基于非线性多光子吸收效应的叶片光合色素含量检测方法技术

本发明专利技术公开了基于非线性多光子吸收效应的叶片光合色素含量检测方法，该方法利用Z

【技术实现步骤摘要】
基于非线性多光子吸收效应的叶片光合色素含量检测方法


[0001]本专利技术属于检测
，具体涉及一种基于非线性多光子吸收效应的叶片光合色素含量检测方法。

技术介绍

[0002]植物光合作用效率是影响农作物生长的最重要因素之一，而作为吸收、传递和转化光能的光合色素对光合作用的影响显而易见。由此可见，精准实时检测光合色素含量对农作物生长意义重大。
[0003]目前植物光合色素的含量检测缺乏现代化的手段，属于亟待解决的难题。早期检测光合色素含量的方法大部分是化学检测为主，存在明显缺陷，即有损检测、离体检测，而且也不能实现实时检测，但是由于该方式的检测精度较高，之后通常用于验证新的检测方法的精度。到20世纪后期，基于线性吸收光谱技术的色素含量检测方法得到研究，可惜的是，该方法存在天然缺陷——色素的光谱曲线难以分离，大多采用预估的方式来得出结果，并不能实现精准检测，导致了光学技术在光合色素检测方面处于先进有余但实则低效的现状。
[0004]基于非线性多光子吸收效应是一种能够瞬时吸收多个光子的非线性吸收过程，属于三阶非线性效应。光的吸收过程主要分为两类，一种是线性吸收，即在弱光照射下，改变入射光的强度，材料对光的吸收系数是一个不变的常数。另一种是非线性吸收过程，即在强光照射下，被测物质吸收过程的系数会随着激光强度的变化而变化，两者之间具有非线性关系。非线性多光子吸收效应补充了介质的激发态信息，为得到介质的非线性吸收系数提供了重要信息。
[0005]光合色素的线性吸收波长位于可见光波段，吸收光谱曲线混叠，传统的化学检测方法难以无损快速的检测叶片光合色素含量，而传统的线性光学检测方法不能实测叶片中的光合色素含量。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有传统叶片中光合色素检测方法的低效、精准度低、有损检测等问题，提供一种能够快速精准实测的叶片光合色素含量的检测方法。
[0007]本专利技术基于非线性多光子吸收效应的叶片光合色素含量检测方法，具体如下：
[0008]第一步、确定待测叶片中叶绿素a的含量：使用波长可调谐的飞秒激光器作为激光光源出射1291～1326nm波长的激光，激光经聚焦透镜聚焦后射到由夹具夹持的待测叶片上，光功率计记录透过待测叶片的功率；然后，通过移动平台带动夹具在聚焦透镜焦点附近移动，光功率计记录在不同位置处透过待测叶片的功率，将各位置处透过待测叶片的功率除以激光入射功率，求得各位置处待测叶片的激光透过率；接着，采用多光子吸收归一化透过率计算公式进行数据拟合求得待测叶片对应的多光子吸收系数值，若得到两光子吸收系数，则识别出待测叶片含有叶绿素a，根据多光子吸收截面的计算公式求解叶绿素a在待测
叶片中的浓度，否则执行下一步；
[0009]第二步、确定待测叶片中叶绿素b的含量：使用波长可调谐的飞秒激光器作为激光光源出射1936～1988nm波长的激光，激光经聚焦透镜聚焦后射到由夹具夹持的待测叶片上，光功率计记录透过待测叶片的功率；然后，通过移动平台带动夹具在聚焦透镜焦点附近移动，光功率计记录在不同位置处透过待测叶片的功率，将各位置处透过待测叶片的功率除以激光入射功率，求得各位置处待测叶片的激光透过率；接着，采用多光子吸收归一化透过率计算公式进行数据拟合求得待测叶片对应的多光子吸收系数值，若得到四光子吸收系数，则识别出待测叶片含有叶绿素b，根据多光子吸收截面的计算公式求解叶绿素b在待测叶片中的浓度，否则执行下一步；
[0010]第三步、确定待测叶片中β
‑
胡萝卜素以及叶黄素的含量：使用波长可调谐的飞秒激光器作为激光光源出射891～900nm波长的激光，激光经聚焦透镜聚焦后射到由夹具夹持的待测叶片上，光功率计记录待测叶片的功率；然后，通过移动平台带动夹具在聚焦透镜焦点附近移动，光功率计记录在不同位置处透过待测叶片的功率，将各位置处透过待测叶片的功率除以激光入射功率，求得各位置处待测叶片的激光透过率；接着，采用混合色素线性吸收系数计算公式求得待测叶片总的线性吸收系数值，再采用多光子吸收归一化透过率计算公式进行数据拟合计算求得待测叶片对应的总体两光子吸收系数值，且采用多光子吸收归一化透过率计算公式进行数据拟合计算求得待测叶片对应的总体三光子吸收系数值；进而采用多光子吸收截面的计算公式求得叶绿素a的两光子吸收系数和叶绿素b的两光子吸收系数，再将总的两光子吸收系数减去叶绿素a的两光子吸收系数以及叶绿素b的两光子吸收系数，得到β
‑
胡萝卜素的两光子吸收系数，再采用多光子吸收截面的计算公式计算出β
‑
