高聚光效率的太陽光泵浦Nd∶YAG激光器

房 丹，谷開慧，邢淑芝，齊曉宇，梁 明，李 含，劉 璐

（長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院 光電科學(xué)分院，吉林 長春 130000）

高聚光效率的太陽光泵浦Nd∶YAG激光器

房 丹，谷開慧，邢淑芝，齊曉宇，梁 明，李 含，劉 璐

（長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院 光電科學(xué)分院，吉林 長春 130000）

太陽光泵浦式激光器將非相干的太陽光直接轉(zhuǎn)化成相干的激光，既可以提高轉(zhuǎn)換效率、節(jié)省能源，又可以使得整個裝置簡化.由于太陽光功率密度達(dá)不到直接抽運(yùn)激光器的需求，所以需要高效的聚光系統(tǒng)，來實現(xiàn)泵浦激光器所需的閾值要求.本文利用菲涅爾透鏡和錐型場鏡組成的高效聚光系統(tǒng)，使太陽光可以更高效的耦合進(jìn)入泵浦腔，抽運(yùn)Nd∶YAG晶體，通過模擬得到聚光系統(tǒng)收集的太陽光，聚光比達(dá)到104，增大了泵浦率，產(chǎn)生較高的激光輸出功率.

激光器；太陽光；菲涅爾透鏡；錐形場鏡

隨著全球氣候的變暖，人類生存環(huán)境的惡化，對新型能源和清潔能源的需求變得越來越迫切.太陽能是地球上取之不盡，用之不竭的可再生清潔能源，充分利用太陽能是現(xiàn)在人們開發(fā)清潔能源的一個立足點(diǎn).

自從1965年第一臺紅寶石激光器誕生以后，人們就提出了太陽光直接泵浦激光器的概念［1］.太陽光泵浦式激光器，通過將非相干的太陽光直接轉(zhuǎn)化成相干的激光，省去了中間光-電-光的轉(zhuǎn)化過程.這樣的結(jié)構(gòu)，既可以提高轉(zhuǎn)換效率、節(jié)省能源，又可以使得整個裝置簡化，便于實驗操作.太陽光泵浦式激光器作為太陽能利用領(lǐng)域的一項新的應(yīng)用，其發(fā)展優(yōu)勢是顯而易見的.

長春地區(qū)日照最強(qiáng)時的平均太陽光功率密度為850 W／m2，如果直接照射工作物質(zhì)，是不能達(dá)到激光的閾值而產(chǎn)生激光.只有經(jīng)過高倍聚光比的聚光系統(tǒng)的重新分布，太陽光才能用來做為泵浦激光器產(chǎn)生激光的泵浦源.所以本文提出，利用菲涅耳透鏡和錐形場鏡組成高效聚光系統(tǒng)，泵浦Nd∶YAG晶體，來獲得較高的光轉(zhuǎn)換效率和收集效率，為進(jìn)一步研究和利用太陽能奠定實驗和理論基礎(chǔ).

1 太陽光泵浦激光器系統(tǒng)

圖1為太陽光泵浦Nd∶YAG激光器系統(tǒng)示意圖.直接入射的太陽光經(jīng)過菲涅耳透鏡后會聚到焦點(diǎn)處，由于菲涅耳透鏡收集太陽光受色差的影響，使得不同波長的光焦點(diǎn)不同，這樣就擴(kuò)大了焦點(diǎn)處光斑的區(qū)域，所以在焦點(diǎn)處得到的光斑直徑較大，光功率密度較小，很難使得焦點(diǎn)處的太陽光充分耦合到工作物質(zhì)上輸出激光.所以，為了得到更高的耦合效

率，在菲涅耳透鏡焦點(diǎn)處安裝了第二級聚光系統(tǒng)---錐形場鏡進(jìn)行再會聚，以提高光功率密度.太陽光經(jīng)過由菲涅耳透鏡和錐形場鏡組成的高倍聚焦聚光系統(tǒng)后，光斑尺寸變小，為更好與小尺寸的工作物質(zhì)方式，Nd∶YAG晶體（摻雜濃度為Nd3+：1at.%）充分相耦合，有效的抑制高階模的產(chǎn)生，實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換率，本實驗采用端面泵浦方式，主要是因為泵浦光都能由會聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失相對較少，同時由它產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式匹配的效果好，工作物質(zhì)對泵浦光的利用率也相對高［2］，因此端面泵浦方式輸出的激光束具有高質(zhì)量、高亮度以及高轉(zhuǎn)換率等優(yōu)勢.

