CN103557462A - 一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置 - Google Patents

Abstract

一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，由蓝色半导体激光器、耦合光纤和红光转光荧光板构成，耦合光纤与蓝色半导体激光器的激光出口连接，红光转光荧光板由玻璃基板和附着于玻璃基板上的红光转光膜层构成，红光转光荧光板与激光出口方向垂直设置，红光转光荧光板与耦合光纤的距离是使激光经耦合光纤扩光的发散角覆盖整个红光转光荧光板。本发明的优点是：该装置蓝光单色性好、功率调节方便，将具有不同光照强度的红蓝光作用于不同植物生长和同一植物不同生长期的生长过程中，将会最大限度地促进植物生长，减少病虫害，提高植物的品质；该激光转光装置结构简单、易于实施、成本低、无污染、光电转换效率高，亮度高，适合工业推广使用。

Description

一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置

技术领域

 本发明涉及激光、光电子发光、照明科技领域，特别是一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置。

背景技术

在绿色植物生长的光照、温度、湿度、养分等要素中，光能是最重要的条件之一。在太阳光所含的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等成分中，红光和蓝紫光对绿色植物光合作用最有效。光合作用是在叶绿素中进行，叶绿素对可见光的吸收主要以400-500 nm的蓝光和600-700 nm的红光为主。目前公认的为波长在440nm附近的蓝光和波长在660nm附近的红光对植物生长的影响作用显著。红色光有助于开花结果和延长花期，使植物长高。而蓝色光能促进绿叶生长，促进蛋白质与非碳水化合物的积累，使植物增重。

为了摆脱自然气候变化对农作物生长的影响，使整个农产品生产过程始终都处在可控制的状态中，出现了被称为植物工厂的现代化农业种植新方式。通过在大棚温室中架设人工光源的方法促进植物生长，代替太阳光给室内花卉、大棚蔬菜水果、园林苗圃、名贵中药等进行补光以助长、调节花期、维持生存等，控制和调节植物的产业过程。我国农业市场巨大,研究开发先进的植物补光技术, 必将带来巨大的经济效益和社会效益。

植物工厂目前主要的人工光源有高压钠灯、荧光灯、发光二极管（LED）的方式。最早多采用钠灯作为补光光源，但是发射的光谱中很多光子能量并不是植物生长所需要的，而且电耗高，发热严重，造成浪费，补光效率低，所以逐渐被淘汰。荧光灯可以作到与植物的光合作用的光谱响应匹配，但缺点是耗能大，效率低，寿命短，有汞害。采用半导体红、蓝LED光管混装方案进行人工补光，形成与植物光合作用和植物形态建成基本吻合的光谱，不仅减少能耗，而且还可提高植物对光能的吸收利用效率，但是驱动电路复杂，投入成本高，并且发射光谱实际上与不同植物的不同周期的茎、叶、花、果生长光谱实际上并不匹配。单一蓝光LED芯片匹配红光荧光粉，调节发射光谱可以近似响应光合作用光谱，但是在实际使用中，需要配套电源系统，散热机构，导致种植成本增加。

激光光源和LED光源相比，具有超高亮度、单色性好、光电转换效率更高的性能特点。使用激光植物光源，根据植物生长的需要，光功率电流调节方便，最大限度的促进不同植物的生长。激光光源替代LED用于植物光源，具有不可比拟的优势。而采用蓝色激光扩光后，用于激发红光转光板，可以得到与植物光合作用光谱相吻合的面光源，并且避免叶片局部被强光烧伤。

发明内容

本发明的目的是针对上述植物光源技术分析和存在问题，提供一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，该装置可方便调节红、蓝光功率，用于植物工厂促进不同植物和植物不同生长期的光强度需求；该装置光电转换效率高，易于实施，有利于推广应用。

本发明的技术方案：

一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，由蓝色半导体激光器、耦合光纤和红光转光荧光板构成，耦合光纤与蓝色半导体激光器的激光出口连接，红光转光荧光板由玻璃基板和附着于玻璃基板上的红光转光膜层构成，红光转光荧光板与激光出口方向垂直设置，红光转光荧光板与耦合光纤的距离是使激光经耦合光纤扩光的发散角覆盖整个红光转光荧光板。

所述蓝光半导体激光器功率可调，调节范围为1-1000mW，波长为442±5nm。

所述红光转光膜层是由红色荧光粉Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺或CaS:Eu²⁺配制的荧光油墨，采用丝网印刷技术，在洁净透明的玻璃表面制成。

本发明的工作原理：

该植物平板光源采用功率可调的蓝光半导体激光器，经耦合光纤扩光后，作用于红光转光荧光板，实现红光转光，得到发光峰为660nm附近的宽带光谱，从而形成红蓝光平板光源。

