CN113131335A - 一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，包括：蓝光LD、红光激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器和激光合束组件；蓝光LD、红光激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器和绿光自倍频激光器发出的光经激光合束组件合束为一束混合光；其中，蓝光LD的工作波长为420‑480nm；红光激光器为红光LD或红光自倍频激光器，其工作波长为630‑700nm；橙光自倍频激光器的工作波长为600‑630nm；黄光自倍频激光器的工作波长为550‑600nm；绿光自倍频激光器的工作波长为500‑550nm。本发明针对不同植物所需光谱不同，通过控制自倍频晶体的温度进行波长的精准调节，以更好地匹配植物所需光谱，降低农业生产成本。

Description

一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统
技术领域
本发明涉及植物补光设备技术领域，更具体的说是涉及一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统。
背景技术
光是影响所有生命体系的重要环境因子，是植物进行光合作用的基本能源，也是植物生长发育、形态建成和新陈代谢的重要调控因子。在可见光谱范围(400nm-760nm)内，植物吸收的光能约占其生理辐射能的60％-65％，其中绝大部分是红光(600nm-700nm)，约占其生理辐射光能的55％，其次是蓝光(400nm-520nm)，约占生理辐射光能的8％。
立冬以后，在我国北方地区气温较低且日照强度和时间都不能满足各类果蔬及大部分绿色植物对光强及光周期的需求，直接影响生产蔬菜的种类和大棚蔬菜的光合效率，成为限制产量及种类的重要因素之一。所以，利用人工补光可有效增加种植果蔬的品种，并提高果蔬产量、品种、调节生长节律，是保证冬季大棚蔬菜健康生长的必要措施。
目前，使用LED作为补光源最为常见，最常用的方法是在蓝光LED芯片的表面涂覆一层黄色荧光粉，但涂覆荧光粉的方法一般采用传统的点胶工艺，这种工艺生产效率不高，不能适应现代工业的批量生产，且粉层的形状不规则将导致单颗LED出光在空间分布不均匀。而且安装结构较复杂，各色LED的驱动电压、发光效率、配色特性不同，电路实现上较复杂。同时各色LED随着时间的推移其老化程度不同，导致光衰的差异进而变色使得混合光的稳定性较差。此外，以上方法获取的光一旦封装完毕，其器件的波长可调性方面仍存在诸多不便。对于不同植物需要配备不同的LED光源，增加了使用成本。
由于植物发生光合作用时对光强有一定要求，而LED的光强远不及LD的光强，所以使用LD作为光源的补光灯更有利于植物进行光合作用。但是目前在520-620nm波段尚无实用化的LD，多为蓝光LD和红光LD双色光源。植物对于500-630nm波段的可见光的吸收虽然很少，但是对于植物的生长是至关重要的。所以可调谐波长的可见光激光特别适用于植物生长灯特殊照明显示领域。
因此，如何提供一种能够根据具体植物需求，对波长进行精准调节的基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
前述部分或后续部分所提及的相关术语解释如下：
LD：激光二极管，Laser Diode的简写。
高透过：是指对特定波长或波段光的透过率大于99％。
高反射：是指对特定波长或波段光的反射率大于99％。
相位匹配：所谓相位匹配条件实际就是基频光和倍频光在晶体内传播时具有相同的折射率。在所有的相位匹配角度上存在一个角度可以达到最高的倍频效率，该角度称为最佳相位匹配方向。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，针对不同植物所需光谱不同，通过控制自倍频晶体的温度进行波长的精准调节，以更好地匹配植物所需光谱，从而提高产量，能够有效提高灯光覆盖面积和使用寿命，从而减少购买补光灯的种类和数量，降低农业生产成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，包括：蓝光LD、红光激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器和激光合束组件；所述蓝光LD、所述红光激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器和所述绿光自倍频激光器发出的光经所述激光合束组件合束为一束混合光；
