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文檔簡介

1、畢 業(yè) 論 文 題 目: 激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的 應(yīng)用現(xiàn)狀與前景分析 學(xué)生姓名: 余建華 學(xué) 號(hào): 1012040009 畢業(yè)屆期: 2014/7/1 指導(dǎo)教師: 趙素琴 院 系: 物理與電子信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí): 10物理(藏文師范)班 二一四 年 五 月 九 日獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的理論學(xué)習(xí)、實(shí)習(xí)實(shí)踐以及研究所取得的成果,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含獲得 青海民族大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一起探討、工作的同學(xué)對(duì)本論文所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意

2、。畢業(yè)論文作者簽名: 簽字日期:2014年5月10日畢業(yè)論文版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)論文作者完全了解 青海民族大學(xué) 有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文的規(guī)定。特授權(quán)青海民族大學(xué)可以將畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。論文作者簽名: 簽字日期:2012年5月10日 指導(dǎo)教師簽名: 簽字日期:2014年5月10日I激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景分析摘 要激光器是 20 世紀(jì)的重大發(fā)明之一,是人造光源的一次革命。激光作為人類科學(xué)史上的一項(xiàng)重大發(fā)明,以其普通光無法相比的超高亮度、超短脈沖、

3、單色性、相干性和方向性,使它必將深刻地影響當(dāng)代科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展變革。自 1960 年美國的梅曼發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器以來,短短的幾十年激光已經(jīng)在工業(yè)、國防、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得愈來愈多的應(yīng)用。近 10年來,激光技術(shù)由于其獨(dú)特的性能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,無論是在激光理論還是在激光技術(shù)、激光的應(yīng)用等方面都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。本文闡述了激光技術(shù)在育種、殺蟲除草、促銷等方面的作用機(jī)理、優(yōu)勢(shì)和取得的成果。激光誘變育種可以提高種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率,促進(jìn)生長發(fā)育,提高抗病能力;激光的生物熱效應(yīng)可破壞細(xì)胞的正常新陳代謝,起到除草殺蟲的目的;激光技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品銷售中起著防偽、推銷和美化的作用。最后,展

4、望了激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞: 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué);激光;綜述;農(nóng)業(yè);應(yīng)用;前景分析青海民族大學(xué)畢業(yè)論文 : III目錄引言11 激光的基本原理11.1 激光產(chǎn)生原理11.1.1普通光源的發(fā)光受激吸收和自發(fā)輻射11.1.2受激輻射和光的放大21.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)31.2 激光器的結(jié)構(gòu)41.2.1 激光工作物質(zhì)41.2.2 激勵(lì)源41.2.3諧振腔42 激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀52.1誘變育種 52.2提高種子活力62.3激光平地整地62.4防治病害蟲72.5激光選擇家畜精子性別82.6激光剪羊毛83 激光營銷83.1 防偽83.2 推銷83.3激光碼84激光技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的前景分

5、析94.1 激光處理種子的應(yīng)用廣泛化及數(shù)據(jù)模型化94.2 激光微束穿刺的自動(dòng)化94.3激光應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的前景值得期待94.4激光育種變異遺傳機(jī)理有待研究9結(jié)論10參考文獻(xiàn)11致謝12V引言激光是一種新型光源,是受激輻射光放大產(chǎn)生的一種單色性、方向性和相干性都很好的強(qiáng)光光束。激光器是20世紀(jì)的重大發(fā)明之一,是人造光源的一次革命。自1960年美國的梅曼發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器以來,在激光產(chǎn)生短短的幾十年時(shí)間里,無論是在激光理論還是在激光技術(shù)、激光的應(yīng)用等方面都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。激光已經(jīng)在工業(yè)、國防、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得愈來愈多的應(yīng)用。近10年來,激光在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也取得了可喜的成果。1 激光的

6、基本原理1.1 激光產(chǎn)生原理 1.1.1普通光源的發(fā)光受激吸收和自發(fā)輻射 普通常見光源的發(fā)光(如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光)是由于物質(zhì)在受到外來能量(如光能、電能、熱能等)作用時(shí),原子中的電子就會(huì)吸收外來能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個(gè)“受激吸收”過程。處在高能級(jí)(E2)的電子壽命很短(一般為108109秒),在沒有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)(E1)躍遷,躍遷時(shí)將產(chǎn)生光(電磁波)輻射。(輻射光子能量為 h=E2-E1 )這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程,各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨(dú)立,互不關(guān)聯(lián),即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方,另外

