太陽光直接抽運激光器系統(tǒng)及計算機模擬優(yōu)化

郝嘉胤，趙長明，徐 鵬，何 滔，王華昕，孫耀東

（北京理工大學光電學院，北京100081）

太陽光直接抽運激光器系統(tǒng)及計算機模擬優(yōu)化

郝嘉胤，趙長明*，徐 鵬，何 滔，王華昕，孫耀東

（北京理工大學光電學院，北京100081）

為了實現(xiàn)太陽光向激光的轉(zhuǎn)化，設計并搭建了采用兩級匯聚系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)。用菲涅耳透鏡作為第1級匯聚系統(tǒng)，以漫反射錐型腔作為第2級匯聚系統(tǒng)，采用Nd∶YAG作為工作物質(zhì)。在太陽光的入射功率密度大約為950W/m2時，實驗最高可得到13.3W的功率輸出。用LASCAD軟件對諧振腔進行模擬，得到了晶體棒工作時的溫度分布和折射率分布；通過改變參量，對系統(tǒng)進行優(yōu)化，得到了輸出功率隨腔長和輸出鏡反射率的變化規(guī)律，找到了最佳腔長為142mm，最佳輸出鏡反射率為91％。結(jié)果表明，通過調(diào)整腔長和輸出鏡反射率的大小，找到最佳值，可有效地提高太陽光直接抽運激光器的輸出功率。

激光器；系統(tǒng)優(yōu)化；LASCAD軟件；太陽光抽運激光器

引 言

當今社會，能源問題已經(jīng)成為一個比較嚴重的社會問題，隨著自然資源的短缺，找到無污染的新能源已經(jīng)成為整個人類面臨的重大考驗。太陽能取之不盡，用之不竭，并且無污染，是可以利用的新能源。其中，太陽光直接抽運激光器是一種極具前景的太陽能利用方式，它以太陽輻射能作為抽運源，把寬波段、非相干的太陽光轉(zhuǎn)換成窄波段、相干的激光，直接進行太陽光到激光的轉(zhuǎn)換，因其能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少、具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定和無污染等優(yōu)點而受到各國研究者的青睞［1］。

世界上第1臺太陽光抽運激光器出現(xiàn)于1963年［2］。之后，更多的太陽光抽運激光器被報道。1966年，YOUNG采用以拋物面反射鏡為主的兩級會聚系統(tǒng)作為太陽光會聚系統(tǒng)，抽運釔鋁石榴石晶體（neodymium-dopedyttriumaluminiumgarnet，Nd∶YAG）獲得了1W的連續(xù)激光輸出［3］。1988年，WEKSLER等人使用定日鏡和復合拋物面聚光器相結(jié)合的兩級會聚系統(tǒng)，側(cè)面抽運Nd∶YAG晶體，獲得了超過60W的穩(wěn)定激光輸出，能量轉(zhuǎn)換效率為1.2％［4］。2008年，日本的YABE等人用菲涅耳透鏡作為第1級匯聚系統(tǒng)，鍍鋁的錐形腔作為第2級匯聚系統(tǒng)，摻Cr3+和Nd3+的陶瓷棒作為工作物質(zhì)，得到了80W的功率輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為4.3％［5］。2011年，里斯本新大學的LIANG，用直徑0.9m的菲涅耳透鏡，直徑4mm的Nd∶YAG棒作為工作物質(zhì)，得到了12.3W的激光，相當于19.3W/m2的匯聚效率［6］。2012年，日本的YABE等人對原來的系統(tǒng)進行改進，將工作物質(zhì)換為Nd∶YAG晶體，并將錐形腔的水冷方式改為分腔水冷，使輸出功率提高到了120W，相當于30W/m2的匯聚效率，是目前最高的［7］。

作者對本實驗室的太陽光抽運Nd∶YAG激光器系統(tǒng)做了簡要的介紹，并用LASCAD軟件對實驗系統(tǒng)的諧振腔進行了模擬，分析了腔內(nèi)的各項參量，并對參量進行了優(yōu)化。

1 太陽光直接抽運激光器系統(tǒng)