本发明的优点：

该装置蓝光单色性好、功率调节方便、扩光技术简单，将具有不同光照强度的红蓝光作用于不同植物生长和同一植物不同生长期的生长过程中，将会最大限度地促进植物生长，减少病虫害，提高植物的品质；该激光转光装置结构简单、易于实施、成本低、无污染、光电转换效率高，亮度高，适合工业推广使用。

【附图说明】

图1为可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置示意图。

图中：1．蓝光半导体激光器    2．激光出口    3．耦合光纤 

4．红光转光膜层    5．玻璃基板

图2为蓝色激光光谱示意图。

图3为由红色荧光粉Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺和CaS:Eu²⁺配制的荧光油墨制备的两种红光转光荧光板的荧光光谱图，图中：a为Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺荧光板、b为CaS:Eu²⁺荧光板。

图4为蓝色激光激发由红色荧光粉Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺和CaS:Eu²⁺配制的荧光油墨制备的两种红光转光荧光板的光谱图，图中：a为Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺荧光板、b为CaS:Eu²⁺荧光板。

【具体实施方式】

实施例1：

一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，如图2所示，由蓝色半导体激光器1、耦合光纤3和红光转光荧光板，耦合光纤3与蓝色半导体激光器1的激光出口2连接，红光转光荧光板由玻璃基板5和附着于玻璃基板上的红光转光膜层4构成，红光转光荧光板与激光出口方向垂直设置，被耦合光纤扩光的激光光斑直径由耦合光纤3的激光出口2与荧光板的垂直距离决定，计算公式为h=d/2tg13°，按扩光光斑直径为300mm计算，红光转光荧光板与耦合光纤3的距离为660mm。。

该实施例中，所述蓝光半导体激光器的型号为MDL-III-442nm，波长为442±5nm，功率可调范围为1-1000mW；耦合光纤芯径为400um，发散角为26°，耦合效率为70-80%；红光转光荧光板的制备采用荧光油墨、丝网印刷技术，在洁净透明的玻璃表面制备荧光转光膜层；商业红光转光荧光粉为Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺，颗粒尺寸为5-10um，分散到光油中混匀，荧光油墨浓度为30-50%；光油为由环己酮、醋酸丁酯、溶剂石脑油、丙二醇甲醚醋酸酯、合成树脂构成的有机混合溶液；荧光油墨采用丝网印刷工艺涂覆在洁净透明的玻璃基板表面，网版为200-350目，印刷荧光油墨层数为4层，得到湿层膜玻璃，通过焙烧干燥工艺得到荧光板成品，焙烧温度为130-180°，干燥时间为0.5-2小时。

图1为所述蓝光半导体激光器的蓝色激光光谱图。

图3a为由红色荧光粉Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺配制的荧光油墨制备的红光转光荧光板的荧光光谱图，图中表明：442nm的蓝光能有效地激发Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺荧光板，发射峰值位于660nm附近的宽带红光。

图4a为蓝色激光激发由红色荧光粉Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺配制的荧光油墨制备的红光转光荧光板的光谱图，图中表明：442nm的蓝色激光激发Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺荧光板，转光为660nm附近的宽带红光，构成红蓝植物生长光谱。

实施例2：

一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，结构与实施例1基本相同，不同之处在于商业红光转光荧光粉为CaS:Eu²⁺。

图3b为由红色荧光粉CaS:Eu²⁺配制的荧光油墨制备的红光转光荧光板的荧光光谱图，图中表明：442nm的蓝光能有效地激发CaS:Eu²⁺转光荧光板，发射峰值位于660nm附近的宽带红光。

图4b为蓝色激光激发由红色荧光粉CaS:Eu²⁺配制的荧光油墨制备的红光转光荧光板的光谱图，图中表明：442nm的蓝色激光激发CaS:Eu²⁺荧光板，转光为660nm附近的宽带红光，构成红蓝植物生长光谱。

Claims (3)

1.一种可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，其特征在于：由蓝色半导体激光器、耦合光纤和红光转光荧光板构成，耦合光纤与蓝色半导体激光器的激光出口连接，红光转光荧光板由玻璃基板和附着于玻璃基板上的红光转光膜层构成，红光转光荧光板与激光出口方向垂直设置，红光转光荧光板与耦合光纤的距离是使激光经耦合光纤扩光的发散角覆盖整个红光转光荧光板。

2.根据权利要求1所述可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，其特征在于：所述蓝光半导体激光器功率可调，调节范围为1-1000mW，波长为442±5nm。

3.根据权利要求1所述可将蓝色激光转光为植物平板光源的装置，其特征在于：所述红光转光膜层是由红色荧光粉Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺或CaS:Eu²⁺配制的荧光油墨，采用丝网印刷技术，在洁净透明的玻璃表面制成。

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