CN106025791A

CN106025791A - 激光辐射源植物生长装置

Info

Publication number: CN106025791A
Application number: CN201610474192.9A
Authority: CN
Inventors: 陈晓栋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2016-10-12

Abstract

本发明公开了一种激光辐射源植物生长装置，其包括保护外壳、纳米导光板、纳米涂层反光罩、半导体激光器、激光控制机构和电源；半导体激光器具有光电转化效率高、波长设置精准、可靠性高、便于控制等优点，其与激光控制机构配合使用，实现激光光强和/或时间可调，更利于植物高效生长。电源用于为激光控制机构供电，供激光控制机构正常工作。本发明提供的激光辐射源植物生长装置设计新颖，结构简单，经济实用；发射的激光波长及配比设置科学，激光强度和/或时间可调，以满足不同植物在不同生长阶段对光照强度和光照时间的需求，提高植物生长光合作用效率，促进植物高效生长，减少病虫害发生，从而提高产量和品质，具有较高的经济和社会价值。

Description

激光辐射源植物生长装置

技术领域

本发明涉及植物生长设备技术领域，尤其涉及一种激光辐射源植物生长装置。

背景技术

光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一。光通过影响光合作用、光形态建成和光周期来调节植物的生长发育，由于所处气候带不同或季节变化等原因，有时候农作物不可避免的生长在弱光逆境中。近年来，我国包括北京在内的华北大部分地区冬季经历了长时间的雾霾天气，导致的低温寡照给越冬茬口设施蔬菜的种植带来了严重的生长障碍，甚至是毁灭性的打击，利用人工光源进行补光，帮助设施蔬菜快速、安全生长是一项必要措施。另外，随着国家政策扶持力度的不断加大，全国光伏温室项目也越来越多。也需要人工光源补光技术来补充光照。近年来大量出现的光伏温室也对作物造成较大的遮光影响。农作物长期的弱光生长会导致植株营养体不健壮、落花落果严重、果实发育缓慢、含糖量降低、产量下降、品质变劣等问题。当作物处在光补偿点以下时，叶片净光合产物积累量极少甚至为零，这严重阻碍了作物正常生长对光合产物的需求。植物生长对人工光源的要求体现在光谱性能、发光效率和使用寿命等方面。在光谱性能方面，既要求光源能保证植物光合对光质的需求，又要尽可能减少多余的无效光谱和能耗；在发光效率方面，要求发出的光合有效辐射量与消耗功率之比达到较高水平；在其他性能方面，希望人工光源的使用年限长一些、光衰小一些，性价比高一些。

1957年，罗伯特·爱默生(R.Emerson)观察到，在远红光(波长大于685nm)条件下，如补充红光(波长650nm)，则量子产额大增，并且比这两种波长的光单独照射时的总和还要大。这样两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱默生效应(Emerson effect)。可以认为是远红光帮助了短波长的光，或者是短波长的光帮助了远红光。

发明内容

本发明实施例提供了一种激光辐射源植物生长装置，以促进植物的高效生长。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种激光辐射源植物生长装置，包括保护外壳、纳米导光板、纳米涂层反光罩、半导体激光器、激光控制机构和电源；

所述纳米涂层反光罩呈凹面状，并具有一容置空间，且其上开设有多个通孔；所述半导体激光器的数量与所述通孔的数量相同，且固定于所述通孔内，并使得所述半导体激光器的发光端位于所述纳米涂层反光罩的容置空间内；

所述纳米涂层反光罩固定于所述保护外壳内，所述纳米导光板固定于所述保护外壳的开口上，从而覆盖所述保护外壳的开口；

所述激光控制机构与所述半导体激光器连接，用于控制半导体激光器所发射的激光光质、光照强度与光照时间；

所述电源与所述激光控制机构连接，以对所述激光控制机构供电。

可选的，所述半导体激光器包括发射紫外光的半导体激光器，其发射的激光波长为380nm；发射蓝紫光的半导体激光器，其发射的激光波长为405nm；发射蓝光的半导体激光器，其发射的激光波长为450nm；发射红光的半导体激光器，其发射的激光波长为660nm；发射远红光的半导体激光器，其发射的激光波长为730nm。