其中，所述蓝光LD的工作波长为420-480nm；所述红光激光器为红光LD或红光自倍频激光器，其工作波长为630-700nm；所述橙光自倍频激光器的工作波长为600-630nm；所述黄光自倍频激光器的工作波长为550-600nm；所述绿光自倍频激光器的工作波长为500-550nm。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述激光合束组件为凹透镜；所述蓝光LD发出的蓝光、所述红光激光器发出的红光、所述橙光自倍频激光器发出的橙光、所述黄光自倍频激光器发出的黄光和所述绿光自倍频激光器发出的绿光经所述凹透镜合束成一束平行光射出。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述激光合束组件为光纤组件；所述光纤组件包括光纤、五个首端端口和一个尾端端口；所述首端端口分别与所述蓝光LD、所述红光激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器和所述绿光自倍频激光器一一对应连接，将所述蓝光LD发出的蓝光、所述红光激光器发出的红光、所述橙光自倍频激光器发出的橙光、所述黄光自倍频激光器发出的黄光和所述绿光自倍频激光器发出的绿光引至所述光纤内部混合；所述尾端端口将经所述光纤混合后的混合光束输出。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述红光自倍频激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器和所述绿光自倍频激光器的结构均一致，其分别包括依次设置的泵浦源、聚焦系统、输入镜、激光自倍频晶体和输出镜；
所述泵浦源为发射波长970-980nm的二极管激光器；
所述激光自倍频晶体表面镀有对激励光、振荡光和倍频光高透过的介质膜；
所述输入镜和所述输出镜之间组成谐振腔，且所述输入镜表面镀有对不同波长倍频光高反的介质膜；所述输出镜表面镀有对不同波长倍频光高透过的介质膜；
所述泵浦源产生的泵浦光经所述聚焦系统聚焦至所述激光自倍频晶体中；所述激光自倍频晶体吸收泵浦光能量，并利用电-声子耦合原理将所述激光自倍频晶体的荧光发射波长拓展到1000-1400nm，在所述谐振腔中产生基频光，并利用其自身的倍频效应，将基频光转换成倍频光；所述输出镜将所述倍频光输出。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述激光自倍频晶体采用镱掺杂硼酸钙氧钆、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钇中的一种，或镱掺杂硼酸钙氧钆、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钇中的2种或3种形成的混合晶体；
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述激光自倍频晶体的外周侧还包裹有热沉；所述热沉中设置有用于调节所述激光自倍频晶体温度的温控装置。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述热沉的材质为紫铜或黄铜。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述温控装置为半导体制冷片；所述半导体制冷片贴合于所述热沉四周，其用于将所述激光自倍频晶体的温度调节至1-50℃，保证输出波长的稳定和晶体工作寿命的延长。
半导体制冷片为电流换能型片件，其上通入电流，可通过输入电流的控制实现高精度的温度控制，同时再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程序控制、计算机控制等控制过程，形成便于集成的自动控制系统，此处的半导体制冷片及其温度自动控制系统可根据实际需要灵活选择。半导体制冷片的设置为激光自倍频晶体工作波长的调控提供了保障，进而保证了自倍频激光输出波长的可调节性。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述红光自倍频激光器中的输入镜表面镀有对900-1240nm波段的光高透过，并对1260-1400nm和630-670nm波段的光高反射的介质膜，输出镜镀有对900-980nm和1260-1400nm波段的光高反射且对980-1240nm和630-700nm波段的光高透过的介质膜；所述激光自倍频晶体沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，并镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，能实现630-670nm的红光激光输出，通过控制晶体的温度可实现波长的精准调控；
