激光束发散后栽培植物的方法.pdf

本发明涉及设施栽培领域，具体提供了一种激光束发散后栽培植物的方法，为将激光束发散后投射至植物冠层栽培植物的方法，所述发散选自在空间上发散、在空间和时间上发散、在空间和能级上发散中的任一种。使用本发明的激光束发散后栽培植物的方法，针对激光中大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度极高的特性，将激光束先分散，之后再投射至植物冠层，利用了激光具有几乎单一的波长，即使经过长距离的传播依然能保持其强度和波形的特点，达到使用少量的激光束就能确保大量植物的生长需求的目的，光能利用率高，且栽培过程中光能转化为热能的比例小，只需进行简单散热，大大降低了植物栽培过程中的能耗。

权利要求书
1.  一种激光束发散后栽培植物的方法，其特征在于，为将激光束发散后投射至植物冠层栽培植物的方法，所述发散选自A在空间上发散、B在空间和时间上发散、C在空间和能级上发散中的任一种。

2.  如权利要求1所述的激光束发散后栽培植物的方法，其特征在于，所述A在空间上发散，为：
将激光束透射过图案灯头，分成若干光束后，以匀光板使射下的光均一，再投射至植物冠层。

3.  如权利要求1所述的激光束发散后栽培植物的方法，其特征在于，B在空间和时间上发散，为：
将激光束经一字透镜转换为线状光带后，投射到往复摆动的反射镜上，反射后在下方形成往复扫描的光带，投射至植物冠层。

4.  如权利要求1所述的激光束发散后栽培植物的方法，其特征在于，B在空间和时间上发散，为：
将激光束经一字透镜转换为线状光带后，投射到旋转的多棱镜上，反射后在下方形成重复扫描的光带，投射至植物冠层。

5.  如权利要求1所述的激光束发散后栽培植物的方法，其特征在于，所述C在空间和能级上发散，为：
以短波长激光束激发荧光粉涂层，形成波长长于短波长激光束的连续光谱的光区后，投射至植物冠层。

6.  用于权利要求2所述方法的激光束发散装置，其特征在于，由激光发射器和依次设于其下方的图案灯头、匀光板组成。

7.  用于权利要求3所述方法的激光束发散装置，其特征在于，由激光发射器、一字透镜、反射镜和驱动反射镜往复摆动的电机组成；将激光发射器发出的激光束经一字透镜转换为线状光带后，投射到往复摆动的反射镜上，反射后在下方形成往复扫描的光带。

8.  用于权利要求4所述方法的激光束发散装置，其特征在于， 由激光发射器、一字透镜、多棱镜和驱动多棱镜旋转的电机组成；将激光发射器发出的激光束经一字透镜转换为线状光带后，投射到旋转的多棱镜上，反射后在下方形成重复扫描的光带。

9.  用于权利要求5所述方法的激光束发散装置，其特征在于，
由激光发射器、荧光粉涂层组成。将激光发射器发出的短波长激光束激发荧光粉涂层，形成波长长于短波长激光束的连续光谱的光区。