作者實驗室搭建的太陽光直接抽運激光器系統(tǒng)如圖1所示。選擇菲涅耳透鏡作為第1級匯聚系統(tǒng)，錐形腔放置在菲涅耳透鏡焦點處作為第2級匯聚系統(tǒng)，通過端面抽運和側(cè)面抽運將太陽光進一步耦合到放置在錐形腔中的工作物質(zhì)上。整個系統(tǒng)安裝在電機驅(qū)動的太陽跟蹤平臺上，在完成聚光腔的準直之后，整套系統(tǒng)就保持不變，通過太陽跟蹤器驅(qū)動電機跟蹤太陽，就可獲得穩(wěn)定的激光輸出。

Fig.1 System photograph of laser pumped by solar directly

菲涅耳透鏡的尺寸為1.4m×1.05m（有效面積為1.3266m2），焦距為1.2m。太陽光的入射功率密度大約為950W/m2，焦斑處的功率為728W，焦斑直徑約為11mm，而錐形腔的口徑為?30mm，因此幾乎全部焦斑的能量都可以進入腔中。所用的腔為入口直徑30mm、出口直徑8mm的漫反腔。工作物質(zhì)選用的是Nd∶YAG晶體棒，尺寸為?8mm×100mm，前端鍍有1064nm的全反膜。再在晶體棒后端安置一個輸出鏡，即可實現(xiàn)激光輸出。工作時，整個錐形腔內(nèi)和晶體棒都進行水冷，以減小熱透鏡效應。如圖2所示，為整個裝置的工作原理圖。在太陽光的入射功率密度大約為950W/m2的條件下最高可得到13.3W的功率輸出。

Fig.2 Working diagram of laser pumped by sunlight directly

2 LASCAD軟件的模擬優(yōu)化

LASCAD是由德國LASCAD GmbH公司開發(fā)的激光器設計軟件。具有易用和友好的人機界面，它提供了熱學和光學之間復雜的多物理系統(tǒng)交互分析功能，這種功能通常用于激光晶體的熱效應分析。并可對激光器的諧振腔進行建模和優(yōu)化［8］。

Fig.3 Temperature distribution of crystal rod

通過LASCAD軟件，對太陽光直接抽運激光器的諧振腔進行模擬，得到了12.26W的輸出功率，與實際得到的最高功率13.3W相差不大。圖3為晶體棒的3維分布圖。由圖中可以看出，由于水冷作用，整個晶體棒的溫度并不高，尤其邊緣部分，基本與水溫一致，晶體棒內(nèi)外的溫差大約為30℃。

圖4為晶體棒橫截面上折射率分布曲線?？梢钥闯?，折射率的變化基本上是與溫度一致的，內(nèi)外的折射率變化比較大，因此整個晶體棒的熱透鏡效應比較明顯。

Fig.4 Refractiveindexdistributioncurveofthecrosssectionofthe crystalrod

實驗中所用的諧振腔腔長可調(diào)節(jié)范圍為128mm～138mm，實驗時采用的腔長為138mm。而輸出鏡的反射率為99％。可以考慮通過改變腔長和輸出鏡反射率來提高激光器的輸出功率。

Fig.5 Relationshipbetweenthecavitylengthandtheoutputpower

在不改變輸出鏡反射率的前提下，模擬不同腔長下的輸出功率，得到了一系列數(shù)據(jù)，繪制成的曲線如圖5所示。大于142mm的腔長已無法形成穩(wěn)定腔，因此142mm為允許的最大腔長。由圖中可以看出，隨著腔長的增加，輸出功率呈逐漸增大趨勢，在142mm處達到最大?？赡艿脑蚴请S著腔長的增加，諧振腔的模體積增大，即晶體棒中受到受激輻射的體積增加，有更多的被抽運到激發(fā)態(tài)的原子躍遷到基態(tài)而釋放出光子。雖然腔長的增加在一定程度上增大了諧振腔的損耗，但其對功率的增大作用要大于其損耗，所以激光的輸出功率隨腔長的增加而增大。

在保持原腔長的條件下，模擬不同的輸出鏡反射率對輸出功率的影響，得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖6所示。由圖可以看出，輸出鏡反射率對輸出功率的影響是比較大的，95％為最佳反射率。這樣的趨勢很好理解：當反射率很小時，工作物質(zhì)達不到閾值，輸出功率為0；當反射率為1時，沒有激光能夠輸出，輸出功率也為0。因此，中間必然有一個輸出功率最大的反射率。

Fig.6 Relationshipbetweentheoutputmirrorreflectivityandtheoutput powerwiththecavitylengthof138mm

