激光驱动荧光玻璃白光在植物照明中的光合光效与显色性平衡优化研究

研究人员针对植物工厂中光合光效(PLER)与显色指数(CRI)难以协同优化的难题，通过蓝光激光激发荧光玻璃(PiG)材料，结合透明竹材调控策略，实现了PLER(最高达683 plm/W)与CRI(>90)的协同提升，为高功率植物照明系统设计提供了创新解决方案。

　　

在人工光型植物工厂中，如何平衡植物生长所需的光合效率与人工照明的视觉舒适度，一直是农业照明领域的核心难题。传统LED光源存在效率衰减(efficiency droop)问题，而激光驱动照明虽能实现高功率密度，却面临光谱调控困难、热应力导致性能下降等挑战。特别是对于荧光玻璃(Phosphor-in-Glass, PiG)这类新型光转换材料，如何通过材料组合与结构设计同时优化光合光效(Photosynthetic Luminous Efficacy of Radiation, PLER)和显色指数(Color Rendering Index, CRI)，尚未有系统性研究。

福建省自然科学基金支持的研究团队在《Journal of Luminescence》发表的研究中，创新性地将蓝光激光器与YAG:Ce³⁺荧光玻璃材料结合，通过引入透明竹材扩散层和光谱比例优化算法，成功开发出兼具高PLER(683 plm/W)和优良CRI(>90)的植物照明系统。该研究不仅证实了激光驱动照明在农业领域的应用潜力，更为智能植物工厂的光环境设计提供了理论框架和技术路径。

关键技术方法包括：1) 采用473nm蓝光激光激发两种PiG材料(CASN和YAG:Ce³⁺)；2) 通过透明竹材调控光扩散特性；3) 建立基于遍历法的多目标优化模型，在红/黄/蓝光谱比例参数空间搜索PLER-CRI最优解；4) 系统测试不同功率密度(0.10-1.05mW)下的光谱功率分布(SPD)。

【相关光合参数】研究首先构建了PLER的理论计算模型，定义PLER为光合作用光谱(PAS)与光源SPD的卷积归一化值。通过数值模拟发现，当红光(600-650nm)与蓝光(473nm)强度比为1.5:1时，PLER可达最大值。

【光谱测量与数据分析】实验数据显示，YAG:Ce³⁺-PiG在1.05mW激光激发下，发光量子产率达92%，且热稳定性显著优于硅胶封装材料。透明竹材的引入使CRI提升15%，同时维持PLER在理想范围。

【结论】该研究突破性地实现了植物照明系统中光合效率与视觉质量的协同优化，证实激光-PiG组合在热稳定性(0.59W/m·K)和光谱可调性方面的独特优势。所提出的多目标优化方法为未来智能植物工厂的光环境设计提供了普适性框架。

这项工作的科学价值在于：首次系统揭示了PLER与CRI的定量权衡关系，开发出可同时满足植物光生物学需求和人类视觉评价的照明方案。从应用角度看，激光-PiG系统的高功率密度特性(无效率衰减)和长寿命优势，有望显著降低植物工厂的能耗与维护成本。研究团队特别指出，该技术路线对叶菜类作物工厂化生产具有直接应用前景，未来可通过模块化设计适配不同作物的光谱需求。