所述橙光自倍频激光器中的输入镜表面镀有对900-1200nm波段的光高透过，对1200-1260nm和600nm-630nm波段的光高反射的介质膜；输出镜表面镀有对900-980nm和1200-1260nm波段的光高反射，且对980-1200nm和600-630nm波段的光高透过的介质膜；所述激光自倍频晶体沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，并镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，能实现600-630nm的橙光激光输出；
所述黄光自倍频激光器中的输入镜表面镀有对900-1100nm波段的光高透过、且对1100-1200nm和550nm-600nm波段的光高反射的介质膜；输出镜表面镀有对900-980nm和1100-1200nm波段的光高反射，且对980-1100nm和550-600nm波段的光高透过的介质膜；所述激光自倍频晶体沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，并镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，能实现550-600nm的黄光激光输出；
所述绿光自倍频激光器的输入镜表面镀有对900-1000nm波段的光高透过、且对1000-1100nm和500-550nm波段的光高反射的介质膜，输出镜表面镀有对900-980nm和1000-1100nm波段的光高反射、且对500-550nm波段的光高透过的介质膜。所述激光自倍频晶体沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，并镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，能实现500-550nm的绿光激光输出。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述红光自倍频激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器或所述绿光自倍频激光器还包括用于调节所述输入镜和所述输出镜之间的相对距离的微调装置。所述微调装置包括两平行的滑道和与两滑道相配合的滑杆，输入镜和输出镜分别固定于两滑杆上，滑杆通过旋钮调节其在滑道上的移动距离，进而在更换镀有特定介质膜的腔镜后实现对谐振腔的微调。微调装置的设置可方便在更换输入镜和输出镜后，实现波长调节时的位置微调。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述激光自倍频晶体选用镱离子掺杂浓度为10％～30％的硼酸钙氧钇，兼备激光晶体与非线性晶体于一身；由于该晶体可以通过电-声子耦合的方式拓展发射波长，能够为本系统提供稳定的自倍频红、橙、黄、绿光激光输出和满足紧凑的器件构型要求。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述激光自倍频晶体的通光面为圆柱形或长方形或正方形，所述激光自倍频晶体的通光方向长度为4-20mm。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述蓝光LD发出的蓝光、红光激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器发出的光均独立可调，通过控制各个激光器的温度实现对波长的精准调控，控制功率比可以实现光谱与植物吸收谱的最佳匹配。蓝光LD、红光激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器中的泵浦源上均设置有可以调节电流大小的旋钮，可通过旋转旋钮来控制电流大小，以达到调节各自功率的目的；其中，红光自倍频激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器输出波长可通过调节晶体温度或泵浦功率以及控制腔镜介质膜来实现调节，通过控制晶体温度来控制电-声子耦合过程中电子与声子的参与数量从而实现波长的精准调控，本发明中为了实现红、橙、黄、绿光激光的输出波长稳定和工作寿命的延长，主要采用控制晶体的温度大小来实现波长的调节。
优选的，在上述一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统中，所述蓝光LD的型号为MDL-XD-450；所述红光LD的型号为MDL-XD-660。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，具有以下有益效果：