圖1 太陽光泵浦激光器系統(tǒng)示意圖

圖2為太陽光抽運(yùn)激光器系統(tǒng).本實驗采用面積為0.98×1.2 m2，焦距 f為 1.3 m，透光范圍在300～1 000 nm波段的菲涅耳透鏡作為一級聚光系統(tǒng)收集太陽光；采用入射口徑為35 mm，出射口徑為8 mm，長度為90 mm的圓錐形，內(nèi)表面為漫反射面的錐形場鏡作為二級聚光系統(tǒng)進(jìn)一步收集、聚焦太陽光；采用腔長為120 mm的平平腔作為泵浦腔，摻雜濃度為 Nd3+：1at.%，直徑5 mm，棒長80 mm，一端鍍有1 064 nm的高反膜（R＞99%），另一端鍍有1 064 nm增透膜的Nd∶YAG晶體棒作為工作物質(zhì).選擇Nd∶YAG的原因是吸收譜大部分在太陽光譜的可見光范圍內(nèi)［3］.但為了提高效率我們還是在泵浦腔的入口處放置濾波片，濾除紅外和紫外光.同時為了減少熱效應(yīng)，采用水冷方式散熱，水冷管直徑10 mm，管中摻入有機(jī)溶液，可以濾除掉不需要的波段，減少熱負(fù)荷.圖3為最后輸出的激光頭裝置，通過光功率計和光譜儀來監(jiān)測輸出的激光功率.

圖2 太陽光抽運(yùn)激光器系統(tǒng)

圖3 激光頭裝置

2 實驗結(jié)果

2.1 菲涅耳透鏡性能測試

通過測量菲涅耳透鏡焦點(diǎn)處的會聚太陽光功率及功率密度來評估該透鏡的性能.將光功率計放置在菲涅耳透鏡焦點(diǎn)處，在太陽光功率密度為850 W／m2時（測量連續(xù) 3小時的太陽光功率10∶40-13∶40），實測太陽光平均功率密度為850 W／m2），菲涅耳透鏡在其有效面積上接收到的太陽光功率為845 W，焦點(diǎn)處實測功率為621 W，聚光效率接近73%，由此可以證明本文使用的菲涅耳透鏡的聚光效率能夠?qū)⑻柟鈺鄣脚c理論（85%）［4］基本相符的情況.

假定入射太陽光的平均波長為 600 nm（由于Nd∶YAG晶體對于可見光波段有不同的吸收系數(shù)，所以假設(shè)入射的平均波長為600 nm），利用Tracepro軟件模擬測得的菲涅耳透鏡焦點(diǎn)處太陽光斑功率空間分布（如圖4所示），并計算得到焦點(diǎn)處光斑的半高寬約為14 mm，以及采用定向跟蹤太陽光后模擬得到的菲涅耳透鏡的光線追跡（如圖5所示）.

圖4 菲涅耳透鏡輸出的光功率分布圖

圖5 菲涅耳透鏡的光線追跡

2.2 錐形場鏡性能測試

由于利用菲涅耳透鏡聚焦太陽光存在很大程度的色差，為了提高焦點(diǎn)處太陽光與激光器工作物質(zhì)的耦合效率，采用二級聚光器---錐形場鏡.錐形場鏡的前口徑為 100 mm，后口徑為50 mm，長度為 120 mm，腔由 Al材料構(gòu)成，內(nèi)壁鍍有高反膜，反射率為90%.通過Tracepro軟件模擬測得的錐形場鏡出口處太陽光斑功率空間分布（如圖 6所示），以及采用定向跟蹤太陽光后模擬得到的錐形場鏡的光線追跡（如圖7所示）.由光線追跡圖可以看出，只要錐形場鏡的長度和角度選擇適合，可以得到更小的輸出光斑，得到更高的功率密度.對比模擬圖（圖4-圖7）得到：在菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)處，最大的功率密度為 1.52× 1010W／m2，平均功率密度為 4.13×106W／m2.在錐形場鏡的輸出端光斑的最大功率密度為 4.15× 1010W／m2，平均功率密度為 9.12×106W／m2.經(jīng)過二次聚光后，聚光比達(dá)到104（場鏡輸出端平均功率密度 9.12×106W／m2與太陽光平均功率密度850 W／m2的比），得到了很大幅度的提高，功率密度提高近2倍.實測輸出口光功率為346 W，傳輸效率接近56%.所以利用錐形場鏡，可以有效的提高照射到工作物質(zhì)上的太陽光功率密度，且減小光斑的半徑，更有利于與小尺寸的工作物質(zhì)相匹配，來實現(xiàn)高性能的激光輸出.