可选的，所述激光控制机构包括控制器U1、驱动器和激光脉冲发生电路；

所述控制器U1与所述驱动器信号连接，所述驱动器与所述激光脉冲发生电路信号连接，所述激光脉冲发生电路与所述半导体激光器电路连接。

可选的，所述红光与蓝光的光质配比比例为(4～10)：1；所述红光与远红光的光质配比比例为(2～8)：1。

可选的，所述激光辐射源植物生长装置还包括光照强度传感器，所述光照强度传感器与所述控制器U1信号连接。

可选的，所述纳米涂层反光罩和纳米导光板均为方形。

可选的，所述纳米导光板为外凸的弧形板。

本发明提供一种激光辐射源植物生长装置，其包括保护外壳、纳米导光板、纳米涂层反光罩、半导体激光器、激光控制机构和电源；所述纳米涂层反光罩固定于所述保护外壳内，所述纳米导光板固定于所述保护外壳的开口上，从而覆盖所述保护外壳的开口；所述激光控制机构与所述半导体激光器连接，用于控制半导体激光器所发射的激光光质；所述电源与所述激光控制机构连接，以对所述激光控制机构供电。半导体激光器可发射5种波长的激光，有利于植物进行高效的光合作用；并且，半导体激光器具有光电转化效率高、波长设置精准、照射高效、寿命长及稳定可靠性高、便于控制等优点，其与激光控制机构配合使用，实现发射激光的强度和/或时间可调，以满足不同植物在不同的生长阶段对光照强度和光照时间的需求，更有利于植物的高效生长。电源用于为激光控制机构供电，供激光控制机构正常工作。本发明提供的激光辐射源植物生长装置设计新颖，结构简单，经济实用；发射的激光强度和/或时间可调，可以满足植物在不同的生长阶段对光照强度和光照时间的需求，提高植物生长光合作用效率，促进植物高效生长，减少病虫害发生，从而提高产量和品质，具有较高的经济和社会价值。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的激光辐射源植物生长装置的结构示意图；

图2为本发明的激光辐射源植物生长装置的结构示意图；

图3为本发明的激光控制机构的电路结构示意图。

图4为本发明的植物的光合作用吸收的太阳辐射光谱示意图；

附图标记说明：1-保护外壳；2-纳米导光板；3-纳米涂层反光罩；4-纳米涂层反光罩。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

请参见图1，该图示出了本发明实施例一提供的激光辐射源植物生长装置。该激光辐射源植物生长装置包括：保护外壳、纳米导光板、纳米涂层反光罩、半导体激光器、激光控制机构、电源和光照强度传感器；

所述纳米涂层反光罩呈凹面状，并具有一容置空间，且其上开设有多个通孔；所述半导体激光器的数量与所述通孔的数量相同，且固定于所述通孔内，并使得所述半导体激光器的发光端位于所述纳米涂层反光罩的容置空间内；而且更优选地，所述纳米涂层反光罩为方形，所述纳米导光板也为方形，所述纳米导光板覆盖所述纳米涂层反光罩的开口，并封闭所述容置空间；此时当所述半导体激光器发光时，其一部分激光能直接通过纳米涂层反光罩之后向外发射；而剩余的部分通过纳米涂层反光罩反射后，也通过所述纳米导光板向外发射；从而利用均匀分散在纳米导光板中的纳米粒子的光散射效应，将激光的点光源转变为面光源，从而本激光辐射源植物生长装置的激光可照射范围变大，光源输出的辐照度更均匀；所述纳米涂层反光罩与所述保护外壳相连，有效提高光线全反射率和散射率，从而提高植物生长装置的激光光源的有效利用率，实现节能节耗。

且本实施例中，所述半导体激光器可以设置为5种，并包括发射紫外光的半导体激光器，其发射的激光波长为380nm；发射蓝紫光的半导体激光器，其发射的激光波长为405nm；发射蓝光的半导体激光器，其发射的激光波长为450nm；发射红光的半导体激光器，其发射的激光波长为660nm；发射远红光的半导体激光器，其发射的激光波长为730nm。

本实施例中，所述纳米涂层反光罩和半导体激光器均位于所述保护外壳内，即所述纳米涂层反光罩固定于所述保护外壳内，所述纳米导光板固定于所述保护外壳的开口处。

所述激光控制机构与所述半导体激光器连接，用于控制半导体激光器所发射的激光光质(指各种波长的激光的配比，具体为波长为380nm的紫外光、405nm的蓝紫光、450nm的蓝光、660nm的红光和730nm的远红光)、光照强度和光周期等；所述电源与激光控制机构相连，用于为所述激光控制机构供电；而且为满足不同的应用环境，该电源设置的供电方式包括外接市政电源、普通电池、太阳能电池组件等。

