激光二极管(LD)照明优于LED

你知道吗？未来的农业可能不再依赖阳光，而是靠激光来“照亮”植物生长！2025年5月20日，东京大学与Stanley Electric公司的研究团队Frontiers in Plant Science发表的一项突破性研究表明，激光二极管(Laser Diode，LD)在促进植物光合作用和生长方面显著优于传统的发光二极管（LED），为室内垂直农场的发展开辟了新方向。

全球粮食危机下，室内园艺的破局之路

随着全球人口预计2050年突破97亿，70%人口将居住在城市，传统农业面临耕地减少、气候极端化的挑战。室内园艺凭借不受地理限制、可控环境等优势，成为解决粮食问题的关键方向。然而，人工光源的能效和成本一直是瓶颈——目前主流的LED光源虽比传统灯具更节能，但其宽光谱特性（通常覆盖50nm波段）无法精准匹配植物光合作用的 “最佳吸收窗口”。

LD的出现带来了转机。它能发出窄至10nm以下的单波长相干光，能量密度更高，且可通过光纤远程照射，避免植物冠层积热，天生适合密闭种植环境。

使用六种不同LED和LD光源处理的植物光谱用于测试其光合性能。虚线代表LED光源，实线代表LD光源。

核心发现：激光如何让植物 “吃得更饱，长得更快”？

研究团队以烟草、拟南芥和生菜为对象，对比了6种红光光源（4种LD和2种LED）的效果，发现波长660nm的激光二极管（LD 660）表现尤为突出：

光合效率跃升：LD660的净光合速率（Pn）比峰值664nm的LED（LED      664）高19.1%，气孔导度（gs）和水分利用效率（WUEi）也显著提升。这意味着植物能更高效地吸收二氧化碳，合成有机物。

光能利用更精准：LD660的半峰宽（FWHM）仅1.6nm，几乎完美对准叶绿素的红光吸收峰值（660nm左右），而LED664的FWHM达17.6nm，光谱能量更分散。窄光谱使得LDs的光化学效率（Y(II)）提高7.2%，PSII反应中心开放比例（qL）增加18.3%，光能转化为化学能的损耗更低。

碳水化合物积累显著：8小时光照后，LD660照射的烟草叶片淀粉含量比LED664高 18%，为植物生长提供了更充足的“能量储备”。

生物量与抗逆性双提升：连续照射12天后，LD660处理的烟草、拟南芥和生菜地上部干重分别是LED组的1.75倍、1.57倍和1.28倍，叶面积扩大1.7-2.3倍。更惊喜的是，面对连续光照胁迫，LD组植物的光抑制（NPQ）更低，叶绿素荧光参数更稳定，显示出更强的抗逆能力。

烟草、拟南芥和生菜植株在光合光子通量密度（PPFD）为150 μmol・m⁻²・s⁻¹的连续LED664或LD660光源下生长12天后的叶绿素荧光参数。（A）三种植物光系统II（PSII）电子传递量子效率[Y(II)]和非光化学淬灭（NPQ）的代表性图像。（B）三种植物Y(II)和NPQ对不同PPFD的响应曲线。（使用德国WALZ调制叶绿素荧光成像系统Maxi-Imaging-PAM测量）

为什么激光能成为植物生长的“光魔法”？

单波长相干光的奥秘：激光的光子具有相同频率和相位，能更有效地激发叶绿素分子，促进光系统 II（PSII）和光系统I（PSI）的电子传递链协同工作，减少能量浪费。

精准调控红光信号：植物光敏色素（Phytochrome）对红光/远红光比例敏感，LDs 的窄光谱可精准调节光形态建成。研究中LD660与LED664的光敏色素平衡值（PPE）相近，但LD组植物叶面积更大，可能与光诱导的细胞扩张和抗氧化能力增强有关。

物理特性优势：LD芯片体积仅微米级，可通过光纤灵活布置光源，解决传统LED灯具近距离照射的热损伤问题，尤其适合多层垂直农场的紧凑布局。

从实验室到农场：激光农业的未来图景

尽管目前LD的成本高于LED，但其高能效、长寿命、精准光谱的特性已展现出巨大潜力。

节能增效：在相同PPFD下，LD的电力-光能转换效率更高，尤其在高电流密度下优势显著，长期使用可降低能耗成本。

品质提升：窄光谱可能调控植物次生代谢，例如减少生菜在强光下的花青素积累（应激反应），有望培育更优质的作物。

场景拓展：结合光纤分布式照明，LD可实现“分层精准补光”，满足不同植物在不同生长阶段的光谱需求，甚至应用于太空种植等极端环境。

激光照亮垂直农业新未来

这项研究不仅揭示了LD在植物生理层面的优势，更预示着室内园艺的技术革新。随着半导体技术的进步，激光光源的成本有望逐步降低，未来或与LED形成互补——例如红光LD搭配蓝光LED，构建更高效的复合光谱系统。或许不久的将来，我们的餐桌上会出现更多“激光培育”的蔬菜，而垂直农场里一束束红色激光，将成为可持续农业的新“阳光”。

源自网络