同樣的輸出鏡反射率下，諧振腔在允許的最大腔長處輸出功率最高。模擬在最大腔長下不同輸出鏡反射率的輸出功率，找到諧振腔所能達到的最大輸出功率。如圖7所示，在輸出鏡反射率為0.91時，輸出功率可達到最大45.07W。因此，腔長142mm，輸出鏡反射率0.91為可調(diào)節(jié)參量的最佳值，此時激光器可輸出最大功率。

Fig.7 Relationshipbetweentheoutputmirrorreflectivityandtheoutput powerwiththecavitylengthof142mm

3 結(jié) 論

對太陽光直接抽運激光器系統(tǒng)進行了簡要的介紹，在太陽光的入射功率密度大約為950W/m2的條件下，最高可得到13.3W的功率輸出。通過LASCAD軟件的模擬，找到了輸出功率與腔長和輸出鏡反射率的關(guān)系：輸出功率隨腔長的增大而變大，在穩(wěn)定腔允許的最大腔長處達到最大；輸出功率隨輸出鏡反射率的變化是先增大后減小，在最佳反射率處達到最大；當諧振腔為最大腔長，輸出鏡反射率為與之對應的最佳反射率時，激光器可輸出最大功率。因此，本實驗系統(tǒng)還有提高的空間。下一步，將進行一系列實驗，以LASCAD軟件模擬的數(shù)據(jù)為參考，找到系統(tǒng)的最佳腔長和輸出鏡反射率。

［1］LUO P P，LIU Ch，XU P，et al.Solar pumped Nd∶YAG laser with Fresnel Lens［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38（10）：1002002（in Chinese）.

［2］SIMPSON G R.Continuous sun-pumped room temperature glass laser operation［J］.Applied Optics，1964，36（7）：1671-1678.

［3］YOUNG CG.A sun-pumped CW one-watt laser［J］.Applied Optics，1966，5（6）：993-998.

［4］WEKSLERM，SHWARTZ J.Solar-pumped solid-state lasers［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1988，QE24（6）：1222-1228.

［5］YABE T，BAGHERI B，OHKUBO T，et al.100W-class solar pumped laser for sustainable magnesium-hydrogen energy cycle［J］.Journal of Applied Physics，2008，104（8）：083104.

［6］LIANG D W，ALMEIDA J.Highly efficient solar-pumped Nd∶YAG laser［J］.Optics Express，2011，19（27）：26399-26405.

［7］DINH T H，OHKUBO T，YABE T，et al.120watt continuous wave solar-pumped laser with a liquid light-guide lens and an Nd∶YAG rod［J］.Optics Letters，2012，37（13）：2670-2672.

［8］ZHANG Q，WANG Y F，HOU JY，et al.Simulation and experimentation of high power high repetition U folded resonator laser［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23（4）：943-948（in Chinese）.

Lasersystemspumpedbysunlightdirectlyandcomputersimulationoptimization

HAOJia-yin，ZHAOChang-ming，XUPeng，HETao，WANGHua-xin，SUNYao-dong
（SchoolofOptoelectronics，BeijingInstitudeofTechnology，Beijing100081，China）

Inordertoachievetheconversionfromthesunlighttothelaser，two-levelaggregationexperimentalsystem wasdesignedandbuilt.BychoosingaFresnellensasthefirstlevelofaggregationsystem，thediffusereflectancetapered cavityasthesecondlevelofaggregationsystemandNd∶YAGastheworkingsubstance，theexperimentalmaximumpower outputwas13.3Wavailable，whenthesunlightincidentpowerwasabout950W/m2.Inordertooptimizetheexperimental systemandimprovethepoweroutput，theresonantcavitywassimulatedbyLASCADsoftware.Thetemperaturedistribution andtherefractiveindexdistributionduringtheworkingofthecrystalrodwereobtained.Thesystemwasoptimizedby changingtheparameters.Thevariationoftheoutputpoweralongwiththecavitylengthandtheoutputmirrorreflectivity，thebestcavitylengthof142mmandtheoutputmirrorreflectivityof91％wereobtained.Theresultsshowthattheoutput powerofthelaserpumpedbysunlightdirectlycanbeimprovedeffectivelybyadjustingthecavitylengthandtheoutput mirrorreflectivityandthebestvaluecanbeachieved.

lasers；systemoptimization；LASCADsoftware；solarpumpedlaser

TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.005

1001-3806（2013）04-0437-04

郝嘉胤（1987-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事空間太陽能電站方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：zhaochangming＠bit.edu.cn

2012-11-09；

2012-12-03