激光束發(fā)散后栽培植物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及設(shè)施栽培領(lǐng)域，具體涉及一種激光束發(fā)散后栽培植物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人工光被越來越廣泛地應(yīng)用在蔬菜等作物的大規(guī)模栽培中，其環(huán)境因子可控，土地利用率高，可按計劃生產(chǎn)等優(yōu)勢特征，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的本質(zhì)要求，將是未來解決人口增長、資源緊缺、新生代勞動力不足、食物需求不斷上升等問題的重要手段，受到世界各國的廣泛關(guān)注。
[0003]目前，不同設(shè)施栽培條件下采用的人工光源主要為高壓鈉燈及熒光燈等，其發(fā)光原理導(dǎo)致它們的發(fā)射光譜中大量波長的光不能被植物高效吸收利用，光能利用率低，同時產(chǎn)生大量的熱，大幅增加設(shè)施內(nèi)的熱負(fù)荷，其直接-間接耗電量能夠占到總運行電量的83% (Ohyama et al.2001.Consumpt1n of electric energy and water for eggplantplug transplant product1n in a closed-type transplant product1n system.J.Soc.HighTechnol.Agr.13:1-6)，對溫度的控制、空調(diào)能耗及作物生長具有明顯的負(fù)面影響。即使使用更加節(jié)能的發(fā)光二極管(Light Emitting D1de，LED)作為光源，其能耗仍占設(shè)施運行成本的一大部分。因此，不斷提高人工光源使用效率，探索新型人工光栽培技術(shù)具有重大研宄意義。
[0004]與目前較先進(jìn)的LED光源相比，激光具有幾乎單一的波長，即使經(jīng)過長距離的傳播依然能保持其強度和波形。此外，激光中大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高。以上幾個特點對人工光栽培來講具有極為重要的意義:現(xiàn)有LED光源投射在植物冠層的光量子流密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)要想達(dá)到一個理想值(如150μπιΟ1.m_2.s—1)往往需要大量的電能輸入(200W.m_2)，且光強隨著光源-植株間距的增加呈指數(shù)下降趨勢，若激光的特點被用于植物栽培，能夠從根本上解決光強和能耗間的矛盾，顯著降低運行成本。
[0005]Tsuchiya 等(2000.Applicat1n of red laser d1de as a light source ofplant product1n.Transplant Product1n in the 21st Century.119-124)米用 680nm的激光二極管組成燈板進(jìn)行水培生菜的栽培試驗，證實了采用激光進(jìn)行生菜栽培的可能性，并通過增加藍(lán)色LED，極大地改善了所栽培生菜的形態(tài)；同年，Yamazaki等(2000.Effect of laser-d1delight on growth of Lactuca sativa L J.Soc.HighTechnol.Agr.12:93-98)的實驗再次證實了激光進(jìn)行生菜栽培的可能性。
[0006]另一方面，Tennessen等(1995.Efficiency of photosynthesis incontinuous and pulsed light emitting d1de irradiat1n.PhotosynthesisResearch.44:261-269)使用LED閃光照射番茄葉片，其結(jié)果印證了閃光時產(chǎn)生的光量子能夠被吸收并IC藏在反應(yīng)中心用于暗反應(yīng)這一理論；Vejrazka，C等(2011.Photosyntheticefficiency of Chlamydomonasreinhardtii in flashing