7、未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度,所以發(fā)射光的頻率也不是單一的,而有一個(gè)范圍。 在通常熱平衡條件下,處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2,遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低,這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小,即Nexp(-E/kT),這是著名的玻耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為 : N2/N1exp-(E2-E1)/kT 式中k為波耳茲曼常量,T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2E1,所以N2N1。例如,已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E113.6eV,第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.4eV,在20時(shí), kT0.025eV,則 N2/N1exp(400)0 可見

8、,在20時(shí),全部氫原子幾乎都處于基態(tài),要使原子發(fā)光,必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài),所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過程。一般說來,這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的,加上向四面八方發(fā)射,更使能量分散了。 1.1.2受激輻射和光的放大 由量子理論知識(shí)知道,一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,)決定。但是實(shí)際描寫原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),除能量外,還有軌道角動(dòng)量L和自旋角動(dòng)量s,它們都是量子化的,由相應(yīng)的量子數(shù)來描述。對(duì)軌道角動(dòng)量,玻爾曾給出了量子化公式Lnnh,但這不嚴(yán)格,因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化

9、都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來推導(dǎo)。 量子理論告訴我們,電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在l角動(dòng)量量子數(shù)相差1的兩個(gè)狀態(tài)之間,這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足,則躍遷的幾率很小,甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí),一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí),由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則,可使它在這種能級(jí)上的壽命很長,不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是,在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí),并放出光子。這種過程是被“激”出來的,故稱受激輻射。 受激輻射的概念是愛因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)提出來的。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性,這是激光的基礎(chǔ)。

10、受激輻射的過程大致如下:原子開始處于高能級(jí)E2,當(dāng)一個(gè)外來光子所帶的能量h正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn),就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子,不僅頻率(能量)相同,而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是,入射一個(gè)光子,就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來光信號(hào)被放大這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光,就是激光。1.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射,而且它也能引起受激吸收,所以只有當(dāng)處在高能級(jí)地原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí),受激輻射躍遷才能超過受激吸收,而占優(yōu)勢(shì)。由此可見

11、,為使光源發(fā)射激光,而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多,這種情況,稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下,原子幾乎都處于最低能級(jí)(基態(tài))。因此,如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。粒子數(shù)如何實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布,涉及兩個(gè)方面:一是粒子體系(工作物質(zhì))的內(nèi)結(jié)構(gòu);二是給工作物質(zhì)施加外部作用。所講的工作物質(zhì)是指在特定條件下能使兩個(gè)能級(jí)間達(dá)到非熱平衡狀態(tài),而實(shí)現(xiàn)光放大,不是每一種物質(zhì)都能做工作物質(zhì)。粒子體系中有一些粒子的壽命很短暫,只有10-8秒。有一部分壽命相對(duì)較長些,如鉻離子在高能級(jí)E2上壽命只不過是幾個(gè)毫秒。壽命較長的粒子數(shù)能級(jí)叫做亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),除鉻離子外,還有一些亞穩(wěn)

12、態(tài)能級(jí),主要有釹離子、氖原子、二氧化碳分子、氪離子、氬離子等。有了亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),在這一時(shí)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)某一能級(jí)與亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),以達(dá)到對(duì)特定頻率輻射光進(jìn)行光放大。即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生光放大的內(nèi)因。那外因是什么?既對(duì)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子體系(主要工作物質(zhì))增加某種的外部作用。由于熱平衡的分布中粒子體系處于低能級(jí)的粒子數(shù),總是大于處在高能級(jí)上的粒子數(shù),當(dāng)要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),就得給粒子體系增加一種外界的作用,促使大量低能級(jí)上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級(jí)上,這種過程被叫做激勵(lì),或被稱為泵浦,尤如把低處的水抽到高處一樣。對(duì)固體形的工作物質(zhì)常應(yīng)用強(qiáng)光照射的辦法,即為光激勵(lì)。這類工作物質(zhì)常應(yīng)用的有摻鉻剛玉、摻釹玻璃、摻

