房 丹，谷開慧，邢淑芝，齊曉宇，梁 明，李 含，劉 璐

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

高聚光效率的太陽(yáng)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(zhǎng)春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院 光電科學(xué)分院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

太陽(yáng)光泵浦式激光器將非相干的太陽(yáng)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(gè)裝置簡(jiǎn)化.由于太陽(yáng)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(lái)實(shí)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(chǎng)鏡組成的高效聚光系統(tǒng)，使太陽(yáng)光可以更高效的耦合進(jìn)入泵浦腔，抽運(yùn)Nd∶YAG晶體，通過(guò)模擬得到聚光系統(tǒng)收集的太陽(yáng)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(yáng)光；菲涅爾透鏡；錐形場(chǎng)鏡

隨著全球氣候的變暖，人類生存環(huán)境的惡化，對(duì)新型能源和清潔能源的需求變得越來(lái)越迫切.太陽(yáng)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(yáng)能是現(xiàn)在人們開發(fā)清潔能源的一個(gè)立足點(diǎn).

自從1965年第一臺(tái)紅寶石激光器誕生以后，人們就提出了太陽(yáng)光直接泵浦激光器的概念［1］.太陽(yáng)光泵浦式激光器，通過(guò)將非相干的太陽(yáng)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(guò)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(gè)裝置簡(jiǎn)化，便于實(shí)驗(yàn)操作.太陽(yáng)光泵浦式激光器作為太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的一項(xiàng)新的應(yīng)用，其發(fā)展優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的.

長(zhǎng)春地區(qū)日照最強(qiáng)時(shí)的平均太陽(yáng)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(guò)高倍聚光比的聚光系統(tǒng)的重新分布，太陽(yáng)光才能用來(lái)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(chǎng)鏡組成高效聚光系統(tǒng)，泵浦Nd∶YAG晶體，來(lái)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(yáng)能奠定實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ).

1 太陽(yáng)光泵浦激光器系統(tǒng)

圖1為太陽(yáng)光泵浦Nd∶YAG激光器系統(tǒng)示意圖.直接入射的太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)菲涅耳透鏡后會(huì)聚到焦點(diǎn)處，由于菲涅耳透鏡收集太陽(yáng)光受色差的影響，使得不同波長(zhǎng)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(yáng)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(jí)聚光系統(tǒng)---錐形場(chǎng)鏡進(jìn)行再會(huì)聚，以提高光功率密度.太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)由菲涅耳透鏡和錐形場(chǎng)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(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換率，本實(shí)驗(yàn)采用端面泵浦方式，主要是因?yàn)楸闷止舛寄苡蓵?huì)聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦合損失相對(duì)較少，同時(shí)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(duì)泵浦光的利用率也相對(duì)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(shì).

圖1 太陽(yáng)光泵浦激光器系統(tǒng)示意圖

圖2為太陽(yáng)光抽運(yùn)激光器系統(tǒng).本實(shí)驗(yàn)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(jí)聚光系統(tǒng)收集太陽(yáng)光；采用入射口徑為35 mm，出射口徑為8 mm，長(zhǎng)度為90 mm的圓錐形，內(nèi)表面為漫反射面的錐形場(chǎng)鏡作為二級(jí)聚光系統(tǒng)進(jìn)一步收集、聚焦太陽(yáng)光；采用腔長(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)光譜的可見(jiàn)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(shí)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(guò)光功率計(jì)和光譜儀來(lái)監(jiān)測(cè)輸出的激光功率.

圖2 太陽(yáng)光抽運(yùn)激光器系統(tǒng)

圖3 激光頭裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 菲涅耳透鏡性能測(cè)試

通過(guò)測(cè)量菲涅耳透鏡焦點(diǎn)處的會(huì)聚太陽(yáng)光功率及功率密度來(lái)評(píng)估該透鏡的性能.將光功率計(jì)放置在菲涅耳透鏡焦點(diǎn)處，在太陽(yáng)光功率密度為850 W／m2時(shí)（測(cè)量連續(xù) 3小時(shí)的太陽(yáng)光功率10∶40-13∶40），實(shí)測(cè)太陽(yáng)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(yáng)光功率為845 W，焦點(diǎn)處實(shí)測(cè)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?yáng)光會(huì)聚到與理論（85%）［4］基本相符的情況.