1.本发明在结构上，采用自倍频激光器的方式，具有结构简单、紧凑、调节方便等优势，保证产品易于量产。同时，本发明对波长的调节相对灵活，蓝、红、橙、黄、绿光各激光均独立可调，基于不同植物对吸收光谱的不同，可通过控制其功率比和/或波长实现系统的调节，以适应不同植物对光照的要求，提高产量。相比传统的LED补光灯，本发明的调节更加方便，并且发出的光束具有高亮度、低光束发散、寿命长、性能稳定等优势，使激光覆盖的果蔬面积更大，这样使用的补光灯的数量便会减少；同时，由于各激光器所发射光的波长均可调，不同季节种植不同植物时也不必更换补光灯，只需调节对应的波长即可，减少补光灯的种类，降低生产成本；相比传统的蓝红双色激光补光灯，本发明覆盖了500-630nm对于植物生长有重要作用的波段，有利于产量的进一步提升。
本发明具有实时波长可调、易于集成的优点，可以更好的适应和满足不同植物对不同波长光照的严格要求，具有更强的条件适应性和实用性，且光谱的稳定性好，可以适用大功率补光灯，覆盖面积更广。
2.本发明采用集激光和倍频效应于一身的镱离子掺杂硼酸钙氧稀土盐晶体，通过电-声子耦合方式将荧光发射波长进行拓展后再通过倍频效应获得可见光激光，并通过控制晶体温度来控制电-声子耦合过程中电子与声子的参与数量，实现对输出波长的精准调控；再通过镀膜实现波长的进一步精准选择，从而实现输出精准波长的可见光激光。
本发明在激光产生过程上，以电-声子耦合效应使电子在不同能级间跃迁时与声子相互作用从而减小能级间距并增大激光辐射波长的一种辐射形式。通过电-声子耦合方式可实现稀土镱产生1000到1400nm波长的荧光发射，再通过使用晶体的倍频效应，可以获得波长从500-700nm的可见光激光输出；通过控制晶体的温度，提升/降低晶体温度会增强/减弱电-声子耦合效应，对应基频光发生红移/蓝移，通过对晶体温度的精准调控，即可实现基频光波长的精准调控，进而获得可见光激光波长的精准输出。
3.本发明的谐振腔设计具有简单、阈值低、易于操作、结构稳定、易于更换和调试等优势。
4.本发明泵浦源采用的是二极管激光器，其作为固体激光技术，可以实现目前半导体激光器实现不了或无法商业化生产的510-620nm波段的激光输出，填补了半导体技术中可见光激光的部分绿光、黄光、橙光、部分红光的空白，对比半导体激光器使用自倍频激光器具有波长可精准调控、使用化寿命长等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统实施例1的结构示意图；
图2附图为本发明提供的基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统实施例2的结构示意图；
图3附图为本发明提供的基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统实施例3的结构示意图；
图4附图为本发明提供的实施例6中蓝光LD与红光自倍频激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器共同发出的光谱曲线；其中，横坐标为工作波长(单位nm)，纵坐标为强度；
图5附图为本发明提供的实施例7中蓝光LD与红光自倍频激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器共同发出的光谱曲线；其中，横坐标为工作波长(单位nm)，纵坐标为强度；
图6附图为本发明提供的实施例8中蓝光LD与红光自倍频激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器共同发出的光谱曲线；其中，横坐标为工作波长(单位nm)，纵坐标为强度；
图7附图为本发明提供的实施例9中蓝光LD与红光自倍频激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器共同发出的光谱曲线；其中，横坐标为工作波长(单位nm)，纵坐标为强度；
图8附图为本发明提供的实施例10中蓝光LD与红光自倍频激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器共同发出的光谱曲线；其中，横坐标为工作波长(单位nm)，纵坐标为强度；
其中，1为泵浦源，2为聚焦系统，3为输入镜，4为半导体制冷片，5为输出镜，6为微调装置，7为热沉，8为激光自倍频晶体，9为蓝光LD，10为凹透镜，11为红光LD，12为光纤合束组件，R为红光自倍频激光器，O为橙光自倍频激光器，Y为黄光自倍频激光器，G为绿光自倍频激光器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例1公开一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，包括蓝光LD9、红光自倍频激光器R、橙光自倍频激光器O、黄光自倍频激光器Y、绿光自倍频激光器G和激光合束组件。红光自倍频激光器R发出的红光、蓝光LD9发出的蓝光、橙光自倍频激光器O发出的橙光、黄光自倍频激光器Y发出的黄光、绿光自倍频激光器G发出的绿光经激光合束组件10后合束成一束混合光射出，蓝光LD9的工作波长为420-480nm，红光自倍频激光器R的工作波长为630-700nm，橙光自倍频激光器O的工作波长为600-630nm，黄光自倍频激光器Y的工作波长为550-600nm，绿光自倍频激光器G的工作波长为500-550nm。
