温室园艺LED照明研究与应用现状

LED作为设施园艺光环境调控的优选光源和手段,节能、精准、长寿命且光效率高,可通过光质及其光强和光周期等光照属性的控制,调控植物光合作用和光形态建成,调节设施园艺作物生长发育、生物量和果实产量、开花及农产品品质,获得温室补光的效益。而且,基于时空光环境调控带来的显著效益,动态照明和立体照明应运而生,方兴未艾,应用前景广阔。本文总结了温室LED照明产品和应用领域,提出了动态照明和立体照明技术概念,总结了光质、光强和光周期植物调控的研究进展,重点阐述了光质调控植物园艺作物生长发育、产量、开花及农产品品质的研究进展,对未来温室LED补光产业发展前景进行了展望。

LED照明体的应用及发展趋势

国际照明委员会(CIE)在最新出版的CIE 251:2023中发布了用于光度校准的标准光谱L41,这是CIE继1931年标准照明体A之后的另一种基于LED的用于光度计量的照明体,是光度计量史上近百年来的首次变化,必将对光度计量领域产生重大的影响。本文介绍了L41产生的背景、光谱分布选择方法和过程、LED标准灯的光谱分布与L41光谱失配的评价方法。基于分析比较L41与A光源的差异和特点,提出了我国建立基于LED的光度量值传递体系的路线图。

一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究

在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下,谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升,其短期频率稳定度已达到小系数10^(-13)τ^(-1/2)水平.为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限,本文在前期对物理系统(Φ40微波腔)结构的重新设计及实验验证的基础上,通过对物理系统的光学系统全面优化设计,改善了光谱灯及抽运光的性能,最终使物理系统信噪比获得了明显提升.测试及分析评估结果表明,新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10^(-14)τ^(-1/2),本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10^(-14)τ^(-1/2)、长稳突破1×10^(-15)进入~10^(-16)奠定了基础.

铷原子钟光谱灯铷量测量和寿命评估

铷光谱灯灯泡的使用寿命是影响星载铷钟寿命的关键因素。为了评估铷灯泡寿命,利用一种新的灯泡赶铷方法,显著提高了差分扫描量热计测量灯泡铷量的精度。通过对长达7年铷量测试数据的理论拟合,得到了迄今为止精度最高的铷量消耗公式,进而评估了灯泡的使用寿命。结果分析表明,对于材料为Schott 8436玻璃的灯泡,充铷量超过130 μg,使用寿命即可达到50年。

用150W氘灯标定200～300nm光谱辐照度

采用150W大功率氘灯标定光谱仪器的紫外波段光谱辐照度响应度，解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难。在此基础上以氘灯加球面反射镜构建了平行光光谱辐照度定标单元，满足了某些遥感类光谱辐射计辐照度响应度定标要求，该单元通过照度标准传递的方式获得标准光谱辐照度值，避开了球面反射镜光谱反射率的测量难点。与美国NIST的FEL标准灯标定同一台光谱辐射计，其结果最大偏差为3％，200～300nm定标误差为4．7％。

航天器真空热试验用红外灯光谱分布研究

对航天器真空热试验用红外灯的光谱分布进行研究。通过对红外灯电流—电阻相关分析和数值拟合,建立了红外灯的功率计算模型和红外灯灯丝温度计算模型以及红外灯石英玻璃管的温度计算模型;最终给出了红外灯在不同电流下光谱分布模型。采用S2000光纤式光谱仪进行了红外灯光谱分布测试,结果表明红外灯光谱分布模型准确。研究成果可以为采用黑片式热流计测量红外灯阵到达热流奠定基础。

紫外-真空紫外辐射标准光源的比对

建立了高精度光谱辐射计量系统,给出了164～300nm波长间3个光谱辐射标准氘灯光源的比对结果。其中3个光谱辐射标准氘灯光源分别以德国国家物理技术研究院(PTB)BESSYⅡ同步辐射、英国国家物理实验室(NPL)Daresburg同步辐射、中国合肥(国家同步辐射实验室)同步辐射为标准标定。实验中采用相互交替的比对顺序、微机控制比对时间以及抛光氘灯端窗等方法有效的消除了系统误差。实验数据分析结果表明:3个光谱辐射标准氘灯光源的相对光谱分布,在各自给定的不确定度范围内相一致,这也间接的验证了各国建立的紫外 真空紫外辐射标准的一致性。实验中比对引进的误差为1.7%。同时也研究了氘灯的光谱辐射特性。

空间遥感光谱辐射计紫外／真空紫外光谱辐照度定标技术

实验证明了发散光照明模式和平行光照明模式标定的光谱辐照度响应度在定标误差范围内一致.在此基础上构建了由150 W大功率氘灯、500 W氙灯和球面反射镜组成的平行光光谱辐照度定标单元,该单元解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难,而且其输出光谱辐照度在一定距离范围内变化很小从而减小了装调误差,提高了定标准确度.分两个波段标定了一台紫外光谱辐射计160 nm～400 nm波段光谱辐照度响应度,其中160 nm～250 nm定标误差4.6%,250 nm～400 nm定标误差2.4%.