13、釹釔鋁石榴石等等。對(duì)氣體形的工作物質(zhì),常應(yīng)用放電的辦法,促進(jìn)特定儲(chǔ)存氣體物質(zhì)按一定的規(guī)律經(jīng)放電而激勵(lì),常應(yīng)用的工作氣體物質(zhì),有分子氣體(如CO2氣體)及原子氣體(如He-Ne原子氣體)。如工作物質(zhì)為半導(dǎo)體的物質(zhì),采用注入大電流方法激勵(lì)發(fā)光,常見的有砷化鎵,這類注入大電流的方法被叫做注入式激勵(lì)法。此外,還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法(化學(xué)激勵(lì)法)、超音速絕熱膨脹法(熱激勵(lì)),電子束甚至用核反應(yīng)中生成的粒子進(jìn)行轟擊(電子束泵浦、核泵浦)等方法,都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。從能量角度看,泵浦過程就是外界提供能量給粒子體系的過程。激光器中激光能量的來源,是由激勵(lì)裝置,其它形式的能量(諸如光、電、化學(xué)、熱能等)轉(zhuǎn)換而

14、來。1.2 激光器的結(jié)構(gòu) 激光器一般包括三個(gè)部分。1.2.1 激光工作物質(zhì) 激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作物質(zhì),可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種物質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在,對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)世非常有利的。現(xiàn)有工作物質(zhì)近千種,可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外,非常廣泛。 1.2.2 激勵(lì)源 為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系,使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子,稱為電激勵(lì);也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì),稱為光激勵(lì);還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵

15、浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出,必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。 1.2.3諧振腔 有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后,可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱,無法實(shí)際應(yīng)用。于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔,實(shí)際是在激光器兩端,面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射,一塊光大部分反射、少量透射出去,以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光,繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射,光被放大。因此,光在諧振腔中來回振蕩,造成連鎖反應(yīng),雪崩似的獲得放大,產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光,從部分反射鏡子一端輸出。以紅寶石激光器為例,工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價(jià)

16、鉻離子的三氧化二鋁晶體。實(shí)際是摻入質(zhì)量比約為0.05%的氧化鉻。由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍(lán)光,所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發(fā)明的激光器所產(chǎn)用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長約8cm的圓棒。兩端面是一對(duì)平行平面鏡,一端鍍上全反射膜,一端有10%的透射率,可讓激光透出。 紅寶石激光器中,用高壓氙燈作“泵浦”,利用氙燈所發(fā)出的強(qiáng)光激發(fā)鉻離子到達(dá)激發(fā)態(tài)E3,被抽運(yùn)到E3上的電子很快(108s)通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),E2到E1的自發(fā)輻射幾率很小,壽命長達(dá)10-3s,即允許粒子停留較長時(shí)間。于是,粒子就在E2上積聚起來,實(shí)現(xiàn)E2和E1兩能級(jí)上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從E2到E1受激發(fā)射的波

17、長是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光,每一個(gè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間不到1ms,每個(gè)光脈沖能量在10J以上;也就是說,每個(gè)脈沖激光的功率可超過10kW的數(shù)量級(jí)。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過程中涉及到三條能級(jí),故稱為三能級(jí)系統(tǒng)。由于在三能級(jí)系統(tǒng)中,下能級(jí)E1是基態(tài),通常情況下積聚大量原子,所以要達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn),要有相當(dāng)強(qiáng)的激勵(lì)才行。 2.激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀2.1誘變育種從20世紀(jì)60年代開始,美國、前蘇聯(lián)、澳大利亞、加拿大等國就已將激光用于誘變育種。我國激光育種始于1972年,并在糧食作物乃至經(jīng)濟(jì)作物領(lǐng)域取得顯著成果,到1995年已培育40多個(gè)新品種,取得了良好的

18、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。應(yīng)用育種的激光器波長從遠(yuǎn)紅外118.8Hm, 10.6Hm,到可見光694. 3nm, 632. 8nm, 530nm, 441. 6nm,到紫外337. 1nm,265nm等;常用的激光器有 He-Ne、N2 、欽玻璃、紅寶石、Ar+,YAG等,其中以CO2和He-Ne激光最為普遍。激光處理種子誘變作用與一股射線(如X射線、Y射線、中子、紫外線等)類似,是通過染色體結(jié)構(gòu)畸變和遺傳物質(zhì)分子改變,最后導(dǎo)致其性狀和特性發(fā)生變異,再通過細(xì)胞分裂遺傳給后代,經(jīng)過人為選擇和培育成為新品種。張顯志等利用He-Ne激光輻照花粉后進(jìn)行屬間雜交,獲得新品種,提高雜種種子的出苗率和成活率,且在