本实施例中，激光合束组件为一个凹透镜10，将蓝光LD9、红光自倍频激光器R、橙光自倍频激光器O、黄光自倍频激光器Y和绿光自倍频激光器G发出的蓝、红、橙、黄、绿光经过凹透镜10后合束成一束平行光射出，这里采用的是凹透镜的折射原理进行合束。
本实施例中，蓝光LD9选用长春新产业光电技术有限公司生产的MDL-XD-450蓝光LD。
红光自倍频激光器R、橙光自倍频激光器O、黄光自倍频激光器Y和绿光自倍频激光器G的结构一致，红光自倍频激光器R包括依次设置的泵浦源1、聚焦系统2、输入镜3、激光自倍频晶体8和输出镜5，输入镜3和输出镜5组成谐振腔。激光自倍频晶体8为镱离子掺杂浓度为10％～30％的硼酸钙氧钇，激光自倍频晶体8可同时实现激光振荡和非线性频率转换。其中，输入镜3镀有对900-1240nm高透过、1260-1400nm和630-670nm高反射的介质膜。激光自倍频晶体8沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，输出镜5镀有对900-980nm和1260-1400nm高反射且对980-1240nm高透过和630-700nm高透过的介质膜；使用时，将泵浦源1的电源打开，通过调节泵浦源1上电流的大小控制泵浦光的功率输出，泵浦源1发出的泵浦光经过聚焦系统2后聚焦在激光自倍频晶体8上，输入镜3和输出镜5组成谐振腔，在泵浦激光的激励下，腔内的基频光发生振荡，产生基频激光，由于输入镜3和输出镜5镀有对基频光高反的介质膜，基频激光不会输出，在激光自倍频晶体8的倍频作用下，将基频光转换成倍频光，由于输入镜3镀有对倍频光高反的介质膜，输出镜5镀有对倍频光高透的介质膜，所以腔内产生的倍频光可以从输出镜5后面输出，获得自倍频红光激光输出。
橙光自倍频激光器如图1中O模块所示，包括依次设置的泵浦源1、聚焦系统2、输入镜3、激光自倍频晶体8和输出镜5，输入镜3和输出镜5组成谐振腔，激光自倍频晶体8为镱离子掺杂浓度为10％～30％的硼酸钙氧钇，激光自倍频晶体8可同时实现激光振荡和非线性频率转换，其中输入镜3镀有对900-1200nm高透过、1200-1260nm和600nm-630nm高反射的介质膜，激光自倍频晶体8，沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，输出镜5镀有对900-980nm和1200-1260nm高反射且对980-1200nm高透过和600-630nm高透过的介质膜。
黄光自倍频激光器如图1中Y模块所示，包括依次设置的泵浦源1、聚焦系统2、输入镜3、激光自倍频晶体8和输出镜5，输入镜3和输出镜5组成谐振腔，激光自倍频晶体8为镱离子掺杂浓度为10％～30％的硼酸钙氧钇，激光自倍频晶体8可同时实现激光振荡和非线性频率转换，其中输入镜3镀有对900-1100nm高透过、1100-1200nm和550nm-600nm高反射的介质膜，激光自倍频晶体8，沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，输出镜5镀有对900-980nm和1100-1200nm高反射且对980-1100nm高透过和550-600nm高透过的介质膜。
绿光自倍频激光器如图1中G模块所示，包括依次设置的泵浦源1、聚焦系统2、输入镜3、激光自倍频晶体8和输出镜5，输入镜3和输出镜5组成谐振腔，激光自倍频晶体8为镱离子掺杂浓度为10％～30％的硼酸钙氧钇，激光自倍频晶体8可同时实现激光振荡和非线性频率转换，其中输入镜3镀有对900-1000nm高透过、1000-1100nm和500-550nm高反射的介质膜，激光自倍频晶体8，沿有效非线性系数最大的相位匹配方向切割，镀有对激励光、振荡光以及倍频光高透过的介质膜，输出镜5镀有对900-980nm和1000-1100nm高反射且对500-550nm高透过的介质膜。
本实施例中，泵浦源1为发射波长970-980nm的激光二极管激光器。
实施例2：
本实施例结构如实施例1所示，所不同的是，激光自倍频晶体8外部包裹有热沉7，热沉7外部设有半导体制冷片4，半导体制冷片4紧贴于热沉四周，将激光自倍频晶体的温度稳定在一定范围(1-50℃)内。
实施例3：
如图2所示，本实施例具体结构与实施例1所不同的是，红光激光器选用的是长春新产业光电技术有限公司生产的MDL-XD-660。
实施例4：
如图3所示，本实施例与实施例1所不同的是，激光合束组件为光纤合束组件12，光纤合束组件12包括光纤、位于首端的五个输入端口和位于尾端的一个输出端口，五个输入端口分别连接有蓝光LD9、红光自倍频激光器R、橙光自倍频激光器O、黄光自倍频激光器Y、绿光自倍频激光器G，将蓝光LD9发出的光和红光自倍频激光器R、橙光自倍频激光器O、黄光自倍频激光器Y、绿光自倍频激光器G发出的红、橙、黄、绿光引至光纤内使蓝光和红、橙、黄、绿光在光纤内部混合并合束后，通过光纤尾端的端口直接输出混合后的光。
