雷射輻射源植物生長裝置的製作方法
2023-05-30 08:59:21
本實用新型涉及植物生長設備技術領域，尤其涉及一種雷射輻射源植物生長裝置。
背景技術：
光環境是植物生長發育不可缺少的重要物理環境因素之一。光通過影響光合作用、光形態建成和光周期來調節植物的生長發育，由於所處氣候帶不同或季節變化等原因，有時候農作物不可避免的生長在弱光逆境中。近年來，我國包括北京在內的華北大部分地區冬季經歷了長時間的霧霾天氣，導致的低溫寡照給越冬茬口設施蔬菜的種植帶來了嚴重的生長障礙，甚至是毀滅性的打擊，利用人工光源進行補光，幫助設施蔬菜快速、安全生長是一項必要措施。另外，隨著國家政策扶持力度的不斷加大，全國光伏溫室項目也越來越多。也需要人工光源補光技術來補充光照。近年來大量出現的光伏溫室也對作物造成較大的遮光影響。農作物長期的弱光生長會導致植株營養體不健壯、落花落果嚴重、果實發育緩慢、含糖量降低、產量下降、品質變劣等問題。當作物處在光補償點以下時，葉片淨光合產物積累量極少甚至為零，這嚴重阻礙了作物正常生長對光合產物的需求。植物生長對人工光源的要求體現在光譜性能、發光效率和使用壽命等方面。在光譜性能方面，既要求光源能保證植物光合對光質的需求，又要儘可能減少多餘的無效光譜和能耗；在發光效率方面，要求發出的光合有效輻射量與消耗功率之比達到較高水平；在其他性能方面，希望人工光源的使用年限長一些、光衰小一些，性價比高一些。
1957年，羅伯特·愛默生(R.Emerson)觀察到，在遠紅光(波長大於685nm)條件下，如補充紅光(波長650nm)，則量子產額大增，並且比這兩種波長的光單獨照射時的總和還要大。這樣兩種波長的光促進光合效率的現象叫做雙光增益效應或愛默生效應(Emerson effect)。可以認為是遠紅光幫助了短波長的光，或者是短波長的光幫助了遠紅光。
技術實現要素：
本實用新型實施例提供了一種雷射輻射源植物生長裝置，以促進植物的高效生長。
為了解決上述問題，本實用新型實施例公開了一種雷射輻射源植物生長裝置，包括保護外殼、納米導光板、納米塗層反光罩、半導體雷射器、雷射控制機構和電源；
所述納米塗層反光罩呈凹面狀，並具有一容置空間，且其上開設有多個通孔；所述半導體雷射器的數量與所述通孔的數量相同，且固定於所述通孔內，並使得所述半導體雷射器的發光端位於所述納米塗層反光罩的容置空間內；
所述納米塗層反光罩固定於所述保護外殼內，所述納米導光板固定於所述保護外殼的開口上，從而覆蓋所述保護外殼的開口；
所述雷射控制機構與所述半導體雷射器連接，用於控制半導體雷射器所發射的雷射光質、光照強度與光照時間；
所述電源與所述雷射控制機構連接，以對所述雷射控制機構供電。
可選的，所述半導體雷射器包括發射紫外光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為380nm；發射藍紫光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為405nm；發射藍光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為450nm；發射紅光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為660nm；發射遠紅光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為730nm。
可選的，所述雷射控制機構包括控制器U1、驅動器和雷射脈衝發生電路；
所述控制器U1與所述驅動器信號連接，所述驅動器與所述雷射脈衝發生電路信號連接，所述雷射脈衝發生電路與所述半導體雷射器電路連接。
可選的，所述紅光與藍光的光質配比比例為(4～10)：1；所述紅光與遠紅光的光質配比比例為(2～8)：1。
可選的，所述雷射輻射源植物生長裝置還包括光照強度傳感器，所述光照強度傳感器與所述控制器U1信號連接。