10.  权利要求1-5任一项所述激光束发散后栽培植物的方法在植物栽培中的应用。

说明书激光束发散后栽培植物的方法
技术领域
本发明涉及设施栽培领域，具体涉及一种激光束发散后栽培植物的方法。
背景技术
随着我国设施农业的发展，人工光被越来越广泛地应用在蔬菜等作物的大规模栽培中，其环境因子可控，土地利用率高，可按计划生产等优势特征，符合现代农业发展的本质要求，将是未来解决人口增长、资源紧缺、新生代劳动力不足、食物需求不断上升等问题的重要手段，受到世界各国的广泛关注。
目前，不同设施栽培条件下采用的人工光源主要为高压钠灯及荧光灯等，其发光原理导致它们的发射光谱中大量波长的光不能被植物高效吸收利用，光能利用率低，同时产生大量的热，大幅增加设施内的热负荷，其直接-间接耗电量能够占到总运行电量的83％(Ohyama et al.2001.Consumption of electric energy and water for eggplant plug transplant production in a closed-type transplant production system.J.Soc.HighTechnol.Agr.13:1-6)，对温度的控制、空调能耗及作物生长具有明显的负面影响。即使使用更加节能的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为光源，其能耗仍占设施运行成本的一大部分。因此，不断提高人工光源使用效率，探索新型人工光栽培技术具有重大研究意义。
与目前较先进的LED光源相比，激光具有几乎单一的波长，即使经过长距离的传播依然能保持其强度和波形。此外，激光中大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度极高。以上几个特点对人工光栽培来讲具有极为重要的意义：现有LED光源投射在植物 冠层的光量子流密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)要想达到一个理想值(如150μmol﹒m-2﹒s-1)往往需要大量的电能输入(200W﹒m-2)，且光强随着光源-植株间距的增加呈指数下降趋势，若激光的特点被用于植物栽培，能够从根本上解决光强和能耗间的矛盾，显著降低运行成本。
Tsuchiya等(2000.Application of red laser diode as a light source of plant production.Transplant Production in the 21st Century.119-124)采用680nm的激光二极管组成灯板进行水培生菜的栽培试验，证实了采用激光进行生菜栽培的可能性，并通过增加蓝色LED，极大地改善了所栽培生菜的形态；同年，Yamazaki等(2000.Effect of laser-diodelight on growth of Lactuca sativa L.J.Soc.HighTechnol.Agr.12:93-98)的实验再次证实了激光进行生菜栽培的可能性。
另一方面，Tennessen等(1995.Efficiency of photosynthesis in continuous and pulsed light emitting diode irradiation.Photosynthesis Research.44:261-269)使用LED闪光照射番茄叶片，其结果印证了闪光时产生的光量子能够被吸收并贮藏在反应中心用于暗反应这一理论；Vejrazka,C等(2011.Photosynthetic efficiency of Chlamydomonasreinhardtii in flashing light.BiotechnolBioeng.108(12):2905-13)认为存在一个光量子储存池，能够在闪光时被装满并用于暗期；Lu等(2014.Design and implementation of a dual PWM frequency converter used in beam pumping unit for energy saving.IEEE Transactions on Industry Applications.50:2948-2956)采用基于占空比的PWM控制驱动方法，在不影响系统运行性能的情况下，极大地节约了能量。
发明内容
针对现有技术中人工光源能耗大的问题，本发明旨在提供一种激光束发散后栽培植物的方法。
本发明提供了一种激光束发散后栽培植物的方法，其为将激光束发散后投射至植物冠层栽培植物的方法，所述发散选自A在空间上发散、B在空间和时间上发散、C在空间和能级上发散中的任一种。
不同植物对光量子流密度的要求不同，因此本发明激光束发散后投射到植物冠层的光量子流密度根据所栽培的植物进行调整，满足所栽培植物的生长需求即可(一般认为大于等于150μmol﹒m-2﹒s-1即可基本满足植物需要)。
A在空间上发散，优选为：
将激光束透射过图案灯头，分成若干光束后，以匀光板使射下的光均一，再投射至植物冠层。
所述图案灯头优选满天星图案灯头。
B在空间和时间上发散，优选为：
B1将激光束经一字透镜转换为线状光带后，投射到往复摆动的反射镜上，反射后在下方形成往复扫描的光带，投射至植物冠层；