实施例5：
本实施例与实施例4所不同的是，红光激光器选用红光LD。
实施例6：
本实施例与实施例2相比，所不同的是，红光自倍频激光器R、橙光自倍频激光器O、黄光自倍频激光器Y和绿光自倍频激光器G上还分别设置有调节谐振腔沿光路方向前后移动的微调装置6，微调装置6包括两平行的滑道和与两滑道相配合的滑杆，输入镜3和输出镜5分别固定于两滑杆上，滑杆通过旋钮调节其在滑道上的移动距离，方便实现谐振腔内腔镜调换后对谐振腔的微调，进而保证自倍频激光的稳定输出。
本实施例调控蓝光LD9与红光自倍频激光器R、橙光自倍频激光器O、黄光自倍频激光器Y和绿光自倍频激光器G的工作功率比，调节微调装置(微调装置一般只在调节波长时，更换腔镜后进行微调)，控制晶体温度等条件，使蓝光LD9的发射峰为450nm，通过控制红光自倍频激光器R中激光自倍频晶体的温度，使红光自倍频激光器R发射波长为660nm，通过控制橙光自倍频激光器O中晶体的温度，使橙光自倍频激光发射波长为621nm，通过控制黄光自倍频激光器Y中激光自倍频晶体的温度，使黄光自倍频激光发射波长为565nm，通过控制绿光自倍频激光器G中激光自倍频晶体的温度，使绿光自倍频激光器发射波长为524nm，通过调节各自的电流使得蓝、红、橙、黄、绿光的峰值强度比为1:0.6:0.3:0.1:0.26。如图4所示，为五个激光器协同工作混合光源的光谱曲线。此光谱适合食虫植物、多肉、花卉绿植，配比均衡，适合大多数植物光合作用，光色宜人，显色自然，丝毫不妨碍观赏。(色温：4000k左右，观感淡粉色)。
实施例7：
本实施例与实施例2不同的是，使蓝光LD的发射峰为464nm，红光自倍频激光器发射波长为656nm，橙光自倍频激光发射波长为608nm，黄光自倍频激光发射波长为565nm，绿光自倍频激光器发射波长为513nm，通过调节各自的电流使得蓝、红、橙、黄、绿光的峰值强度比为1:0.4:0.3:0.15:0.56。如图5所示，为五个激光器协同工作混合光源的光谱曲线。此光谱适合于块根类、根茎类作物、观赏园艺、植物墙、育苗壮苗、多肉等植物补光。(色温：8000k左右，观感白光)。
实施例8：
本实施例与实施例2不同的是，使蓝光LD的发射峰为447nm，红光自倍频激光器发射波长为640nm，橙光自倍频激光发射波长为610nm，黄光自倍频激光发射波长为571nm，绿光自倍频激光器发射波长为528nm，通过调节各自的电流使得蓝、红、橙、黄、绿光的峰值强度比为1:0.4:0.3:0.2:0.1。如图6所示，为五个激光器协同工作混合光源的光谱曲线。此光谱针对多肉植物光合作用，激活叶绿体，释放光合色素。(色温：10000k左右，观感淡紫色)。
实施例9：
本实施例与实施例2不同的是，使蓝光LD的发射峰为447nm，红光自倍频激光器发射波长为640nm，橙光自倍频激光发射波长为610nm，黄光自倍频激光发射波长为571nm，绿光自倍频激光器发射波长为528nm，通过调节各自的电流使得蓝、红、橙、黄、绿光的峰值强度比为1:0.4:0.3:0.2:0.1。如图7所示，为五个激光器协同工作混合光源的光谱曲线。此光谱针对多肉植物光合作用，激活叶绿体，释放光合色素。(色温：10000k左右，观感淡紫色)。
实施例10：
本实施例与实施例2不同的是，使蓝光LD的发射峰为444nm，红光自倍频激光器发射波长为682nm，橙光自倍频激光发射波长为625nm，黄光自倍频激光发射波长为556nm，绿光自倍频激光器发射波长为503nm，通过调节各自的电流使得蓝、红、橙、黄、绿光的峰值强度比为0.57:0.24:1:0.5:0.4。如图8所示，为五个激光器协同工作混合光源的光谱曲线。此光谱适合于家庭种植的开花结果类、芽菜类、百合、蕃杏科、十字花科、瓜果等植物补光。(色温：3300k左右，观感暖黄)。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，包括：蓝光LD、红光激光器、橙光自倍频激光器、黄光自倍频激光器、绿光自倍频激光器和激光合束组件；所述蓝光LD、所述红光激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器和所述绿光自倍频激光器发出的光经所述激光合束组件合束为一束混合光；
其中，所述蓝光LD的工作波长为420-480nm；所述红光激光器为红光LD或红光自倍频激光器，其工作波长为630-700nm；所述橙光自倍频激光器的工作波长为600-630nm；所述黄光自倍频激光器的工作波长为550-600nm；所述绿光自倍频激光器的工作波长为500-550nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述激光合束组件为凹透镜；所述蓝光LD发出的蓝光、所述红光激光器发出的红光、所述橙光自倍频激光器发出的橙光、所述黄光自倍频激光器发出的黄光和所述绿光自倍频激光器发出的绿光经所述凹透镜合束成一束平行光射出。