进一步地，电源具有稳压单元，用于为激光控制机构提供稳定的低压电源，如DC12V电源，该稳压单元的电压输出端与激光控制机构相连。进一步地，依据光合作用光反应与暗反应原理，相所述半导体激光器所传输的电源可以采用由控制器U1所控制的脉冲激光开关电源，以更进一步大大地节省能耗，而且在脉冲光条件下比连续光照射条件下的光合作用速率有极大地提高，这种结构将在下文描述。

为在合适的时候开启所述半导体激光器，本实施例中，所述激光辐射源植物生长装置还包括光照强度传感器，而且所述光照强度传感器与所述激光控制机构连接，以将其检测的植物生长环境光照度参数发送给所述激光控制机构，所述激光控制机构根据所述植物生长环境光照度参数，结合设定的数据库信息控制半导体激光器的开闭，即判断当前环境是否需要开启半导体激光器进行人工补光，以及控制所述半导体激光器的有功功率，例如当通过PWM对所述半导体激光器进行控制室，可以改变所述PWM的占空比。

本实施例中，所述激光控制机构包括控制器U1、驱动器和激光脉冲发生电路；

所述控制器U1为ATXMEGA32A4-AU控制器，所述控制器U1包括44个管脚，其第8管脚接地；第9管脚连接+3.3V电源；第18管脚接地；第19管脚连接+3.3V电源；第38管脚接地；第39管脚连接+3.3V电源；其第30管脚接地，第31管脚连接+3.3V电源。

所述驱动器为IXDN604芯片，所述控制器U1的第11管脚通过电阻R4连接于所述IXDN604芯片的INB管脚；且电阻R6的一端接地，另一端也连接于所述IXDN604芯片的INB管脚；所述IXDN604芯片的GND管脚接地，其VCC管脚通过电阻R3连接于所述+12V直流电源(VCC电源)；电容C3的一端接地，另一端连接于所述IXDN604芯片的VCC管脚，以对所述VCC端进行稳压；通过上述连接，当所述控制器U1通过其第11管脚(PC1管脚)输出开关信号时，可以通过所述IXDN604芯片的OUTB管脚输出大功率的开关电流信号。

所述驱动器与所述激光脉冲发生电路连接，从而在所述驱动器的驱动下，产生激光脉冲；具体地，所述激光脉冲发生电路包括场效应管Q1、二极管D1以及半导体激光器D2；所述驱动器(IXDN604芯片)的OUTB管脚通过电阻R5连接于所述场效应管Q1的G端；所述场效应管Q1的D端通过电阻R2连接于+200V的电源；所述场效应管的S端接地；同时所述电容C1和C2的一端分别接地；另一端连接在一起，并连接于+200V电源；以使得电容C1和C2形成高压输入电源的滤波电容；所述二极管D1的负极接地，所述半导体激光器D2的正极通过电阻R7接地；所述二极管D1的正极与所述半导体激光器D2的负极连接，并连接于电容C4的一端，所述电容C4的另一端连接于所述场效应管Q1的D端。

本实施例中，其中电阻R2为充电限流电阻，电阻R7为脉冲电流限流电阻，电容C4为储能电容，+200V电源为输入高压偏置，二极管D1为钳位二极管，D2为半导体激光器，场效应管Q1为控制开关。当场效应管Q1断开时，+200V高压偏置通过电阻R2向储能电容C4充电，电容C4两端的电压随即升高，充电完成后，储能电容两端的电压UC即与高压偏置电压+200V相等，当场效应管Q1闭合后储能电容C4通过场效应管Q1、放电限流电阻R7以及半导体激光器D2所组成的回路瞬时放电，加在半导体激光器D2两端的电压为-200V。

与普通灯光源和LED光源相比，半导体激光器(LD)作为植物栽培用光源具有更精准、高效、低耗、节本、针对性强等特点，具体为：

光源更小型轻便；低电压驱动，驱动电源更小巧；热辐射极小，可接近植物照射；可进行短脉冲照射，可降低所需功率；劣化少，使用寿命长，可达50000小时；只要散热器即可，冷却装置小；激光光质具有高效光激励性能，更节能节耗；可针对不同植物、不同生长阶段及不同栽培环境任选适宜的波长和光质配比，本实施例中半导体激光器发射的激光精准设定为380nm的紫外光、405nm的蓝紫光、450nm的蓝光、660nm的红光和730nm的远红光的光配比组合，对植物光合作用没有多余不必要的波长；电能转化为光能的转换效率高达50％以上。