19、L1代植株中均獲得染色體自然加倍的雙二倍體,即小黑麥種子。現(xiàn)已獲得L1- L8代的小黑麥后代材料和穩(wěn)定株系。激光誘變育種為小麥屬間雜交育種工作開辟了一條新的途徑。潘春等采用CO2和He-Ne兩種激光3種劑量,分別輻照兩個(gè)洋蔥品種的濕種子,采用生理生化方法,研究洋蔥L1各處理的生物學(xué)效應(yīng)。結(jié)果表明,He-Ne激光輻照洋蔥L1代的過氧化氫酶、葉綠素、總糖含量的變異大于C02激光輻照結(jié)果。侯丙凱等利用激光微束穿刺法將蘇云金芽孢桿菌的毒蛋白基因?qū)肓擞筒耍?jīng)聚合酶催化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)和 PCR Southern 雜交證明,抗蟲基因已導(dǎo)入油菜基因組中并能在 T1代得到遺傳。對(duì)轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行抗蟲性測(cè)試,

20、結(jié)果表明,某些植株具有較好的抗蟲性,且這種抗蟲性在 T1代仍能保持。2.2 提高種子活力 低劑量激光能使機(jī)體當(dāng)代產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng),DNA酶系統(tǒng)活性提高,有絲分裂加快,核仁、器官活化,可使種子發(fā)芽率提高、出苗加快、苗期生長旺盛、植株矮化、分蘗增加、提早開花和成熟、增加產(chǎn)量。報(bào)道較早的是美國和加拿大,用紅寶石激光處理蠶豆、蘿卜、紫花、苜蓿和南瓜種子,提高種子發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)。我國在 20 世紀(jì) 70 年代初開始研究,現(xiàn)已在水稻、小麥、大麥、棉花、高粱、玉米、大豆、甜菜、蕃茄、黃瓜、青椒、馬鈴薯及甜橙等方面取得成果。激光促長的主要途徑有照射種子、照射植株和照射灌溉水,國內(nèi)目前主要是照射種子。激光輻照種子

21、可提高其農(nóng)學(xué)參數(shù)(發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)等)和改善葉綠素含量,提高種子活性,增強(qiáng)光合作用強(qiáng)度和一些生物酶活性,有利于作物生長,達(dá)到增產(chǎn)的目的。郝麗珍等采用多項(xiàng)式模擬方法,研究CO2激光對(duì)油菜種子活力指標(biāo)的影響,得出發(fā)芽種子的下胚軸長、胚根長、種子發(fā)芽指數(shù)、萌動(dòng)種子過氧化氫酶活性、地上部鮮質(zhì)量及全株鮮質(zhì)量分別與CO2激光照射時(shí)間的數(shù)學(xué)模型,并揭示了油菜種子活力與CO2激光照射時(shí)間的關(guān)系。張建東等采用CO2激光輻照萌動(dòng)玉米種子,研究對(duì)玉米種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的影響。結(jié)果表明,不同時(shí)間CO2激光輻照萌動(dòng)的玉米種子發(fā)芽率、出土后幼苗生長發(fā)育狀況及幼苗的生理生化代謝均有不同程度的促進(jìn)作用。邵耀椿等利用激光輻照

22、DNA導(dǎo)入番茄,有益于供體的一些顯性基因性狀在受體后代得到表達(dá),品質(zhì)得到改善。結(jié)果表明,激光輻照DNA已導(dǎo)入受體并得到整合表達(dá)。Chen Yi-Ping等研究了He-Ne激光輻照對(duì)菘藍(lán)種子熱力學(xué)參數(shù)的影響,根據(jù)種子發(fā)芽的自動(dòng)溫度圖表來計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)。He-Ne激光預(yù)處理表明,其不僅在提高種子活力方面有短期生物效應(yīng),而且對(duì)秧苗的生長和發(fā)育有長期的生物效應(yīng)。2.3 激光平地整地 激光平地整地技術(shù)是利用激光獨(dú)有特性,將激光束作為控制手段,來控制液壓平地機(jī)具的升降高度。激光平地設(shè)備一般由激光發(fā)射器、接收器、控制器和平地機(jī)具組成。激光發(fā)射器發(fā)射一束極細(xì)且能旋轉(zhuǎn) 360的激光束,提供恒定平地基準(zhǔn)。裝有接收