light.B1technolB1eng.108(12):2905-13)認(rèn)為存在一個光量子儲存池，能夠在閃光時被裝滿并用于暗期；Lu 等(2014.Design and implementat1n of a dual PWM frequency converterused in beam pumping unit for energy saving.1EEE Transact1ns on IndustryApplicat1ns.50:2948-2956)采用基于占空比的PWM控制驅(qū)動方法，在不影響系統(tǒng)運行性能的情況下，極大地節(jié)約了能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中人工光源能耗大的問題，本發(fā)明旨在提供一種激光束發(fā)散后栽培植物的方法。
[0008]本發(fā)明提供了一種激光束發(fā)散后栽培植物的方法，其為將激光束發(fā)散后投射至植物冠層栽培植物的方法，所述發(fā)散選自A在空間上發(fā)散、B在空間和時間上發(fā)散、C在空間和能級上發(fā)散中的任一種。
[0009]不同植物對光量子流密度的要求不同，因此本發(fā)明激光束發(fā)散后投射到植物冠層的光量子流密度根據(jù)所栽培的植物進(jìn)行調(diào)整，滿足所栽培植物的生長需求即可(一般認(rèn)為大于等于150μηιο1.m_2.s ―1即可基本滿足植物需要)。
[0010]A在空間上發(fā)散，優(yōu)選為:
[0011]將激光束透射過圖案燈頭，分成若干光束后，以勻光板使射下的光均一，再投射至植物冠層。
[0012]所述圖案燈頭優(yōu)選彳兩天星圖案燈頭。
[0013]B在空間和時間上發(fā)散，優(yōu)選為:
[0014]BI將激光束經(jīng)一字透鏡轉(zhuǎn)換為線狀光帶后，投射到往復(fù)擺動的反射鏡上，反射后在下方形成往復(fù)掃描的光帶，投射至植物冠層；
[0015]或B2將激光束經(jīng)一字透鏡轉(zhuǎn)換為線狀光帶后，投射到旋轉(zhuǎn)的多棱鏡上，反射后在下方形成重復(fù)掃描的光帶，投射至植物冠層。
[0016]C在空間和能級上發(fā)散，優(yōu)選為:
[0017]以短波長激光束激發(fā)熒光粉涂層，形成波長長于短波長激光束的連續(xù)光譜的光區(qū)后，投射至植物冠層。
[0018]所述熒光粉涂層為稀土 -鋁酸鹽熒光粉涂層。
[0019]A、B1、B2所述激光束為植物生長所需的任一波長激光束或其組合?？蓛H選用紅光激光束，或選用紅光激光束和藍(lán)光激光束的組合，或以紅光激光束、藍(lán)光激光束為基本光，再加上別的波長的激光束的組合。最優(yōu)選為以紅光激光束、藍(lán)光激光束為基本光，再加上遠(yuǎn)紅光激光束的組合。其中，所述紅光激光束的波長優(yōu)選660nm，藍(lán)光激光束的波長優(yōu)選460nm，遠(yuǎn)紅光激光束的波長優(yōu)選730nm。
[0020]C所述短波長激光束為波長小于植物生長所需最短波長的激光束，優(yōu)選為波長小于460nm的激光束。
[0021]A的實質(zhì)為將激光束散射，在空間上進(jìn)行發(fā)散，以照射的單位面積內(nèi)的光量子流密度變小換取了單一激光束所能照射的面積變大的結(jié)果(只要投射至植物冠層的光量子流密度能滿足植物生長需求即可)。
[0022]BI和B2的實質(zhì)為將激光束轉(zhuǎn)換為線狀光帶進(jìn)行空間上的發(fā)散，再通過往復(fù)擺動反射鏡或旋轉(zhuǎn)多棱鏡的反射作用，在下方區(qū)域形成往復(fù)掃描區(qū)或重復(fù)掃描區(qū)，這樣使得單一激光束最終能照射的面積變?yōu)檎麄€掃描區(qū)，使得單一激光束照射面積變大。同時，對于掃描區(qū)內(nèi)種植的植物來說，葉綠體在掃描閃光時通過光反應(yīng)吸收的光量子能夠被貯藏在反應(yīng)中心用于暗反應(yīng)，只要掃描閃光的頻率和提供的光量子足夠滿足光反應(yīng)的需求，即投射至植物冠層的光量子流密度能滿足植物生長需求即可，掃描間隙沒有光的時間就不會對光合作用的速率起限制作用，也就不會進(jìn)而影響植物的生長速度，。