上述半导体激光器中，所述发射的激光红光与蓝光的光质(R/B)配比比例(红光与蓝光的光质配比比例)为(4～10)：1；所述发射的激光红光与远红光的光质(R/FR)配比比例为(2～8)：1；405nm的蓝紫光LD为1～2个；380nm的紫外光LD为1～2个。

上述半导体激光器的激光光源配置和波长选择主要是基于对植物光合作用基本原理的研究。植物的光合作用吸收的太阳辐射光谱如图4所示，绿色植物光合作用有效光谱范围是380nm-730nm，植物的光合作用主要吸收的是红光和蓝光，此外，还有小部分的紫外线和红外线。

结合图4可以看出，植物的光合作用发生在叶绿体内，叶绿体是绿色植物细胞内进行光合作用的结构。植物的叶绿体内主要含有叶绿素(叶绿素a和叶绿素b)、β-类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)，光敏素(Pfr，Pr)。叶绿素a、叶绿素b和β-类胡萝卜素主要吸收的波谱峰值为450nm的蓝光和660nm的红光，光敏素吸收峰值是380nm、660nm和730nm。光敏色素调节多种不同植物对光的反应，包括光周期，种子萌发、展叶、下胚轴伸长和脱黄化。因此，本发明选择对植物的生长发育起着关键性的作用的光配比组合，即380nm的紫外光、405nm的蓝紫光、450nm的蓝光、660nm的红光和730nm的远红光。此外，本实施例中选择的380nm的紫外光和405nm的蓝紫光能促进植物花青素的形成，并对某些虫害还能起到一定的防治作用。

有研究证实光合作用可以分为两个步骤，一个是必须在光下才能进行的、由光所引起的光反应。它又可以分为原初反应,以及电子传递和光合磷酸化两个阶段；另一个则是不需要光的一般化学反应(也可以在光下进行)，它是把二氧化碳固定和还原成为有机物的反应，即暗反应。

德国的瓦伯格(O.Warburg)用藻类进行闪光试验，在光能量相同的前提下，一种用连续照光，另一种用闪光照射，中间隔一定暗期，(每次闪光0.0034S，间歇0.0166S，每秒50次)，发现后者光合效率是连续光下的200％～400％。这些实验表明了光合作用可以分为需光的光反应(light reaction)和不需光的暗反应(dark reaction)两个阶段。

Kozai等使用LED脉冲光对莴苣的生长以及光合成反应的影响进行研究，结果表明，在周期为100μs以下的脉冲光条件下，莴苣生长比连续光照射条件下的促进效果提高了20％，从而证实了采用不同频率脉冲光照射莴苣可以加速其生长的设想。Tanaka等通过对LED植物栽培的实用化研究，探讨了脉冲光照射周期与占空比对植物生长的影响，结果表明，占空比达25％～50％时，可加速植物生长。

因此，本实施例中半导体激光器所传输的电源采用由控制器U1所控制的脉冲激光开关电源，不仅可极大地节省能耗，而且在脉冲光条件下比连续光照射条件下的光合作用速率能有极大地提高，更利于促进植物高效生长。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种激光辐射源植物生长装置，其特征在于，包括保护外壳、纳米导光板、纳米涂层反光罩、半导体激光器、激光控制机构和电源；

2.根据权利要求1所述的激光辐射源植物生长装置，其特征在于，所述半导体激光器包括发射紫外光的半导体激光器，其发射的激光波长为380nm；发射蓝紫光的半导体激光器，其发射的激光波长为405nm；发射蓝光的半导体激光器，其发射的激光波长为450nm；发射红光的半导体激光器，其发射的激光波长为660nm；发射远红光的半导体激光器，其发射的激光波长为730nm。

3.根据权利要求2所述的激光辐射源植物生长装置，其特征在于，所述激光控制机构包括控制器U1、驱动器和激光脉冲发生电路；

4.根据权利要求3所述的激光辐射源植物生长装置，其特征在于，所述红光与蓝光的光质配比比例为(4～10)：1；所述红光与远红光的光质配比比例为(2～8)：1。

5.根据权利要求4所述的激光辐射源植物生长装置，其特征在于，还包括光照强度传感器，所述光照强度传感器与所述控制器U1信号连接。

6.根据权利要求5所述的激光辐射源植物生长装置，其特征在于，所述纳米涂层反光罩和纳米导光板均为方形。

7.根据权利要求6所述的激光辐射源植物生长装置，其特征在于，所述纳米导光板为外凸的弧形板。