可選的，所述納米塗層反光罩和納米導光板均為方形。
可選的，所述納米導光板為外凸的弧形板。
本實用新型提供一種雷射輻射源植物生長裝置，其包括保護外殼、納米導光板、納米塗層反光罩、半導體雷射器、雷射控制機構和電源；所述納米塗層反光罩固定於所述保護外殼內，所述納米導光板固定於所述保護外殼的開口上，從而覆蓋所述保護外殼的開口；所述雷射控制機構與所述半導體雷射器連接，用於控制半導體雷射器所發射的雷射光質；所述電源與所述雷射控制機構連接，以對所述雷射控制機構供電。半導體雷射器可發射5種波長的雷射，有利於植物進行高效的光合作用；並且，半導體雷射器具有光電轉化效率高、波長設置精準、照射高效、壽命長及穩定可靠性高、便於控制等優點，其與雷射控制機構配合使用，實現發射雷射的強度和/或時間可調，以滿足不同植物在不同的生長階段對光照強度和光照時間的需求，更有利於植物的高效生長。電源用於為雷射控制機構供電，供雷射控制機構正常工作。本實用新型提供的雷射輻射源植物生長裝置設計新穎，結構簡單，經濟實用；發射的雷射強度和/或時間可調，可以滿足植物在不同的生長階段對光照強度和光照時間的需求，提高植物生長光合作用效率，促進植物高效生長，減少病蟲害發生，從而提高產量和品質，具有較高的經濟和社會價值。
附圖說明
通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本實用新型的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：
圖1為本實用新型的雷射輻射源植物生長裝置的結構示意圖；
圖2為本實用新型的雷射輻射源植物生長裝置的結構示意圖；
圖3為本實用新型的雷射控制機構的電路結構示意圖。
圖4為本實用新型的植物的光合作用吸收的太陽輻射光譜示意圖；
附圖標記說明：1-保護外殼；2-納米導光板；3-納米塗層反光罩；4-納米塗層反光罩。
具體實施方式
下文中將參考附圖並結合實施例來詳細說明本實用新型。需要說明的是，在不衝突的情況下，本實用新型中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
實施例1
請參見圖1，該圖示出了本實用新型實施例一提供的雷射輻射源植物生長裝置。該雷射輻射源植物生長裝置包括：保護外殼、納米導光板、納米塗層反光罩、半導體雷射器、雷射控制機構、電源和光照強度傳感器；
所述納米塗層反光罩呈凹面狀，並具有一容置空間，且其上開設有多個通孔；所述半導體雷射器的數量與所述通孔的數量相同，且固定於所述通孔內，並使得所述半導體雷射器的發光端位於所述納米塗層反光罩的容置空間內；而且更優選地，所述納米塗層反光罩為方形，所述納米導光板也為方形，所述納米導光板覆蓋所述納米塗層反光罩的開口，並封閉所述容置空間；此時當所述半導體雷射器發光時，其一部分雷射能直接通過納米塗層反光罩之後向外發射；而剩餘的部分通過納米塗層反光罩反射後，也通過所述納米導光板向外發射；從而利用均勻分散在納米導光板中的納米粒子的光散射效應，將雷射的點光源轉變為面光源，從而本雷射輻射源植物生長裝置的雷射可照射範圍變大，光源輸出的輻照度更均勻；所述納米塗層反光罩與所述保護外殼相連，有效提高光線全反射率和散射率，從而提高植物生長裝置的雷射光源的有效利用率，實現節能節耗。
且本實施例中，所述半導體雷射器可以設置為5種，並包括發射紫外光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為380nm；發射藍紫光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為405nm；發射藍光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為450nm；發射紅光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為660nm；發射遠紅光的半導體雷射器，其發射的雷射波長為730nm。