3.根据权利要求1所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述激光合束组件为光纤组件；所述光纤组件包括光纤、五个首端端口和一个尾端端口；所述首端端口分别与所述蓝光LD、所述红光激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器和所述绿光自倍频激光器一一对应连接，将所述蓝光LD发出的蓝光、所述红光激光器发出的红光、所述橙光自倍频激光器发出的橙光、所述黄光自倍频激光器发出的黄光和所述绿光自倍频激光器发出的绿光引至所述光纤内部混合；所述尾端端口将经所述光纤混合后的混合光束输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述红光自倍频激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器和所述绿光自倍频激光器的结构均一致，其分别包括依次设置的泵浦源、聚焦系统、输入镜、激光自倍频晶体和输出镜；
所述泵浦源为发射波长970-980nm的二极管激光器；
所述激光自倍频晶体表面镀有对激励光、振荡光和倍频光高透过的介质膜；
所述输入镜和所述输出镜之间组成谐振腔，且所述输入镜表面镀有对不同波长倍频光高反的介质膜；所述输出镜表面镀有对不同波长倍频光高透过的介质膜；
所述泵浦源产生的泵浦光经所述聚焦系统聚焦至所述激光自倍频晶体中；所述激光自倍频晶体吸收泵浦光能量，并利用电-声子耦合原理将所述激光自倍频晶体的荧光发射波长拓展到1000-1400nm，在所述谐振腔中产生基频光，并利用其自身的倍频效应，将基频光转换成倍频光；所述输出镜将所述倍频光输出。
5.根据权利要求4所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述激光自倍频晶体采用镱掺杂硼酸钙氧钆、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钇中的一种，或镱掺杂硼酸钙氧钆、镱掺杂硼酸钙氧镧、镱掺杂硼酸钙氧钇中的2种或3种形成的混合晶体。
6.根据权利要求4所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述激光自倍频晶体的外周侧还包裹有热沉；所述热沉中设置有用于调节所述激光自倍频晶体温度的温控装置。
7.根据权利要求6所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述热沉的材质为紫铜或黄铜。
8.根据权利要求6所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述温控装置为半导体制冷片；所述半导体制冷片贴合于所述热沉四周，其用于将所述激光自倍频晶体的温度调节至1-50℃。
9.根据权利要求4所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述红光自倍频激光器中的输入镜表面镀有对900-1240nm波段的光高透过，并对1260-1400nm和630-670nm波段的光高反射的介质膜，输出镜镀有对900-980nm和1260-1400nm波段的光高反射且对980-1240nm和630-700nm波段的光高透过的介质膜；
所述橙光自倍频激光器中的输入镜表面镀有对900-1200nm波段的光高透过，对1200-1260nm和600nm-630nm波段的光高反射的介质膜；输出镜表面镀有对900-980nm和1200-1260nm波段的光高反射，且对980-1200nm和600-630nm波段的光高透过的介质膜；
所述黄光自倍频激光器中的输入镜表面镀有对900-1100nm波段的光高透过、且对1100-1200nm和550nm-600nm波段的光高反射的介质膜；输出镜表面镀有对900-980nm和1100-1200nm波段的光高反射，且对980-1100nm和550-600nm波段的光高透过的介质膜；
所述绿光自倍频激光器的输入镜表面镀有对900-1000nm波段的光高透过、且对1000-1100nm和500-550nm波段的光高反射的介质膜，输出镜表面镀有对900-980nm和1000-1100nm波段的光高反射、且对500-550nm波段的光高透过的介质膜。
10.根据权利要求4所述的一种基于自倍频激光在农业中对植物光合作用的补偿系统，其特征在于，所述红光自倍频激光器、所述橙光自倍频激光器、所述黄光自倍频激光器或所述绿光自倍频激光器还包括用于调节所述输入镜和所述输出镜之间的相对距离的微调装置。
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