基于物理模型的光谱辐射照度标准灯数据处理方法

根据光谱辐射照度标准灯（卤钨灯）的数据曲线具有精确数学物理模型的特点，提出广义数学函数变换和标准灯数学物理模型相结合的数据分析和处理方法，能够准确发现并修正光谱辐射照度测量中的不可靠数据点。在2004年国际计量局组织的250~2500 nm光谱辐射照度国际关键比对CCPR-K1 a，对测量结果中的不可靠数据点进行修正处理后，我国的光谱辐射照度量值与国际参考值之间的一致性优于1.5%.

光电器件在原子频标光电检测环路中的应用研究

在被动型原子频标中,光电检测环路是连接物理系统与电子线路间的桥梁,它将物理系统的原子纠偏信号转换成伺服检测电路用信号,整个光电检测环路中主要噪声来源是光谱灯及光电池器件。作为整个物理系统核心光源的光谱灯,其工作参数的稳定与否直接影响原子频标的频率稳定度。而光电池在将光信号转换为电信号的过程中,其内部热噪声、散粒噪声、闪变噪声是决定整个转换过程好坏的关键。针对光谱灯及光电池特性,本文对诸如灯温、灯泡中气体比例,电磁兼容、腔温、调制深度、调制频率等环路参数作了具体的设置的工作,通过光强稳定性、鉴频曲线等实验测试结果选择最佳的参数值,原子频标的稳定度测量实验结果说明本文取得满意的成果。

AAA级太阳模拟器的设计与研制

完成了一种光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度均能达到A级标准的AAA级太阳模拟器的设计与研制。介绍了太阳模拟器的光源选择和滤光片的设计,给出了太阳模拟器的光机结构,测量了太阳模拟器的各项技术指标。结果表明,太阳模拟器的光谱匹配在波长400～1 100 nm处满足ASTM E927-10中AM1.5G A级要求。在有效辐照面55 mm×55 mm内,其平均辐照度达到1 000 W/m2,辐照不均匀度达到1.35%,辐照不稳定度达到1.27%。测量数据显示设计的太阳模拟器满足ASTM E927-10的AAA级标准。

铷光谱灯老化过程分析

选取2个铷光谱灯样品,测量得到其发光光谱。通过对铷光谱灯老化过程的长期跟踪监测,得出铷消耗量公式,这样可以在有限的试验数据的基础上预测铷的长期消耗。对老化过程中产生的杂质进行了分析,从而对铷频标研究提供参考依据。

200～400 nm短波紫外光谱辐射照度国家基准装置的研究与建立

针对我国短波紫外光谱辐射照度测量能力缺失的问题,基于高温黑体辐射源, 2017年中国计量科学研究院NIM自主研制了200~400 nm光谱辐射照度国家基准装置。组建氘灯副基准灯组,实现基准量值的独立复现、保存和传递。在国内形成了以氘灯为传递标准的光谱辐射照度计量基标准和量传体系,为各应用领域提供最高溯源标准。针对基准系统中温度测量、带宽、信噪比、荧光等主要误差源,逐一突破关键测量技术,提升基准的测量准确度:将高温黑体的温度测量直接溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C固定点黑体,采用钨碳-碳WC-C高温共晶点测温技术进行验证,在3 021 K固定点与俄罗斯计量院VNIIOFI的偏差仅0.07 K,将200 nm的测量不确定度减小0.2%;针对黑体和氘灯光谱形状显著差异导致的光谱带宽误差,提出基于微分求积的七点带宽修正法,在200 nm,误差减小0.86%;提出绝对和相对互补型测量原理,将200 nm的测量重复性误差减小约20倍;采用选择性滤波技术,成功消除系统内荧光对测量结果的影响。 3 021 K时黑体温度的测量不确定0.64 K,腔底不均匀性小于0.17 K,测量期间黑体温度漂移小于0.2 K,双光栅单色仪的波长误差不超过±0.01 nm。氘灯副基准的标准测量不确定度为: 200~250 nm, U rel =4.0%~1.3%;250~330 nm, U rel =1.3%~1.2%;330~400 nm, U rel =1.2%~1.9%,整体技术指标达到国际先进水平。研究成果填补了200~400 nm基于氘灯的光谱辐射照度国家基准的空白,使我国具备能力参加国际计量局组织的CCPR-K1.b国际关键比对,与传统以卤钨灯为传递标准的光谱辐射照度国家基准实现了有效衔接。在250~400 nm重合波段,两种传递标准量值的平均相对偏差为0.39%,在声称的不确定度范围内一致。