本實施例中，所述納米塗層反光罩和半導體雷射器均位於所述保護外殼內，即所述納米塗層反光罩固定於所述保護外殼內，所述納米導光板固定於所述保護外殼的開口處。
所述雷射控制機構與所述半導體雷射器連接，用於控制半導體雷射器所發射的雷射光質(指各種波長的雷射的配比，具體為波長為380nm的紫外光、405nm的藍紫光、450nm的藍光、660nm的紅光和730nm的遠紅光)、光照強度和光周期等；所述電源與雷射控制機構相連，用於為所述雷射控制機構供電；而且為滿足不同的應用環境，該電源設置的供電方式包括外接市政電源、普通電池、太陽能電池組件等。
進一步地，電源具有穩壓單元，用於為雷射控制機構提供穩定的低壓電源，如DC12V電源，該穩壓單元的電壓輸出端與雷射控制機構相連。進一步地，依據光合作用光反應與暗反應原理，相所述半導體雷射器所傳輸的電源可以採用由控制器U1所控制的脈衝雷射開關電源，以更進一步大大地節省能耗，而且在脈衝光條件下比連續光照射條件下的光合作用速率有極大地提高，這種結構將在下文描述。
為在合適的時候開啟所述半導體雷射器，本實施例中，所述雷射輻射源植物生長裝置還包括光照強度傳感器，而且所述光照強度傳感器與所述雷射控制機構連接，以將其檢測的植物生長環境光照度參數發送給所述雷射控制機構，所述雷射控制機構根據所述植物生長環境光照度參數，結合設定的資料庫信息控制半導體雷射器的開閉，即判斷當前環境是否需要開啟半導體雷射器進行人工補光，以及控制所述半導體雷射器的有功功率，例如當通過PWM對所述半導體雷射器進行控制室，可以改變所述PWM的佔空比。
本實施例中，所述雷射控制機構包括控制器U1、驅動器和雷射脈衝發生電路；
所述控制器U1為ATXMEGA32A4-AU控制器，所述控制器U1包括44個管腳，其第8管腳接地；第9管腳連接+3.3V電源；第18管腳接地；第19管腳連接+3.3V電源；第38管腳接地；第39管腳連接+3.3V電源；其第30管腳接地，第31管腳連接+3.3V電源。
所述驅動器為IXDN604晶片，所述控制器U1的第11管腳通過電阻R4連接於所述IXDN604晶片的INB管腳；且電阻R6的一端接地，另一端也連接於所述IXDN604晶片的INB管腳；所述IXDN604晶片的GND管腳接地，其VCC管腳通過電阻R3連接於所述+12V直流電源(VCC電源)；電容C3的一端接地，另一端連接於所述IXDN604晶片的VCC管腳，以對所述VCC端進行穩壓；通過上述連接，當所述控制器U1通過其第11管腳(PC1管腳)輸出開關信號時，可以通過所述IXDN604晶片的OUTB管腳輸出大功率的開關電流信號。
所述驅動器與所述雷射脈衝發生電路連接，從而在所述驅動器的驅動下，產生雷射脈衝；具體地，所述雷射脈衝發生電路包括場效應管Q1、二極體D1以及半導體雷射器D2；所述驅動器(IXDN604晶片)的OUTB管腳通過電阻R5連接於所述場效應管Q1的G端；所述場效應管Q1的D端通過電阻R2連接於+200V的電源；所述場效應管的S端接地；同時所述電容C1和C2的一端分別接地；另一端連接在一起，並連接於+200V電源；以使得電容C1和C2形成高壓輸入電源的濾波電容；所述二極體D1的負極接地，所述半導體雷射器D2的正極通過電阻R7接地；所述二極體D1的正極與所述半導體雷射器D2的負極連接，並連接於電容C4的一端，所述電容C4的另一端連接於所述場效應管Q1的D端。
本實施例中，其中電阻R2為充電限流電阻，電阻R7為脈衝電流限流電阻，電容C4為儲能電容，+200V電源為輸入高壓偏置，二極體D1為鉗位二極體，D2為半導體雷射器，場效應管Q1為控制開關。當場效應管Q1斷開時，+200V高壓偏置通過電阻R2向儲能電容C4充電，電容C4兩端的電壓隨即升高，充電完成後，儲能電容兩端的電壓UC即與高壓偏置電壓+200V相等，當場效應管Q1閉合後儲能電容C4通過場效應管Q1、放電限流電阻R7以及半導體雷射器D2所組成的迴路瞬時放電，加在半導體雷射器D2兩端的電壓為-200V。
