测或通过监视器寻找照射受体。此方法效率较低，只能照射细胞 10004000 个/h。Weber、Guo 等认为，如采用计算机自坳控制系统，单位时间内照射细胞数目将大大提高，可以处理细胞 106个/h。目前，国内外相关研究机构都期望采用计算机控制，利用二维或三维微

30、动平台控制系统，自动聚焦追踪受体细胞，以提高该转化系统的穿刺效率及其转化技术的普及应用11。4.3激光应用于农业科学研究的前景值得期待激光显微切割高等植物染色体技术,为进一步应用于植物染色体工程、基因定位及植物染色体片段克隆提供了可能。植物和动物的细胞可以融合,实现细胞杂交。与其它促融剂相比,激光细胞融合术具有无毒性、对融合位点或融合对象有选择性以及可监视融合全过程等优点。激光基因工程和细胞工程虽然离成熟尚早,但发展前景十分广阔。4.4激光育种变异遗传机理有待研究由激光引起的变异,有的能够遗传,有的遗传能力逐年下降,有的甚至不能遗传。如何从遗传机理和激光特性对这些现象做出解释,如何使激光诱变的有益变异遗传下去,如何提高有利突变的频率,如何将激光诱变与化学诱变剂结合,都有待进一步研究。结论 激光在农业科技领域中的深入应用依赖于激光技术与生物工程技术的开拓与发展,同时,一门崭新的边缘学科激光生物学正向纵深发展。加强激光光学学科