太阳能直接泵浦式激光器

1、太阳能直接泵浦式激光器太阳能直接泵浦式激光器高伟清,(1.合肥工业大学光电技术研究院特种显示技术教育部重点实验室,合肥230009;2.中国科技大学物理系,合肥230026)摘要:太阳能是洁净的可再生能源,利用它来直接泵浦激光工作物质产生激光,即为太阳能直接泵浦式激光器.本文阐述了太阳能泵浦激光器的发展历程,介绍了太阳光的成像采集和非成像采集系统以及太阳能激光器的泵浦方式,并分析了掺Nd和Cr/Nd共掺材料等激光工作物质的性能.最后经过分析,认为Cr/Yb共掺双包层光纤在太阳能泵浦激光器方面具有很大的应用潜力.关键词:太阳能泵浦;成像采集;非成像采集;光纤激光器Solar-PumpedLase

2、rsGAOWei-qing(1.KeyLaboratoryofSpecialDisplayTechnologyofMinistryofEducation,AcademyofOptoElectronicTechnology,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.DepartmentofPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)Abstract:Solarresourceiscleanandcanberegenerated.Solarpumpedlas

3、erisrealizedthroughpumpingoperationmaterialbysolarenergydirectly.Inthispaper,thehistoryofthedevelopmentofsolarpumplaserisnarrated,andtheimagingandnonimagingconcentrationsystemsareintroduced.Thepumpschemeandoperationmaterialarepresented,suchasNddopedandCr/NdCOdoped.materials.Besides.theconclusioniSdr

4、awnthattheCr/YbCOdopeddoublechdfibercanbeusedastheoperationmaterialofsolar-pumpedlaser.Keywords:solarpump;imaging;non-imaging;opticalfiberlaser1引言在人类可能利用的自然能源中,太阳能的规模是最大的.为了有效利用宇宙空间的太阳能.世界鱼上许多国家目前正全力实施在卫星轨道上设置空间太阳能发电站的计划.太阳能是洁净可再生能源.而且其蕴藏量巨大,开发利用太阳能具有广阔的前景.目前,太阳能的应用主要包括2个方面,一是太阳热能的直接利用,如太阳能热水器,太阳能高温

5、冶炼炉等;二是太阳能发电,其中主要是光伏电池发电.但是这些应用存在着效率低,耗材大和产生污染等问题.太阳能直接泵浦式激光器就是利用太阳能直接泵浦激光工作物质,无需进行中间的光电转换,具有效率高,结构简单,性能稳定以及无污染等优点【”.太阳能激光器最早是由美国普林斯顿RCA实验室的Z.J.Kiss等人于1963年实现的嘲,当时采用的工作物质是放置在27K液氖中的caDy2+.1966年,美国光学公司的C.G.Yong利用Nd:YAG晶体作为工作物质,在1.06Ixm波段得到lW的连续激光输出网,但是激光器的光一光转换效率低于1%.1988年.以色列Weizmann研究所的M.Weksler和J.

6、Shwaaz根据自己的理论模型预计在GSGG晶体中共掺Nd和Cr,可实现转换效率高于10%的太阳能泵浦激光器【.1994年.美国NASA的GeoffreyA.Landis预计太阳能泵浦的半导体激光器效率将超过35%圆.2004年,日本大阪大学TakuSaiki等人研制了太阳能泵浦的双包层光纤激光器,其光一光转换效率为25%问.2005年11月.T.Saiki等人利用金属卤化物灯模拟太阳光泵浦掺Cr的Nd3+:YAG晶体.获得了30%的光一光转化效率【”.目前,美国,日本,德国以及以色列等国家都开展了对太阳能直接泵浦式激光器的研究17-91,我国在太阳能电池以及太阳能采集等方面也进行了很多研究,

7、但关于太阳能直接泵浦式激光器方面的工作还涉及的很少.2太阳光的采集并不是太阳光直接照射到激光介质上就能产生激光.要达到激光器的激发阈值,需要用于泵浦的太阳光达到一定的密集度.因此在太阳能泵浦的激光器中,太阳光的采集系统显得尤为重要.太阳能直接泵浦式激光器的能量转换方式是光一光转换.因此采用全光学方法的采集系统更为合适,其采集系统主要有成像采集和非成像采集2大类.2.1成像采集成像采集即通过抛物面镜,Cassegrain望远镜以及Fresnel棱镜等光学元件将太阳光成像到激光介质上进行泵浦.C.G.Yong研制的太阳能泵浦激光器就是采用抛物面镜对太阳光进行成像采集,如图1所示31.抛物面镜直径为

