光环境模拟实验舱的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种光环境模拟实验舱，可在近紫外、可见光及近红外范围内模拟连续可调波长的瓦级单色光输出，且光强可达到现实光环境中对应波长的光强。本实用新型可提供稳定、精准的生物培养条件，并采用数字化控制系统，根据舱内监测结果实时反馈调节，实现波长、带宽、强度等参数的精确控制。本实用新型为光污染生物学效应和机理研究提供了理想平台。本实用新型由激光泵浦宽带光源、大功率氙灯光源、单色器、光路传输系统、舱体、实验台、温湿度控制系统、中央分析控制系统组成。
【专利说明】光环境模拟实验舱
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种光环境模拟实验舱，可在近紫外、可见光及近红外范围内模拟瓦级单色光，是实现光环境生物学效应研究的实验箱。
【背景技术】
[0002]随着城市化、电气化的发展，人造光源的广泛使用对人类健康和生态安全产生了长期、隐性的负面影响。探究各类光环境的生物学效应和机理，并对危险作出响应和干预，需针对不同波长的单色光进行光污染生物学效应研究。目前现有的光学系统主要有以下两类:(1)可在较大光谱范围内生成单色光，但光源的功率小、光能量输出弱，主要为光学分析仪器；(2)光源功率大且在较大光谱范围内可产生连续光谱，但未配备相应分光系统，无法生成单色光。这些现有技术都无法满足宽光谱单色光环境模拟的需求，这已成为限制光环境生物学效应研究的重要因素。
【发明内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种光环境模拟实验舱，能够在近紫外、可见光及近红外范围内实现不同波长和带宽的瓦级功率单色光模拟，并且光谱范围广、输出功率大。
[0004]为解决上述技术问题，本实用新型光环境模拟实验舱的技术方案是，舱体内包括:激光泵浦宽带光源、大功率氙灯光源、单色器、光路传输系统、实验台、温湿度控制系统、中央分析控制系统，所述激光泵浦宽带光源提供大功率紫外光、补充可见光，所述大功率氙灯光源提供大功率初始可见光和近红外光，发自所述激光泵浦宽带光源和所述大功率氙灯光源的光分别经过所述单色器和光路传输系统处理后，照射到所述试验台上，所述中央分析控制系统采集其它各部分的数据进行处理，并控制各部分的工作。
[0005]本实用新型通过采用上述技术方案，达到了以下有益效果:
[0006]1.在近紫外、可见光、近红外的宽光谱范围内，实现连续可调波长的瓦级单色光输出。
[0007]2.通过良好的温湿度控制，可满足不同实验对象的基本生存条件，是适用于生物学效应研究的单色光环境模拟系统。在生物科学、环境科学、医学、农学、工业测试和教育等领域能推广运用，有一定的现实意义和应用价值。
[0008]3.舱体能有效避光、隔热、防潮、防止二次污染，保证操作人员的安全。
[0009]4.本实用新型能实现实验条件的标准化，保证实验的时间重复性、空间重复性。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明:
[0011]图1是本实用新型的主体三维构造图；
[0012]图2是本实用新型的瓦级单色光模拟部分的光路图。[0013]图中附图标记为，1.激光泵浦宽带光源，2.大功率氙灯光源，3.单色器，4.光路传输系统，5.舱体，6.实验台，7.温湿度控制系统，8.中央分析控制系统。
【具体实施方式】
[0014]本实用新型主要结构为方形箱体，由激光泵浦宽带光源、大功率氙灯光源、单色器、光路传输系统、舱体、实验台、温湿度控制系统、中央分析控制系统组成。实验舱壳体采用杂散光屏蔽板，内部采用50_厚保温棉保温；墙面采用1.5_厚镀锌钢板，地面采用