23、器的裝置放在靠近平地機(jī)具測(cè)量標(biāo)桿上,從激光束到平地刀口之間的固定距離即為標(biāo)高測(cè)量基準(zhǔn),接收器檢測(cè)到激光信號(hào)后不間斷地給控制器發(fā)送坡度信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)具控制。 20 世紀(jì) 70 年代,美國首先將激光技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用平地整地機(jī)械,并取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前,該技術(shù)在美、英、日、俄等國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。國外多采用紅色氦氖激光器產(chǎn)生基準(zhǔn)光線,其接收與控制系統(tǒng)精度較高,但價(jià)格十分昂貴。在國內(nèi),自 20 世紀(jì) 80 年代開始,一些部門就已引進(jìn)國外機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn),但一直未能推廣。從技術(shù)上看,激光調(diào)平技術(shù)所需的關(guān)鍵元件(如激光發(fā)射器、接收器、電磁液壓控制閥、水平及高度傳感器等)研制問題已基本解

24、決,多數(shù)元件在國內(nèi)已有廠家生產(chǎn),但供平地機(jī)使用的專用元器件還很少,不能完全適應(yīng)農(nóng)用平地機(jī)的使用要求。90 年代中后期,國內(nèi)研制出兩種激光平地機(jī)械應(yīng)用于鹽業(yè)生產(chǎn)的 GP-1 型激光校準(zhǔn)平地機(jī)和應(yīng)用于農(nóng)田基本建設(shè)的 1PJY-6 型激光平地機(jī)。 激光平地整地技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)大片土地平整自動(dòng)化,節(jié)約勞動(dòng)力,減少農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度,且可極大地提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率和灌水均勻度,有利于農(nóng)田耕作和農(nóng)作物生長,提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量,從而保障我國糧食安全,緩解我國水資源嚴(yán)重不足的局面,并有助于治理我國日益嚴(yán)重的水土流失等生態(tài)環(huán)境問題,是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)工程和關(guān)鍵技術(shù),并具有良好的應(yīng)用前景。2.4 防治病害

25、蟲 美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)激光照射到健康農(nóng)作物時(shí),能被吸收進(jìn)行光合作用。如果照射在生長不良或有病蟲害的農(nóng)作物上時(shí),光能不會(huì)完全被光合作用利用,其中一部分會(huì)分散成不同波長的冷光或被反射回來。通過分析這些光的性質(zhì),就可檢測(cè)到作物病害,確診病因,對(duì)癥下藥。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,利用激光技術(shù)替代化學(xué)藥品防治殺滅害蟲,可有效減輕農(nóng)藥殘留對(duì)環(huán)境的污染和因食用被污染的食品而給人們的健康造成傷害。用小功率紅寶石或 CO2激光器可在幾小時(shí)內(nèi)殺死大部分農(nóng)業(yè)害蟲的卵、幼蟲、蛹或成蟲,如波長(450500)10-9的激光可殺死螨類和蚊類。使用激光方法防治農(nóng)作物病蟲害的過程中,應(yīng)選擇適當(dāng)激光波長和劑量,以確保在不影響作物生長和傷害有益

26、昆蟲的同時(shí)又能殺死害蟲。 2.5 激光選擇家畜精子性別美國農(nóng)業(yè)研究中心研究成功一種激光選擇家畜精子性別系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是根據(jù) X 精子染色體中的 DNA 比 Y 精子染色體中含量多,在激光照射時(shí),X 精子染色體比較明亮,由電腦記錄其熒光高密度, 然后在電聲作用下分離開 X 精子和 Y 精子,于是選用 X 精子與卵子受精便生產(chǎn)雌畜,選用 Y 精子與卵子受精便生產(chǎn)雄畜,目前,美國已在牛、羊、豬等家畜中進(jìn)行試驗(yàn)2.6 激光剪羊毛澳大利亞的養(yǎng)羊業(yè)非常發(fā)達(dá),但用傳統(tǒng)的剪刀剪羊毛費(fèi)時(shí)費(fèi)力,效率低。科技人員研制成功一種激光裝置,利用該裝置的光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剪刀,把羊毛連根剪斷,整張毛被剝下來,提高工效 10 倍

27、。 3.激光營銷3.1 防偽激光全息防偽標(biāo)識(shí)作為高新技術(shù)的結(jié)晶,是近年來在國內(nèi)外受到普遍關(guān)注的一項(xiàng)現(xiàn)代化激光應(yīng)用技術(shù)成果。在農(nóng)副產(chǎn)品的包裝上,激光防偽技術(shù)不僅能確保產(chǎn)品的質(zhì)量,而且更能增加產(chǎn)品美感,以深?yuàn)W的全息成像原理及色彩斑斕的閃光效果而受到消費(fèi)者的青睞。3.2 推銷廣告對(duì)于農(nóng)副產(chǎn)品的銷售至關(guān)重要,普通的廣告照片只能在一維平面展示,而激光全息顯示可以逼真地再現(xiàn)農(nóng)副產(chǎn)品的三維圖像,仿佛看到真正的實(shí)物一樣清晰。這樣全方位展示產(chǎn)品的信息,有助于感官上引起買家的注意,促進(jìn)產(chǎn)品的銷售。3.3激光碼紐約時(shí)報(bào)曾報(bào)道,美國的一些超市里出現(xiàn)了打上先進(jìn)的安全許可“烙印”激光碼信息的水果和蔬菜。在水果和蔬菜表面,