或B2将激光束经一字透镜转换为线状光带后，投射到旋转的多棱镜上，反射后在下方形成重复扫描的光带，投射至植物冠层。
C在空间和能级上发散，优选为：
以短波长激光束激发荧光粉涂层，形成波长长于短波长激光束的连续光谱的光区后，投射至植物冠层。
所述荧光粉涂层为稀土-铝酸盐荧光粉涂层。
A、B1、B2所述激光束为植物生长所需的任一波长激光束或其组合。可仅选用红光激光束，或选用红光激光束和蓝光激光束的组合，或以红光激光束、蓝光激光束为基本光，再加上别的波长的激光束的组合。最优选为以红光激光束、蓝光激光束为基本光，再加上远红光激光束的组合。其中，所述红光激光束的波长优选660nm，蓝光激光束的波长优选460nm，远红光激光束的波长优选730nm。
C所述短波长激光束为波长小于植物生长所需最短波长的激光 束，优选为波长小于460nm的激光束。
A的实质为将激光束散射，在空间上进行发散，以照射的单位面积内的光量子流密度变小换取了单一激光束所能照射的面积变大的结果(只要投射至植物冠层的光量子流密度能满足植物生长需求即可)。
B1和B2的实质为将激光束转换为线状光带进行空间上的发散，再通过往复摆动反射镜或旋转多棱镜的反射作用，在下方区域形成往复扫描区或重复扫描区，这样使得单一激光束最终能照射的面积变为整个扫描区，使得单一激光束照射面积变大。同时，对于扫描区内种植的植物来说，叶绿体在扫描闪光时通过光反应吸收的光量子能够被贮藏在反应中心用于暗反应，只要扫描闪光的频率和提供的光量子足够满足光反应的需求，即投射至植物冠层的光量子流密度能满足植物生长需求即可，扫描间隙没有光的时间就不会对光合作用的速率起限制作用，也就不会进而影响植物的生长速度，。
C的实质为以高能的短波长激光束激发荧光粉涂层，激发出波长长于短波长激光束的连续光谱，实现激光束在能级上的发散，同时这些连续光谱形成光区，实现了激光束在空间上的发散，也使得单一激光束照射面积变大，只要投射至植物冠层光量子流密度和光质满足植物生长需求即可。
本发明提供用于A的激光束发散装置，由激光发射器和依次设于其下方的图案灯头、匀光板组成。
本发明提供用于B1的激光束发散装置，由激光发射器、一字透镜、反射镜和驱动反射镜往复摆动的电机组成；将激光发射器发出的激光束经一字透镜转换为线状光带后，投射到往复摆动的反射镜上，反射后在下方形成往复扫描的光带。
本发明提供用于B2的激光束发散装置，由激光发射器、一字透镜、多棱镜和驱动多棱镜旋转的电机组成；将激光发射器发出的激光 束经一字透镜转换为线状光带后，投射到旋转的多棱镜上，反射后在下方形成重复扫描的光带。
本发明提供用于C的激光束发散装置，由激光发射器、荧光粉涂层组成。将激光发射器发出的短波长激光束激发荧光粉涂层，形成波长长于短波长激光束的连续光谱的光区。
本发明还提供所述激光束发散后栽培植物的方法在植物栽培中的应用。
本发明还提供所述用于A的激光束发散装置在植物栽培中的应用。
本发明还提供所述用于B1的激光束发散装置在植物栽培中的应用。
本发明还提供所述用于B2的激光束发散装置在植物栽培中的应用。
本发明还提供所述用于C的激光束发散装置在植物栽培中的应用。
本发明所述激光束发散后栽培植物的方法的优点如下：
高压钠灯及荧光灯等，其发光原理导致它们的发射光谱中大量波长的光不能被植物高效吸收利用，光能利用率低，同时产生大量的热，大幅增加设施内的热负荷；现有LED光源投射在植物冠层的光量子流密度要想达到一个理想值往往需要大量的电能输入，且光强随着光源-植株间距的增加呈指数下降趋势。
而本发明激光束发散后栽培植物的方法则没有上述缺陷：
(1)本发明针对激光中大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度极高的特性，将激光束先进行分散，之后再投射至植物冠层，利用了激光具有几乎单一的波长，即使经过长距离的传播依然能保持其强度和波形的特点，达到使用少量的激光束就能确保大量植物的生长需求的目的，光能利用率高，大大降低了植物栽培过程中 人工光源的能耗。
(2)整个激光束发散后栽培植物的过程中，光能变为热能的比例小，不会增加设施内的热负荷，无需进行人工散热，进一步降低了植物栽培过程中的能耗。
附图说明
图1本发明实施例1用于A的激光束发散装置的结构示意图。
图2本发明实施例1所用激光发射器的照片。
图3本发明实施例2用于B1的激光束发散装置的结构示意图。
图4本发明实施例2所用反射镜和驱动反射镜往复摆动的电机的照片。
图5本发明实施例2使用红光激光器和蓝光激光器，没有开动电机时投射至栽培板的光带照片。
图6本发明实施例2使用光源配置c栽培的生菜照片。
图7本发明实施例3用于B2的激光束发散装置的结构示意图。
图8本发明实施例4用于C的激光束发散装置的结构示意图。
其中，1为激光发射器，2为图案灯头，3为一字透镜，4为反射镜，5为电机，6为多棱镜，7为荧光粉涂层，8为匀光板。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1用于A的激光束发散装置及使用该装置的植物栽培方法
用于A的激光束发散装置，其结构如图1所示，由激光发射器1、设于其下方的图案灯头2、匀光板8组成。