圖6 錐形場鏡輸出的光功率分布圖

圖7 錐形場鏡的光線追跡

2.3 激光輸出性能測試

本文通過光輸出功率與輸入功率的函數(shù)關(guān)系曲線圖來評估太陽光泵浦激光器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率.由于輸入的太陽光功率密度為固定值，無法改變，因此通過用遮光屏從下至上遮擋部分菲涅耳透鏡，改變其有效會聚面積的方法來改變?nèi)肷涔β蚀笮?通過測量在相同太陽光功率密度下，輸出耦合鏡反射率 R分別為90%，95%，98%的情況下，得到不同的輸出激光功率.入射光功率和激光輸出功率的函數(shù)關(guān)系如圖 8所示.由實驗結(jié)果可知，在入射的太陽光功率密度為850 W／m2時，由聚光系統(tǒng)的錐形場鏡出口處輸出的光功率為 346 W，耦合泵浦腔的工作物質(zhì)，經(jīng)反射率為95%的輸出耦合鏡，可獲得最大激光輸出功率2.8 W，這時進(jìn)入泵浦腔的太陽光到激光的轉(zhuǎn)換效率為 0.81%，斜率效率為 1.49%，收集效率2.8 W／m2.由圖 8還可得到，當(dāng)入射進(jìn)入腔內(nèi)的太陽光為158 W時有激光振蕩產(chǎn)生，與實際計算的工作閾值基本相符［5］.

圖8 錐形場鏡出口處太陽光功率與激光輸出功率的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

太陽光泵浦式激光器系統(tǒng)通過由菲涅耳透鏡和錐形場鏡組成的高效聚光系統(tǒng)，有效的提高了泵浦光的功率密度，聚光比達(dá)到104.采用端泵的方式，充分利用了泵浦光，使其更有效的激勵工作物質(zhì)，獲得更大的激光輸出.利用小直徑的工作物質(zhì)，可以有效的抑制高階模的產(chǎn)生，獲得較好質(zhì)量的激光輸出.最終得到2.8 W的激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率0.81%，斜率效率為1.49%，收集效率約為2.8 W／m2.雖然指標(biāo)還存在不足，但是為后續(xù)設(shè)計大功率太陽光泵浦激光器的工作提供了堅實的理論基礎(chǔ)和實驗手段.

雖然太陽光泵浦式激光器在很多方面還沒實現(xiàn)人們的需求，但是其發(fā)展前景不可忽視.通過后續(xù)工作，著重在陣列激光工作物質(zhì)、更高效的收集聚光系統(tǒng)、對可見光吸收率更高的工作物質(zhì)（鈦寶石，陶瓷晶體）［6］等方面的研究，有望在轉(zhuǎn)換效率方面得到突破，進(jìn)而得到大功率，高轉(zhuǎn)換率，高收集率的太陽光泵浦式激光器.

［1］ Young C G.A Sun-pumped Cw One-watt Laser［J］.Applied Optics，1966，5（6）：993-997.

［2］ 羅萍萍，劉誠，徐鵬，等.使用菲涅耳透鏡的太陽光抽運(yùn)Nd：YAG激光器［J］.中國激光，2011，38（10）：1002002-1-1002002-5

［3］ Weksler，M.Shwartz.Solar-pumped solid-state lasers［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1988，24（6）：1222-1228.

［4］ 何建偉，趙長明，楊蘇輝，等.太陽光直接抽運(yùn)的 Nd∶YAG激光器［J］.中國激光，2009，36（1）：255-256.

［5］ Lando M，Shimony Y，Benmair R M J，et al.Visible Solar-Pumped Lasers［J］.Optical Materials，1999，13，111-115.

［6］ Zhao Bin，Zhao Changming，He Jianwei，et al.The study of active medium for solar-pumped solid-statelasers［J］.Acta Optica Sinica，2007，27（10）：1797-1801.

Highly efficient concentration system of solar pumped laser

FANG Dan，GU Kai-hui，XING Shu-zhi，QI Xiao-yu，LIANG Ming，LI Han，LIU Lu
（Department of Optical and Electronical Science，College of Optical and Electronical Information，Changchun University of Science and Technology，Changchun，Jilin 130000，China）

A direct conversion of concentrated solar radiation into a coherent laser beam can be used to improve the conversion efficiency because of the design simplicity on structure.To surpass the lasing threshold，the solar radiation needs to be highly concentrated.The high efficient concentration system is composed by the Fresnel lens and the cone-channel condenser.The solar concentrated by the concentrator system is coupled into the chamber pumping Nd∶YAG laser media.The concentrator ratio is 104，improving the output of laser.

lasers；solar；Fresnel lens；cone-channel condenser

O 432.12

A

1000-0712（2016）11-0029-04

2015-11-04；

2016-04-25

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目資助

房丹（1982-），女，吉林省長春人，長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院講師，博士，主要從事量子光學(xué)和激光物理研究和教學(xué)工作.

谷開慧，Email：guba510＠126.com