激光发射器外置式人工光系统及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及设施栽培领域，具体涉及一种激光发射器外置式人工光系统及其使用方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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，其直接-间接耗电量能够占到总运行电量的83 % (Ohyama et al.2001.Consumpt1nof electric energy and water for eggplant plug transplant product1n in aclosed-type transplant product1n system.J.Soc.HighTechnol.Agr.13:1-6)，主要是由于(I)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；(2)运行时产生大量的热，大幅增加设施内的热负荷，对温度的控制、空调能耗及作物生长具有明显的负面影响。
[0004]现有较先进的LED光源，为满足植物生长，其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 150 μ mo 1.πΓ2.s—1)，这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PPFD
呈指数下降趋势。
[0005]有别于上述常用光源，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。另外，激光发射过程中，光能变为热能散失的比例小。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: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，且对环境热负荷影响小，显著降低运行成本。
[0006]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-d1de light 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。
[0007]另一方面，Tennessen等(1995.Efficiency of photosynthesis incontinuous and pulsed light emitting d1de irradiat1n.PhotosynthesisResearch.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IC藏在反应中心用于暗反应这一理论；Vejrazka, C等(2011.Photosyntheticefficiency of Chlamydomonasreinhardtii in flashing light.B1technolB1eng.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 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】
[0008]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发射器外置式人工光系统及其使用方法。
[0009]本发明提供了一种激光发射器外置式人工光系统，主要由设置在栽培设施开有小孔的墙外的激光发射器，以及设置在栽培设施内的若干对分光棱镜和激光发散装置构成；分光棱镜沿激光发射器所发激光束的光路排列，将射至其上的激光束分出一支分支激光束射向对应的激光束发散装置，未被分光棱镜分出的激光束则继续射向下一个分光棱镜；每个激光发散装置将射至其上的分支激光束发散后照射其下方的栽培区。
[0010]所述激光发射器外置式人工光系统，还包括给激光发射器散热的散热装置。安装散热装置可延长激光发射器的使用寿命。所述散热装置可为风扇等常用散热装置。
[0011]所述栽培设施选自植物工厂、连栋温室、日光温室等植物栽培设施。
[0012]所述激光发射器，其发出的激光束为植物生长所需的任一波长激光束或其组合。
[0013]所述激光束可选用红光激光束，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。即所述激光发射器为红光激光发射器，或为红光激光发射器和蓝光激光发射器，或红光激光发射器、蓝光激光发射器和其它波长光激光发射器的组合。
[0014]激光束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，即所述激光发射器最优选为红光激光发射器、蓝光激光发射器和远红光激光发射器的组合。
[0015]其中，所述红光激光束由红光激光发射器发出，波长优选660nm ;蓝光激光束由蓝光激光发射器发出，波长优选460nm ;远红光激光束由远红光激光发射器发出，波长优选730nmo
[0016]当使用的激光发射器多于一台时，所述激光发射器外置式人工光系统还包括设置于激光发射器下游的反射棱镜，反射棱镜使所有激光发射器发出的激光并为一束后再透射过栽培设施墙上的小孔。
[0017]所述若干对分光棱镜和激光发散装置，每对都可单独拆装。
[0018]所述激光束发散装置选自下述装置中的一种或几种:
[0019]激光束发散装置A，由依次设于分光棱镜下方的图案灯头、匀光板组成；调节分光棱镜方向使分出的分支激光束垂直向下照射，分支激光束透射过图案灯头分成若干光束，以匀光板使射下的光均一，照射下方的栽培区；
[0020]激光束发散装置B，由依次设于分光棱镜一侧的一字透镜、反射镜，以及驱动反射镜往复摆动的电机组成；调节分光棱镜方向使分出的分支激光束水平照射向一字透镜转换为线状光带，投射到往复摆动的反射镜上，反射后形成往复扫描的光带投射至下方的栽培区；
[0021]激光束发散装置C，由依次设于分光棱镜一侧的一字透镜、多棱镜，以及驱动多棱镜旋转的电机组成；调节分光棱镜方向使分出的分支激光束水平照射向一字透镜转换为线状光带，投射到旋转的多棱镜上，反射后形成重复扫描的光带投射至下方的栽培区。
[0022]所述图案灯头优选彳两天星图案灯头。
[0023]不同植物对光量子流密度的要求不同，因此本发明分支激光束发散后投射到栽培区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150μηιο1.m_2.s ―1即可基本满足植物需要)。
[0024]激光束发散装置A的实质为将分支激光束散射，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分支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)。
[0025]激光束发散装置B和激光束发散装置C的实质为将分支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，这样使得单一分支激光束最终能照射的面积变为整个扫描区，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，。
[0026]本发明还提供所述激光发射器外置式人工光系统的使用方法，其为:激光发射器透过墙上的小孔向栽培设施内水平发射激光束，每个分光棱镜将射至其上的激光束分出一支分支激光束射向对应的激光束发散装置，未被分出的激光束则继续射向下一个分光棱镜；每个激光发散装置将射至其上的分支激光束发散后照射其下方的栽培区。
[0027]本发明还提供所述激光发射器外置式人工光系统在植物栽培中的应用。
[0028]本发明所述激光发射器外置式人工光系统的优点如下:
[0029]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。
[0030]而本发明激光发射器外置式人工光系统则没有上述缺陷:
[0031](I)本发明激光发射器外置式人工光系统使用的激光发射器外置外置于栽培设施夕卜，且激光变为热能散失的比例小，不会增加栽培设施内的热负荷，无需进行人工散热，大大降低了植物栽培过程中的能耗。
[0032](2)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。
【附图说明】
[0033]图1本发明实施例1激光发射器外置式人工光系统的结构示