28、利用激光文上它們的名稱、識(shí)別碼、產(chǎn)地以及其它信息,幫助提高發(fā)貨速度。由于這些信息都刻在水果和蔬菜的外表皮,所以非常便于消費(fèi)者和收銀員識(shí)別。這種技術(shù)的工作方式與激光外科手術(shù)是一樣的,即切割的同時(shí)進(jìn)行燒灼。被激光蝕刻的水果表皮仍是不透氣的,而且記號(hào)可永久性保存。激光碼的出現(xiàn)可能意味著傳統(tǒng)膠標(biāo)簽將成為歷史,人們?cè)僖膊槐刭M(fèi)力地粘撕這些頑固的膠標(biāo)。4.激光技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的前景分析4.1 激光處理種子的應(yīng)用廣泛化及數(shù)據(jù)模型化 低劑量激光輻照刺激種子發(fā)育與生長已被許多試驗(yàn)研究證實(shí)。對(duì)于激光技術(shù)廣泛應(yīng)用于種子處理還有許多亟待解決的問題,如激光光束的調(diào)控、種子自動(dòng)擺放、自動(dòng)傳送等。激光技術(shù)處理種子和作物應(yīng)注重應(yīng)

29、用數(shù)學(xué)語言和數(shù)學(xué)方法來描述所觀察的現(xiàn)象,這對(duì)提高激光技術(shù)研究水平及數(shù)據(jù)精確性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 4.2 激光微束穿刺的自動(dòng)化 激光微束穿刺技術(shù)是利用激光微束在受體植物細(xì)胞上穿孔,并通過細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓差將外源基因直接導(dǎo)入帶壁的植物細(xì)胞內(nèi)。目前,激光照射采用手動(dòng)法,即手動(dòng)控制顯微鏡載物平臺(tái),目測(cè)或通過監(jiān)視器尋找照射受體。此方法效率較低,只能照射細(xì)胞 10004000 個(gè)/h。Weber、Guo 等認(rèn)為,如采用計(jì)算機(jī)自坳控制系統(tǒng),單位時(shí)間內(nèi)照射細(xì)胞數(shù)目將大大提高,可以處理細(xì)胞 106個(gè)/h。目前,國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都期望采用計(jì)算機(jī)控制,利用二維或三維微動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng),自動(dòng)聚焦追蹤受體細(xì)胞,以提高

30、該轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的穿刺效率及其轉(zhuǎn)化技術(shù)的普及應(yīng)用11。4.3激光應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的前景值得期待激光顯微切割高等植物染色體技術(shù),為進(jìn)一步應(yīng)用于植物染色體工程、基因定位及植物染色體片段克隆提供了可能。植物和動(dòng)物的細(xì)胞可以融合,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞雜交。與其它促融劑相比,激光細(xì)胞融合術(shù)具有無毒性、對(duì)融合位點(diǎn)或融合對(duì)象有選擇性以及可監(jiān)視融合全過程等優(yōu)點(diǎn)。激光基因工程和細(xì)胞工程雖然離成熟尚早,但發(fā)展前景十分廣闊。4.4激光育種變異遺傳機(jī)理有待研究由激光引起的變異,有的能夠遺傳,有的遺傳能力逐年下降,有的甚至不能遺傳。如何從遺傳機(jī)理和激光特性對(duì)這些現(xiàn)象做出解釋,如何使激光誘變的有益變異遺傳下去,如何提高有利突變的頻率,如何將激光誘變與化學(xué)誘變劑結(jié)合,都有待進(jìn)一步研究。結(jié)論 激光在農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域中的深入應(yīng)用依賴于激光技術(shù)與生物工程技術(shù)的開拓與發(fā)展,同時(shí),一門嶄新的邊緣學(xué)科激光生物學(xué)正向縱深發(fā)展。加強(qiáng)激光光學(xué)學(xué)科同農(nóng)業(yè)

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