8、61cm,激光介质放在焦点位置.该系统结构简单,无需进行能量转换直接泵浦产生激光.图2所示为Cassegrain望远镜成像采集系统【n】,太阳光经过凹面镜和凸面镜成像到BB位置.通过调节凹面镜和凸面镜的间距可以调节成像面积的大小.抛物面镜和Cassergrain望远镜这样的成像采集系统对镜面的精度要求很高,即使镜面有很小的误差都会导致太阳光能量的损耗,并使光束变得不均匀.如果采用Fresnel透镜采集太阳光,对镜面精度的要求要远低于抛物面镜,并且Fresnel透镜还具有孔径大和体积小等优点.如图3所示,即使在镜面误差达到10.时.依然能够极佳地成像,因此JLaserlightoutput图1抛

9、物面镜成像采集系统图2Cassegrain望远镜成像采集系统,】Irr.omeinfo.tom 17June2008戮Solar,/Perfect由印e嚣图3Fresnel透镜太阳光采集系统Fresnel透镜可以更好地采集太阳光【埘.2.2非成像采集太阳能采集系统设计的主要目的就是为了得到尽可能高的太阳能密集度,理论上这个密集度存在一个极限.成像采集系统不能达到这个极限【,而非成像采集系统已被证明能达到太阳能密集度的理论极限.非成像采集系统中效率最高的是复合抛物面集中器(CompoundParabolicConcentrators,CPC),它是1974年由美国芝加哥大学的R.Winston发

10、明的.图太阳能采集系统,第1级采用成像采集系统提高入射孑L径,第2级采用CPC提高密集度,如图5所示口”.入射角为0i的光线经抛物面镜反射后汇聚与B点,离轴的垂直距离为b,因此光束的直径为26.为了与第1级匹配,第2级的CPC集中器输入孑L径为26,并且能够将所有入射角度在±范围内的太阳光收集起来.因此整个系统能收集的太阳光范围由第1级抛物面镜决定,而系统能达到的密集度由第2级CPC决定.!璺02暑磊.暑墓暑:量图4CPC结构图图6端面泵浦太阳能激光器银箔的外包层,将太阳光约束在外包层内,Nd:YAG的端面镀膜形成谐振腔.这种端面泵浦的缺点是不能同时对多根激光介质进行泵浦.另外,在太

11、阳能直接泵浦式激光器中,没有被激光介质吸收的太阳光大部分转化成热能,如果不采取散热措施的话,将会在激光介质中产生热透镜效应,进而破坏激光在腔内的传输,降低光束质量并且导致系统的工作效率下降.因此,在太阳能激光器中采取散热措施是必须的,而在端面泵浦方式中,由于太阳光是从一端入Solarlightin(a)Asinglerod2DCPC射的.这就使得该端的激光介质温度过高,并且会导致整个激光介质上的温度分布不均匀,严重情况下会使介质棒破裂,在大功率情况下不利于采取散热措施.采用侧面泵浦就可以很好地解决这一问题,图7fa1所示为侧面泵浦结构,由于太阳光从侧面注入.整个激光介质上的温度分布比较均匀,比

12、较方便采用散热措施.侧面泵浦还可以同时对多根激光介质进行泵浦,得到更大的功率输出,如图7(b)所示为对4根Nd:YAG棒同时泵浦的示意图.SolarlightinAluminumsilvercoatedfoil(b)A4一md2D-CPC图7侧面泵浦太阳能激光器4激光工作物质到目前为止,各国的研究人员已经利用多种材料实现了太阳能泵浦激光器,其中包括Nd:YAG,Cr:Nd:GSGG,翡翠玉,红宝石,碘和染料等【15q,另外.还有以气体和半导体为工作物质的太阳能激光器51.固体工作物质中的掺杂元素有Nd,Cr,Er,Tm和Ho等,二蚕爱吾3504505506507508509501050A/nm

13、clustertube其中主要以掺Nd和Nd/Cr共掺为主.能够用来作为太阳能激光器的工作物质.必须具备以下几个条件:能够高效吸收太阳光作为泵浦光:具有一定的光一光转换效率;能够在室温下工作,并且具有良好的散热特性;机械性能较好,能够在恶劣的环境下工作.4.1掺Nd工作物质室温下N的吸收谱和发射谱分别如图8(a)和(b)置暑苣詈三(a)吸收光谱图8Nd:YAG中N的吸收光谱和发射光谱A/nm(b)发射光谱omeinfo.tom 19June2O08所示17-18在350nm,525nm,585nm,750nm,810nm和870nm处均有吸收带,且在0.870.95xm和1.051.12Ixm范围内均有荧光谱带.由于在1.06处的荧光最强,激光的主要振荡线在1.06m附近.太阳光谱如图9所示问,因此Nd能有效地吸收300喜藿趸图9太阳光谱(a)吸收光谱1000nm范围的太阳光.基于上述原因,掺Nd材料可用来作为太阳能泵浦激光器的工作物质.4.2Cr和Nd共掺的工作物质为了提高太阳能泵浦激光器的光一光转换效率,需要提高工作物质对太阳光的吸收.由于从三价铬离子Cr3+到N