1.5mm厚钢板；内房外层支撑框架采用75*75*4mm角钢，内部龙骨采用50*50*1.5mm镀锌管；室内采用全钢活动地板，地面防潮绝缘板为3_厚PVC板；舱体设置通风消音管。激光泵浦宽带光源、千瓦级氙灯和单色器设置在舱体上方，由于光源功率较大，需严格控制光源的温度，采用风冷和水冷的方式控制光源温度，确保大功率光源长时间稳定运行。单色器采用光栅分光系统，光栅分光系统具有宽的光谱测量范围和高的分辨率，且结构、装调要求较低，是目前综合性能较突出、应用最广泛的系统。为降低能量损失，采用非球面镜准直，消除色散，提高通光效率；并采用大面积、高密度光栅分光，获得目标波长和带宽的同时增加单色光透过率。由舱体上方光源产生的初始光经椭球反射镜收集聚焦后通过单色器的入射狭缝，经过准直、光栅分光、会聚后通过出射狭缝，形成具有一定发射角的单色光辐照到实验台。光路传输系统能对传输过程中的单色光实现强度、辐照范围、辐照方向、发散角度、偏振性的调节，营造复杂的现实光环境。实验台位于舱体中央，提供生物样品辐照平台。温湿度控制系统分布在舱体内外，采用以空气为输送介质的风管式家用小型中央空调系统为主体来调节温度，主要由室外机、室内机和室内管道系统组成，能有效控制温度范围为1°C?50°C (± 1.0°C)、湿度范围20%?80% RH ( ±3.0% )，提供稳定、精准的温、湿度条件，满足生物培养需求。中央分析控制系统在舱体外部，可实现对光源、单色器、实验台的总控制，同时可根据光谱仪、功率计的监测数据，对整个系统进行实时反馈并动态调节。
[0015]如图1和图2所示，本实用新型由激光泵浦宽带光源1、大功率氙灯光源2、单色器
3、光路传输系统4、舱体5、实验台6、温湿度控制系统7、中央分析控制系统8组成。
[0016]激光泵浦宽带光源I和千瓦级氙灯光源2是常用的宽光谱大功率光源，采用激光泵浦宽带光源I提供大功率紫外光、补充可见光，采用大功率氙灯光源2提供大功率初始可见光和近红外光，两者结合可提升200-1100nm光源功率。由于光源功率较大,使用主动式温控系统控制温度，激光泵浦宽带光源I采用水冷结合风冷的方式散热，千万级氙灯光源2采用风冷方式散热。
[0017]单色器3的透过率是直接影响单色光输出功率的关键因素，本实用新型采用光栅分光系统。降低能量损失通过采用非球面镜准直，消除色散，提高通光效率；并采用大面积、高密度光栅分光，获得目标波长和带宽的同时增加单色光透过率。收光效率是影响单色光输出功率的关键，目前许多商用收光装置基于透镜和背反射球面镜结构，收光效率为广2个立体角。本实用新型采用椭球反射镜将光源发出的光聚焦在单色器3的入射狭缝，能收集8个立体角内的宽带光，大幅度提升注入单色器3的光功率。因此，本实用新型通过优化光源功率、单色器透过率、收光效率三方面大幅度提升单色光输出功率。
[0018]光路传输系统4实现单色光在传输过程中的强度、辐照范围、辐照方向、发散角度、偏振性的调节。生物的生活环境比较复杂，不同环境中光的入射方向不同，生物体需要的辐照面积不同，另外某些生物对偏振光十分敏感，如昆虫可利用偏振光来指示方向，因此单色光辐照的各项参数均需调节。本实用新型的光路传输系统4对单色光的辐照方向、辐照面积、偏振的分光进行调节，通过改变和移动扩束镜控制辐照区域面积和发散角；通过控制光源功率和旋转连续可调衰减器控制入射光束能量；通过在单色器3出光口引入偏振分光镜控制光束偏振态；通过调节反射镜的角度和位置来改变单色光束传输路径和辐照角度，使单色光实现直射和不同角度的斜射。
[0019]舱体5为独立小型建筑空间，采用杂散光屏蔽板，内部采用50mm厚保温棉保温；墙面采用1.5mm厚镀锌钢板，地面采用1.5mm厚钢板；内房外层支撑框架采用75*75*4mm角钢，内部龙骨采用50*50*1.5mm镀锌管；室内采用全钢活动地板，地面防潮绝缘板为3mm厚PVC板；舱体5设置通风消音管。
[0020]实验台6位于舱体5中央，为方便样品放置以及实验台6的调整，由轻质泡沫板制成，主要用于放置实验样品。由舱体5上方光源(激光泵浦宽带光源1、千瓦级氙灯光源2)产生的初始光经椭球反射镜收集聚焦后通过单色器3的入射狭缝，经过准直、光栅分光、会聚后通过出射狭缝，经过光路传输系统4修正后辐照到实验台6。