[0023]C的實質(zhì)為以高能的短波長激光束激發(fā)熒光粉涂層，激發(fā)出波長長于短波長激光束的連續(xù)光譜，實現(xiàn)激光束在能級上的發(fā)散，同時這些連續(xù)光譜形成光區(qū)，實現(xiàn)了激光束在空間上的發(fā)散，也使得單一激光束照射面積變大，只要投射至植物冠層光量子流密度和光質(zhì)滿足植物生長需求即可。
[0024]本發(fā)明提供用于A的激光束發(fā)散裝置，由激光發(fā)射器和依次設(shè)于其下方的圖案燈頭、勻光板組成。
[0025]本發(fā)明提供用于BI的激光束發(fā)散裝置，由激光發(fā)射器、一字透鏡、反射鏡和驅(qū)動反射鏡往復(fù)擺動的電機組成；將激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)一字透鏡轉(zhuǎn)換為線狀光帶后，投射到往復(fù)擺動的反射鏡上，反射后在下方形成往復(fù)掃描的光帶。
[0026]本發(fā)明提供用于B2的激光束發(fā)散裝置，由激光發(fā)射器、一字透鏡、多棱鏡和驅(qū)動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的電機組成；將激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)一字透鏡轉(zhuǎn)換為線狀光帶后，投射到旋轉(zhuǎn)的多棱鏡上，反射后在下方形成重復(fù)掃描的光帶。
[0027]本發(fā)明提供用于C的激光束發(fā)散裝置，由激光發(fā)射器、熒光粉涂層組成。將激光發(fā)射器發(fā)出的短波長激光束激發(fā)熒光粉涂層，形成波長長于短波長激光束的連續(xù)光譜的光區(qū)。
[0028]本發(fā)明還提供所述激光束發(fā)散后栽培植物的方法在植物栽培中的應(yīng)用。
[0029]本發(fā)明還提供所述用于A的激光束發(fā)散裝置在植物栽培中的應(yīng)用。
[0030]本發(fā)明還提供所述用于BI的激光束發(fā)散裝置在植物栽培中的應(yīng)用。
[0031]本發(fā)明還提供所述用于B2的激光束發(fā)散裝置在植物栽培中的應(yīng)用。
[0032]本發(fā)明還提供所述用于C的激光束發(fā)散裝置在植物栽培中的應(yīng)用。
[0033]本發(fā)明所述激光束發(fā)散后栽培植物的方法的優(yōu)點如下:
[0034]高壓鈉燈及熒光燈等，其發(fā)光原理導(dǎo)致它們的發(fā)射光譜中大量波長的光不能被植物高效吸收利用，光能利用率低，同時產(chǎn)生大量的熱，大幅增加設(shè)施內(nèi)的熱負(fù)荷；現(xiàn)有LED光源投射在植物冠層的光量子流密度要想達(dá)到一個理想值往往需要大量的電能輸入，且光強隨著光源-植株間距的增加呈指數(shù)下降趨勢。
[0035]而本發(fā)明激光束發(fā)散后栽培植物的方法則沒有上述缺陷:
[0036](I)本發(fā)明針對激光中大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高的特性，將激光束先進(jìn)行分散，之后再投射至植物冠層，利用了激光具有幾乎單一的波長，即使經(jīng)過長距離的傳播依然能保持其強度和波形的特點，達(dá)到使用少量的激光束就能確保大量植物的生長需求的目的，光能利用率高，大大降低了植物栽培過程中人工光源的能耗。
[0037](2)整個激光束發(fā)散后栽培植物的過程中，光能變?yōu)闊崮艿谋壤?，不會增加設(shè)施內(nèi)的熱負(fù)荷，無需進(jìn)行人工散熱，進(jìn)一步降低了植物栽培過程中的能耗。
【附圖說明】
[0038]圖1本發(fā)明實施例1用于A的激光束發(fā)散裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2本發(fā)明實施例1所用激光發(fā)射器的照片。
[0040]圖3本發(fā)明實施例2用于BI的激光束發(fā)散裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖4本發(fā)明實施例2所用反射鏡和驅(qū)動反射鏡往復(fù)擺動的電機的照片。