與普通燈光源和LED光源相比，半導體雷射器(LD)作為植物栽培用光源具有更精準、高效、低耗、節本、針對性強等特點，具體為：
光源更小型輕便；低電壓驅動，驅動電源更小巧；熱輻射極小，可接近植物照射；可進行短脈衝照射，可降低所需功率；劣化少，使用壽命長，可達50000小時；只要散熱器即可，冷卻裝置小；雷射光質具有高效光激勵性能，更節能節耗；可針對不同植物、不同生長階段及不同栽培環境任選適宜的波長和光質配比，本實施例中半導體雷射器發射的雷射精準設定為380nm的紫外光、405nm的藍紫光、450nm的藍光、660nm的紅光和730nm的遠紅光的光配比組合，對植物光合作用沒有多餘不必要的波長；電能轉化為光能的轉換效率高達50％以上。
上述半導體雷射器中，所述發射的雷射紅光與藍光的光質(R/B)配比比例(紅光與藍光的光質配比比例)為(4～10)：1；所述發射的雷射紅光與遠紅光的光質(R/FR)配比比例為(2～8)：1；405nm的藍紫光LD為1～2個；380nm的紫外光LD為1～2個。
上述半導體雷射器的雷射光源配置和波長選擇主要是基於對植物光合作用基本原理的研究。植物的光合作用吸收的太陽輻射光譜如圖4所示，綠色植物光合作用有效光譜範圍是380nm-730nm，植物的光合作用主要吸收的是紅光和藍光，此外，還有小部分的紫外線和紅外線。
結合圖4可以看出，植物的光合作用發生在葉綠體內，葉綠體是綠色植物細胞內進行光合作用的結構。植物的葉綠體內主要含有葉綠素(葉綠素a和葉綠素b)、β-類胡蘿蔔素(胡蘿蔔素和葉黃素)，光敏素(Pfr，Pr)。葉綠素a、葉綠素b和β-類胡蘿蔔素主要吸收的波譜峰值為450nm的藍光和660nm的紅光，光敏素吸收峰值是380nm、660nm和730nm。光敏色素調節多種不同植物對光的反應，包括光周期，種子萌發、展葉、下胚軸伸長和脫黃化。因此，本實用新型選擇對植物的生長發育起著關鍵性的作用的光配比組合，即380nm的紫外光、405nm的藍紫光、450nm的藍光、660nm的紅光和730nm的遠紅光。此外，本實施例中選擇的380nm的紫外光和405nm的藍紫光能促進植物花青素的形成，並對某些蟲害還能起到一定的防治作用。
有研究證實光合作用可以分為兩個步驟，一個是必須在光下才能進行的、由光所引起的光反應。它又可以分為原初反應,以及電子傳遞和光合磷酸化兩個階段；另一個則是不需要光的一般化學反應(也可以在光下進行)，它是把二氧化碳固定和還原成為有機物的反應，即暗反應。
德國的瓦伯格(O.Warburg)用藻類進行閃光試驗，在光能量相同的前提下，一種用連續照光，另一種用閃光照射，中間隔一定暗期，(每次閃光0.0034S，間歇0.0166S，每秒50次)，發現後者光合效率是連續光下的200％～400％。這些實驗表明了光合作用可以分為需光的光反應(light reaction)和不需光的暗反應(dark reaction)兩個階段。
Kozai等使用LED脈衝光對萵苣的生長以及光合成反應的影響進行研究，結果表明，在周期為100μs以下的脈衝光條件下，萵苣生長比連續光照射條件下的促進效果提高了20％，從而證實了採用不同頻率脈衝光照射萵苣可以加速其生長的設想。Tanaka等通過對LED植物栽培的實用化研究，探討了脈衝光照射周期與佔空比對植物生長的影響，結果表明，佔空比達25％～50％時，可加速植物生長。
因此，本實施例中半導體雷射器所傳輸的電源採用由控制器U1所控制的脈衝雷射開關電源，不僅可極大地節省能耗，而且在脈衝光條件下比連續光照射條件下的光合作用速率能有極大地提高，更利於促進植物高效生長。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和範圍。