假定入射太陽(yáng)光的平均波長(zhǎng)為 600 nm（由于Nd∶YAG晶體對(duì)于可見(jiàn)光波段有不同的吸收系數(shù)，所以假設(shè)入射的平均波長(zhǎng)為600 nm），利用Tracepro軟件模擬測(cè)得的菲涅耳透鏡焦點(diǎn)處太陽(yáng)光斑功率空間分布（如圖4所示），并計(jì)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(yáng)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(chǎng)鏡性能測(cè)試

由于利用菲涅耳透鏡聚焦太陽(yáng)光存在很大程度的色差，為了提高焦點(diǎn)處太陽(yáng)光與激光器工作物質(zhì)的耦合效率，采用二級(jí)聚光器---錐形場(chǎng)鏡.錐形場(chǎng)鏡的前口徑為 100 mm，后口徑為50 mm，長(zhǎng)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(guò)Tracepro軟件模擬測(cè)得的錐形場(chǎng)鏡出口處太陽(yáng)光斑功率空間分布（如圖 6所示），以及采用定向跟蹤太陽(yáng)光后模擬得到的錐形場(chǎng)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(chǎng)鏡的長(zhǎng)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(duì)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(chǎng)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(guò)二次聚光后，聚光比達(dá)到104（場(chǎng)鏡輸出端平均功率密度 9.12×106W／m2與太陽(yáng)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(shí)測(cè)輸出口光功率為346 W，傳輸效率接近56%.所以利用錐形場(chǎng)鏡，可以有效的提高照射到工作物質(zhì)上的太陽(yáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的激光輸出.

圖6 錐形場(chǎng)鏡輸出的光功率分布圖

圖7 錐形場(chǎng)鏡的光線追跡

2.3 激光輸出性能測(cè)試

本文通過(guò)光輸出功率與輸入功率的函數(shù)關(guān)系曲線圖來(lái)評(píng)估太陽(yáng)光泵浦激光器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率.由于輸入的太陽(yáng)光功率密度為固定值，無(wú)法改變，因此通過(guò)用遮光屏從下至上遮擋部分菲涅耳透鏡，改變其有效會(huì)聚面積的方法來(lái)改變?nèi)肷涔β蚀笮?通過(guò)測(cè)量在相同太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在入射的太陽(yáng)光功率密度為850 W／m2時(shí)，由聚光系統(tǒng)的錐形場(chǎng)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(shí)進(jìn)入泵浦腔的太陽(yáng)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(yáng)光為158 W時(shí)有激光振蕩產(chǎn)生，與實(shí)際計(jì)算的工作閾值基本相符［5］.

圖8 錐形場(chǎng)鏡出口處太陽(yáng)光功率與激光輸出功率的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

太陽(yáng)光泵浦式激光器系統(tǒng)通過(guò)由菲涅耳透鏡和錐形場(chǎng)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(lì)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(jì)大功率太陽(yáng)光泵浦激光器的工作提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)手段.

雖然太陽(yáng)光泵浦式激光器在很多方面還沒(méi)實(shí)現(xiàn)人們的需求，但是其發(fā)展前景不可忽視.通過(guò)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(duì)可見(jiàn)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(yáng)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(chéng)，徐鵬，等.使用菲涅耳透鏡的太陽(yáng)光抽運(yùn)Nd：YAG激光器［J］.中國(guó)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(zhǎng)明，楊蘇輝，等.太陽(yáng)光直接抽運(yùn)的 Nd∶YAG激光器［J］.中國(guó)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(xiàng)目資助

房丹（1982-），女，吉林省長(zhǎng)春人，長(zhǎng)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