激光发射器1可根据所用激光的种类设置若干台(N种激光就用N台)。本实施例所用激光发射器1为两台，一台红光(660nm)激光发射器和一台蓝光(460nm)激光发射器，其照片见图2，其中照片左侧为蓝光激光发射器，规格为500MW，右侧为红光激光发射器， 规格为500MW。这两台激光发射器分别发出的蓝光激光束和红光激光束在图案灯头处聚合。
本实施例所用图案灯头为市购的满天星激光图案灯头，所用匀光板为市购的PC匀光板，激光束经该图案灯头2、匀光板8后射出的图案为矩形。
在完全黑暗的条件下，在该激光束发散装置下方设置70cm×70cm水培栽培板，并调整离激光束发散装置的距离，使得整个栽培板覆盖在射出的正方形光区内，且栽培板上任一点的光量子流密度达到200μmol﹒m-2﹒s-1。在栽培板上种植生菜，每天以发散后的激光束照射16小时，其它种植方式同一般水培。
经20天的种植观察，在该环境下生菜能正常生长，证明可利用本实施例的人工光源进行植物栽培。
20天的栽培工程中，整个系统没有进行人工散热，进行光照所耗的电能为2W，远低于使用LED灯种植同样面积生菜的能耗57W。
实施例2用于B1的激光束发散装置及使用该装置的植物栽培方法
用于B1的激光束发散装置，其结构示意图见图3，由激光发射器1、一字透镜3、反射镜4和驱动反射镜往复摆动的电机5组成；将激光发射器1发出的激光束经一字透镜3转换为线状光带后，投射到往复摆动的反射镜4上，反射后在下方形成往复扫描的光带。
本实施例所用反射镜4和驱动反射镜往复摆动的电机5的照片见图4。
本实施例使用了3种激光束光源配置(3种激光发射器配置)：
a红光激光束(一台红光激光发射器)
b红光激光束和蓝光激光束的组合(一台红光激光发射器和一台蓝光激光发射器)
c红光激光束、蓝光激光束为基本光，再加上远红光激光束的组合(一台红光激光发射器、一台蓝光激光发射器和一台远红光激光发 射器)。
其中，所述红光的波长为660nm，所用红光激光发射器的规格为500MW；蓝光的波长为460nm，所用蓝光激光发射器的规格为500MW；远红光的波长为730nm，所用远红光激光发射器的规格为50MW。
激光发射器1发出的激光束打到一字透镜3转换为线状光带后，投射到反射镜4上，再投射至下方70cm×70cm水培栽培板上，得到光带(使用配制b时的照片见图5)。调整激光发射器输出功率，使得激光束光源配置a得到的光带上任一点的光量子流密度，为1000μmol﹒m-2﹒s-1，激光束光源配置b得到的光带上的任一点则达到2000μmol﹒m-2﹒s-1，激光束光源配置c达到了2100μmol﹒m-2﹒s-1，而一般认为达到150μmol﹒m-2﹒s-1即可基本满足植物需要。开动电机5驱动反射镜4往复摆动，使得投射至栽培板上的光带往复扫描，以此作为人工光源栽培植物。
在完全黑暗的条件下，在本实施例的激光束发散装置下方设置水培栽培板种植生菜，每天以发散后的激光束光照16小时，其它种植方式同一般水培。
经20天的种植观察，激光束光源配置c种植的生菜的形态建设效果最佳(图6为该光谱配置下种植的生菜的照片)，其次为激光束光源配置b。激光束光源配置a、b、c的生菜经20天的观察均能生长，这证实了本实施例的激光束发散装置可用于植物栽培。
20天的栽培工程中，整个系统没有进行人工散热，使用光源配置a整个系统所耗的电能为3W，使用光源配置b整个系统所耗的电能为4.7W，使用光源配置c整个系统所耗的电能为5.5W，远低于使用LED灯种植同样面积生菜的能耗57W。
实施例3用于B2的激光束发散装置及使用该装置的植物栽培方法
用于B2的激光束发散装置，其结构示意图见图7，由激光发射 器1、一字透镜3、多棱镜6和驱动多棱镜旋转的电机5组成；将激光发射器1发出的激光束经一字透镜3转换为线状光带后，投射到旋转的多棱镜6上，反射后在下方形成重复扫描的光带。
本实施例所用多棱镜为六棱镜，它和其它能达到同样扫描效果的多棱镜可相互替换。
参照实施例2进行3种激光束光源配置，检测产生的光带设置栽培板位置，其要求同样参照实施例2。进行生菜水培实验，经20天的种植观察，激光束光源配置c种植的生菜的形态建设效果最佳，其次为激光束光源配置b。激光束光源配置a、b、c的生菜经20天的观察均能生长，这证实了本实施例的激光束发散装置可用于植物栽培。
20天的栽培工程中，整个系统没有进行人工散热，使用光源配置a整个系统所耗的电能为3W，使用光源配置b整个系统所耗的电能为4.7W，使用光源配置c整个系统所耗的电能为5.5W，远低于使用LED灯种植同样面积生菜的能耗57W。
实施例4用于C的激光束发散装置及使用该装置的植物栽培方法
用于C的激光束发散装置，其结构示意图见图8，由激光发射器1、荧光粉涂层7组成。将激光发射器1发出的短波长激光束激发荧光粉涂层7，形成波长长于短波长激光束的连续光谱的光区，该光区覆盖70cm×70cm的栽培板，且调整栽培板高度使其上任一点的光量子流密度达到300μmol﹒m-2﹒s-1。
在完全黑暗的条件下，在本实施例的激光束发散装置下方设置水培栽培板种植生菜，每天以发散后的激光束光照16小时，其它种植方式同一般水培。
经20天的种植观察生菜能正常生长，这证实了本实施例的激光束发散装置可用于植物栽培。
20天的栽培工程中，整个系统没有进行人工散热，进行光照所耗的电能为3W，远低于使用LED灯种植同样面积生菜的能耗57W。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。