[0021]温湿度控制系统7采用以空气为输送介质的风管式家用小型中央空调系统为主体来调节温度，主要由室外机、室内机和室内管道系统组成。温湿度控制系统7能有效控制温度范围为1°C?50°C (±1.0°C)、湿度范围20%?80% RH (±3.0%)，提供稳定、精准的温、湿度条件，满足生物培养需求。采用绝热层多次发泡工艺和新型冷凝分离器达到制冷、制热效果，提高机器效率和稳定性。舱体5内管道系统主要包括送风系统、回风系统和新风系统。舱体5内采用室内机暗藏侧送、下送的空调方式，被冷却(加热)的室内空气通过设置于顶棚内的室内机送至各区域。舱体5内回风采用上送下回、侧送侧回的方式，经单层百叶风口回至回风箱，再经室内机处理后送出形成循环。空调出风口采用铝合金双层百叶，回风口采用铝合金单层可开百叶(带网)。湿度调节由舱内管道系统实现，根据置于舱体5内和回风管道内的湿度探头，调节加湿/吸湿器的启动与功率。
[0022]中央分析控制系统8实现对光源(激光泵浦宽带光源1、千瓦级氙灯光源2)、单色器3、光路传输系统4、实验台6、温湿度控制系统7的总控制。中央分析控制系统8对实验舱的所有功能实现软件调节。光源(激光泵浦宽带光源1、千瓦级氙灯光源2)关键部位加装温度探头，与中央控制系统8相连，设定预警温度和紧急关闭温度，保证光源温度不超出安全范围；并可根据输出光谱和功率的监测，对光源(激光泵浦宽带光源1、千瓦级氙灯光源2)和单色器3实时反馈动态调节。
[0023]本实用新型主要通过构建单色光环境实验舱，准确模拟近紫外、可见光及近红外范围内的单色光，且可达到现实光环境中对应波长的光强。本实验舱可提供稳定、精准的生物培养条件，并采用数字化控制系统，可根据舱内监测结果进行实时反馈调节，实现波长、带宽、强度等参数的精确控制。本实用新型可广泛应用于环境科学、生命科学、医学、农学、工业等领域的科学研究，具有十分重要的应用价值。
【权利要求】
1.一种光环境模拟实验舱，其特征在于，舱体(5)内包括:激光泵浦宽带光源(I)、大功率氙灯光源(2)、单色器(3)、光路传输系统(4)、实验台(6)、温湿度控制系统(7)、中央分析控制系统(8)，所述激光泵浦宽带光源(I)提供大功率紫外光、补充可见光，所述大功率氙灯光源(2)提供大功率初始可见光和近红外光，发自所述激光泵浦宽带光源和所述大功率氙灯光源的光分别经过所述单色器和光路传输系统处理后，照射到所述试验台上，所述中央分析控制系统采集其它各部分的数据进行处理，并控制各部分的工作。
2.根据权利要求1所述的光环境模拟实验舱，其特征是:采用椭球反射镜将光源发出的光聚焦在所述单色器(3)的入射狭缝。
3.根据权利要求1所述的光环境模拟实验舱，其特征是:所述单色器(3)采用光栅分光系统，采用大面积、高密度光栅分光。
4.根据权利要求1所述的光环境模拟实验舱，其特征是:光路传输系统(4)实现单色光在传输过程中的强度、辐照范围、辐照方向、发散角度、偏振性的调节。
5.根据权利要求4所述的光环境模拟实验舱，其特征是:所述光路传输系统(4)通过改变和移动扩束镜控制辐照区域面积和发散角；通过控制光源功率和旋转连续可调衰减器控制入射光束能量；通过在所述单色器(3)出光口引入偏振分光镜控制光束偏振态；通过调节反射镜的角度和位置来改变单色光束传输路径和辐照角度，使单色光实现直射和不同角度的斜射。
6.根据权利要求1所述的光环境模拟实验舱，其特征是:舱体(5)采用杂散光屏蔽板，内部采用50mm厚保温棉保温；墙面采用1.5mm厚镀锌钢板，地面采用1.5mm厚钢板；内房外层支撑框架采用75*75*4mm角钢，内部龙骨采用50*50*1.5mm镀锌管；室内采用全钢活动地板，地面防潮绝缘板为3mm厚PVC板；设置通风消音管。
7.根据权利要求1所述的光环境模拟实验舱，其特征是:所述实验台(6)位于舱体(5)中央，由轻质泡沫板制成。
8.根据权利要求1所述的光环境模拟实验舱，其特征是:所述温湿度控制系统(7)温度控制范围为1°(T50°C、湿度控制范围为20%?80% RH。
9.根据权利要求1所述的光环境模拟实验舱，其特征是:所述中央分析控制系统(8)对实验舱的所有功能实现软件调节。
【文档编号】B01L1/00GK203470010SQ201320470209
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】蔡澎, 张晶, 易葵, 黄晓梅, 连惠勇, 杨传俊, 张紫燕, 唐超, 廖艳艳 申请人:中国科学院城市环境研究所