2023年12月27日，董俊教授课题组在期刊《Optics Communications》上发表了题为“Investigation of mortality rate of Drosophila melanogaster irradiated with nanosecond passively Q-switched microchip laser”的文章。该文章由2021级博士研究生张也、2021级硕士研究生熊笑天和2020级博士研究生缪宇杰在董俊教授的指导下完成。

激光以其无污染、高能量和高光束质量的优点，近年来被应用于农业中的杂草和害虫防治。据报道，连续波激光器能通过产生高热量来损伤昆虫外骨骼和内部组织，但其耗能高，耗时长，效率低。单脉冲激光能有效杀死害虫，但需要高达兆瓦级的峰值功率，对设备要求苛刻。在实际应用中，害虫防控装置还受到激光系统体积和重量的限制。激光二极管泵浦的被动调Q微片激光器，具有高峰值功率和短脉宽的特点，其结构紧凑坚固，可以满足各种实际应用，是开发激光害虫防控系统的理想光源，研究其激光脉冲特性对害虫防控的影响有重大意义。

课题组设计了一种基于Yb:YAG/Cr⁴⁺:YAG复合晶体被动调Q微片激光器的给药系统，实现了对输出激光光束直径、辐照时间、脉冲宽度、峰值功率和重复频率等参数的调控。通过使黑腹果蝇达到90%死亡率的致死剂量(LD₉₀)对输出激光各参数的致死效应进行了评估。实验显示，当光束直径小于黑腹果蝇尺寸时，LD₉₀随光束直径的增大而减小，光束直径达到果蝇尺寸后，LD₉₀随光束直径的增大基本保持不变，但总耗能增大。脉宽缩短二分之一，LD₉₀减少了约6.5%。当峰值功率从6.9 kW到27.5kW增大四倍时，致死剂量降低约三分之一。重复频率小于10 kHz时，LD₉₀随重频的增加而急剧减少，重频达到10 kHz后，LD₉₀随重频进一步增加在12.7 kHz附近趋于稳定，但所需辐照时间减小。基于纳秒被动调Q微片激光器，害虫防控所需的致死剂量远低于连续波激光，与单脉冲激光器相当。

研究表明，选择具有适配害虫尺寸的光束直径、短脉宽、高峰值功率和高重频的激光光源，更有利于害虫防控。该研究成果指导了害虫防控激光器的设计，验证了近红外纳秒被动调Q微片激光器在害虫防治中的巨大潜力。

图1. 基于Yb:YAG/Cr⁴⁺:YAG的被动调Q微片激光器对黑腹果蝇死亡率影响的给药装置示意图。OC是输出耦合镜。插图是激光照射下的黑腹果蝇示意图

图2. 腔长分别为1.7 mm和3.7 mm的被动调Q微片激光器的平均输出功率。插图为M²因子小于1.1的激光光斑图

图3. 腔长分别为1.7 mm和3.7 mm的被动调Q微片激光器的: (a)脉冲能量、(b)脉冲宽度、(c)峰值功率和(d)重复频率

图4. 不同光束直径被动调Q微片激光器照射下黑腹果蝇死亡率的变化。插图为不同光束直径的激光照射下黑腹果蝇达到90%致死率所需的能量剂量

图5. 脉冲宽度为0.85 ns和1.5 ns的被动调Q微片激光器照射下黑腹果蝇死亡率的变化。插图为两种脉冲的波形图

图6. 不同峰值功率被动调Q微片激光器照射下黑腹果蝇死亡率的变化。插图为不同峰值功率的激光照射下黑腹果蝇达到90%致死率所需的能量剂量

图7. 不同重复频率被动调Q微片激光器照射下黑腹果蝇死亡率的变化。插图为不同重复频率的激光照射下黑腹果蝇达到90%致死率所需的能量剂量

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.optcom.2023.130239