连续氙灯发光光谱的设计与应用研究

对太阳实际光谱与连续氙灯的光谱进行了测试,结果显示氙灯发光光谱的红外部分占全部光谱的55.6%,与实际太阳光谱的28.4%有较大差别。依据这种差别进行光谱曲线拟合,得到925 nm最低点的透过率曲线。采用滤光片对氙灯发光光谱的红外部分光强进行适当过滤,测得过滤后的光谱达到标准匹配度。通过测试滤光后6个不同位置点的光谱发现,光谱最大偏差仅为12.5%,表明过滤后的氙灯光谱均匀性较好。利用电致发光检测有缺陷的硅电池进行电池的电性能测试,发现经过采用滤光片和未采用滤光片的连续氙灯光照测试的I-V电性能值不同,功率相差0.22 W,表明氙灯光谱匹配度直接影响电池电性能测试的准确度。

小型球形脉冲氙灯光谱分析与实验测定

作为分析仪器和医疗仪器光源,脉冲氙灯的光谱特性直接影响着仪器的整体性能。为了研究脉冲氤灯放电回路参数及几何参数对其光谱特性的影响,利用气体放电理论分析了脉冲氙灯发光过程,设计了光谱检测系统,实验测定了脉冲氙灯在不同放电参数下的光谱特性。结果表明:脉冲氙灯光谱由连续谱和线状谱组成,连续谱有离子复合和韧致辐射产生,线状谱由电子能级跃迁产生。相对光谱辐射能量随着放电电压升高呈近似线性增长、并随着储能电容的变大而变大。在放电电压较低时,弧长较短时相对光谱辐射能量较大;在放电电压较大时,弧长越长相对光谱辐射能量越大。对于脉冲氙灯工作参数选取以及应用生产具有重要的意义。

高功率激光装置输出光束相对光谱功率测量方法

针对SILEX-I超短超强脉冲激光装置输出光束光谱分布的精密测量问题,采用脉冲激光相对光谱功率来评价光谱分布,以溴钨灯为标准光源开展相对光谱功率测量方法的研究,获得相对光谱功率的理论计算公式。以SP2760光栅光谱仪作为光谱测量设备在SILEX-I激光装置上进行了光谱分布测量的验证实验,并给出了不确定度评定,获得了扩展相对不确定度1.7%的测量精度。测量结果显示,相对光谱功率分布与光栅光谱仪的原始光谱响应值分布具有显著的差异,可以更加准确地反映输出脉冲的光谱分布。

380～780 nm总光谱辐射通量量值导出及不确定度评定

叙述了光源380~780 nm总光谱辐射通量量值导出的基本原理。该量值基于测量灯的总光通量及用变角辐射计测量灯的光谱辐射强度相对分布,溯源至总光通量国家基准和高温黑体光谱辐射照度国家基准。总光谱辐射通量量值导出的不确定度主要影响因素包括总光通量、光谱辐射标准灯、光谱辐射计自身特性、变角辐射计(机械部分)和测量系统重复性,扩展不确定度U=3.3%~1.6%,k=2。

可见波段LED光谱标准灯的研制

在光辐射测量领域由于缺少在380～450 nm波段光谱功率足够大的标准光源,使得该波段的测量不确定度明显高于其余可见光波段,不能满足高精度测量的需求。基于LED多光谱匹配技术,研制了一种宽波段LED光源,将白光LED的光谱拓展至整个可见光波段。该方法为标准光源的研制提供了一条新的技术路线。实验结果表明,6种LED芯片与特制荧光粉所匹配的宽光谱LED具有良好的重复性和稳定性,光通量的重复性优于0.3%,色温的重复性为3 K,与白炽标准灯相当;用所研制的宽光谱LED作为标准灯标定红、绿、蓝、白LED的总光通量和色品坐标与白炽标准灯的偏差在不确定度范围之内。

光谱辐射照度标准灯的数据插值与曲线拟合方法研究

介绍了多种插值方法与曲线拟合方法,对光谱辐射照度标准灯在所需波长间隔上的照度值进行内插运算,包括这些方法的模型建立、参数计算及误差分析过程。得到了效果较好的插值方法及分段普朗克曲线拟合模型,其中拟合模型较好地体现了光谱辐射照度标准灯的灯丝发射率及灯壳的光谱透射比。最终结果的相对偏差接近国家级计量院提供标准灯的最佳不确定度0.2%。

长弧氙灯的特性及应用前景

详细介绍了长弧氙灯的结构、工艺、光电特性、击穿和点燃机理 ,总结出灯的几大特点 。