胡萝卜素在待测叶片中的浓度；最后，采用多光子吸收截面的计算公式求得叶绿素a的三光子吸收系数和叶绿素b的三光子吸收系数，再将总的三光子吸收系数减去叶绿素a的三光子吸收系数以及叶绿素b的三光子吸收系数，得到叶黄素的三光子吸收系数，再采用多光子吸收截面的计算公式计算出叶黄素在待测叶片中的浓度。
[0011]优选地，所述的多光子吸收归一化透过率采用如下公式计算：
[0012][0013]其中，α
n
是n光子吸收系数，I0是聚焦透镜焦点处的光强度；样品有效厚度L
eff
＝[1
‑
exp(
‑
(n
‑
1)α0L)]/(n
‑
1)α0，L是样品的实际厚度，α0是线性吸收系数；z是样品与聚焦透镜焦点的距离；z0＝πω
02
/λ是瑞利长度，λ是波长，ω0是焦点处的峰值功率。
[0014]优选地，所述多光子吸收截面的计算公式如下：
[0015][0016]其中，σ
n
是多光子吸收截面，α
n
为n光子吸收系数，h是普朗克常量，ν是光子频率，d0是样品浓度，N
A
是阿伏伽德罗常数。
[0017]优选地，所述的混合色素线性吸收系数计算公式如下：
[0018][0019]其中，I是待测叶片的输出光强度，I0是聚焦透镜焦点处的光强度，α
′0是混合色素
总的线性吸收系数，L是待测叶片的实际厚度。
[0020]本专利技术具有的有益效果：
[0021]本专利技术设计光路系统，基于Z
‑
scan技术，利用多光子吸收效应，避开可见光波段，使用近红外波段检测光合色素含量，通过多光子吸收参数与光合色素含量的关系计算，能实现快速、精准、无损、实时地检测植物叶片中光合色素含量，突破了现有技术无法实时检测叶片光合色素含量的技术瓶颈，为新一代植物叶片光合色素含量检测技术提供了一种全新的方案。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的流程图；
[0023]图2为本专利技术搭建的检测装置示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0025]如图1所示，基于非线性多光子吸收效应的叶片光合色素含量检测方法，具体如下：
[0026]第一步、确定待测叶片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非线性多光子吸收效应的叶片光合色素含量检测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：第一步、确定待测叶片中叶绿素a的含量：使用波长可调谐的飞秒激光器作为激光光源出射1291～1326nm波长的激光，激光经聚焦透镜聚焦后射到由夹具夹持的待测叶片上，光功率计记录透过待测叶片的功率；然后，通过移动平台带动夹具在聚焦透镜焦点附近移动，光功率计记录在不同位置处透过待测叶片的功率，将各位置处透过待测叶片的功率除以激光入射功率，求得各位置处待测叶片的激光透过率；接着，采用多光子吸收归一化透过率计算公式进行数据拟合求得待测叶片对应的多光子吸收系数值，若得到两光子吸收系数，则识别出待测叶片含有叶绿素a，根据多光子吸收截面的计算公式求解叶绿素a在待测叶片中的浓度，否则执行下一步；第二步、确定待测叶片中叶绿素b的含量：使用波长可调谐的飞秒激光器作为激光光源出射1936～1988nm波长的激光，激光经聚焦透镜聚焦后射到由夹具夹持的待测叶片上，光功率计记录透过待测叶片的功率；然后，通过移动平台带动夹具在聚焦透镜焦点附近移动，光功率计记录在不同位置处透过待测叶片的功率，将各位置处透过待测叶片的功率除以激光入射功率，求得各位置处待测叶片的激光透过率；接着，采用多光子吸收归一化透过率计算公式进行数据拟合求得待测叶片对应的多光子吸收系数值，若得到四光子吸收系数，则识别出待测叶片含有叶绿素b，根据多光子吸收截面的计算公式求解叶绿素b在待测叶片中的浓度，否则执行下一步；第三步、确定待测叶片中β
‑
胡萝卜素以及叶黄素的含量：使用波长可调谐的飞秒激光器作为激光光源出射891～900nm波长的激光，激光经聚焦透镜聚焦后射到由夹具夹持的待测叶片上，光功率计记录待测叶片的功率；然后，通过移动平台带动夹具在聚焦透镜焦点附近移动，光功率计记录在不同位置处透过待测叶片的功率，将各位置处透过待测叶片的功率除以激光入射功率，求得各位置处待测叶片的激光透过率；接着，采用混合色素线性吸收系数计算公式求得待测叶片总的线性吸收系数值，再采用多光子吸收归一化透过率计算公式进行数据拟合计算求得待测叶片对应的总体两光子吸收系数值，且采用多光子吸收归一化透过率计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏凯华，陈博謇，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：