高聚光效率的太阳光泵浦Nd∶YAG激光器

房 丹，谷开慧，邢淑芝，齐晓宇，梁 明，李 含，刘 璐

（长春理工大学 光电信息学院 光电科学分院，吉林 长春 130000）

高聚光效率的太阳光泵浦Nd∶YAG激光器

房 丹，谷开慧，邢淑芝，齐晓宇，梁 明，李 含，刘 璐

（长春理工大学 光电信息学院 光电科学分院，吉林 长春 130000）

太阳光泵浦式激光器将非相干的太阳光直接转化成相干的激光，既可以提高转换效率、节省能源，又可以使得整个装置简化.由于太阳光功率密度达不到直接抽运激光器的需求，所以需要高效的聚光系统，来实现泵浦激光器所需的阈值要求.本文利用菲涅尔透镜和锥型场镜组成的高效聚光系统，使太阳光可以更高效的耦合进入泵浦腔，抽运Nd∶YAG晶体，通过模拟得到聚光系统收集的太阳光，聚光比达到104，增大了泵浦率，产生较高的激光输出功率.

激光器；太阳光；菲涅尔透镜；锥形场镜

随着全球气候的变暖，人类生存环境的恶化，对新型能源和清洁能源的需求变得越来越迫切.太阳能是地球上取之不尽，用之不竭的可再生清洁能源，充分利用太阳能是现在人们开发清洁能源的一个立足点.

自从1965年第一台红宝石激光器诞生以后，人们就提出了太阳光直接泵浦激光器的概念［1］.太阳光泵浦式激光器，通过将非相干的太阳光直接转化成相干的激光，省去了中间光-电-光的转化过程.这样的结构，既可以提高转换效率、节省能源，又可以使得整个装置简化，便于实验操作.太阳光泵浦式激光器作为太阳能利用领域的一项新的应用，其发展优势是显而易见的.

长春地区日照最强时的平均太阳光功率密度为850 W／m2，如果直接照射工作物质，是不能达到激光的阈值而产生激光.只有经过高倍聚光比的聚光系统的重新分布，太阳光才能用来做为泵浦激光器产生激光的泵浦源.所以本文提出，利用菲涅耳透镜和锥形场镜组成高效聚光系统，泵浦Nd∶YAG晶体，来获得较高的光转换效率和收集效率，为进一步研究和利用太阳能奠定实验和理论基础.

1 太阳光泵浦激光器系统

图1为太阳光泵浦Nd∶YAG激光器系统示意图.直接入射的太阳光经过菲涅耳透镜后会聚到焦点处，由于菲涅耳透镜收集太阳光受色差的影响，使得不同波长的光焦点不同，这样就扩大了焦点处光斑的区域，所以在焦点处得到的光斑直径较大，光功率密度较小，很难使得焦点处的太阳光充分耦合到工作物质上输出激光.所以，为了得到更高的耦合效

率，在菲涅耳透镜焦点处安装了第二级聚光系统---锥形场镜进行再会聚，以提高光功率密度.太阳光经过由菲涅耳透镜和锥形场镜组成的高倍聚焦聚光系统后，光斑尺寸变小，为更好与小尺寸的工作物质方式，Nd∶YAG晶体（掺杂浓度为Nd3+：1at.%）充分相耦合，有效的抑制高阶模的产生，实现较高的转换率，本实验采用端面泵浦方式，主要是因为泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失相对较少，同时由它产生的振荡光的模式与泵浦光模式匹配的效果好，工作物质对泵浦光的利用率也相对高［2］，因此端面泵浦方式输出的激光束具有高质量、高亮度以及高转换率等优势.

图1 太阳光泵浦激光器系统示意图

图2为太阳光抽运激光器系统.本实验采用面积为0.98×1.2 m2，焦距 f为 1.3 m，透光范围在300～1 000 nm波段的菲涅耳透镜作为一级聚光系统收集太阳光；采用入射口径为35 mm，出射口径为8 mm，长度为90 mm的圆锥形，内表面为漫反射面的锥形场镜作为二级聚光系统进一步收集、聚焦太阳光；采用腔长为120 mm的平平腔作为泵浦腔，掺杂浓度为 Nd3+：1at.%，直径5 mm，棒长80 mm，一端镀有1 064 nm的高反膜（R＞99%），另一端镀有1 064 nm增透膜的Nd∶YAG晶体棒作为工作物质.选择Nd∶YAG的原因是吸收谱大部分在太阳光谱的可见光范围内［3］.但为了提高效率我们还是在泵浦腔的入口处放置滤波片，滤除红外和紫外光.同时为了减少热效应，采用水冷方式散热，水冷管直径10 mm，管中掺入有机溶液，可以滤除掉不需要的波段，减少热负荷.图3为最后输出的激光头装置，通过光功率计和光谱仪来监测输出的激光功率.

图2 太阳光抽运激光器系统

图3 激光头装置

2 实验结果

2.1 菲涅耳透镜性能测试

通过测量菲涅耳透镜焦点处的会聚太阳光功率及功率密度来评估该透镜的性能.将光功率计放置在菲涅耳透镜焦点处，在太阳光功率密度为850 W／m2时（测量连续 3小时的太阳光功率10∶40-13∶40），实测太阳光平均功率密度为850 W／m2），菲涅耳透镜在其有效面积上接收到的太阳光功率为845 W，焦点处实测功率为621 W，聚光效率接近73%，由此可以证明本文使用的菲涅耳透镜的聚光效率能够将太阳光会聚到与理论（85%）［4］基本相符的情况.

假定入射太阳光的平均波长为 600 nm（由于Nd∶YAG晶体对于可见光波段有不同的吸收系数，所以假设入射的平均波长为600 nm），利用Tracepro软件模拟测得的菲涅耳透镜焦点处太阳光斑功率空间分布（如图4所示），并计算得到焦点处光斑的半高宽约为14 mm，以及采用定向跟踪太阳光后模拟得到的菲涅耳透镜的光线追迹（如图5所示）.

图4 菲涅耳透镜输出的光功率分布图

图5 菲涅耳透镜的光线追迹

2.2 锥形场镜性能测试

由于利用菲涅耳透镜聚焦太阳光存在很大程度的色差，为了提高焦点处太阳光与激光器工作物质的耦合效率，采用二级聚光器---锥形场镜.锥形场镜的前口径为 100 mm，后口径为50 mm，长度为 120 mm，腔由 Al材料构成，内壁镀有高反膜，反射率为90%.通过Tracepro软件模拟测得的锥形场镜出口处太阳光斑功率空间分布（如图 6所示），以及采用定向跟踪太阳光后模拟得到的锥形场镜的光线追迹（如图7所示）.由光线追迹图可以看出，只要锥形场镜的长度和角度选择适合，可以得到更小的输出光斑，得到更高的功率密度.对比模拟图（图4-图7）得到：在菲涅耳透镜的焦点处，最大的功率密度为 1.52× 1010W／m2，平均功率密度为 4.13×106W／m2.在锥形场镜的输出端光斑的最大功率密度为 4.15× 1010W／m2，平均功率密度为 9.12×106W／m2.经过二次聚光后，聚光比达到104（场镜输出端平均功率密度 9.12×106W／m2与太阳光平均功率密度850 W／m2的比），得到了很大幅度的提高，功率密度提高近2倍.实测输出口光功率为346 W，传输效率接近56%.所以利用锥形场镜，可以有效的提高照射到工作物质上的太阳光功率密度，且减小光斑的半径，更有利于与小尺寸的工作物质相匹配，来实现高性能的激光输出.

图6 锥形场镜输出的光功率分布图

图7 锥形场镜的光线追迹

2.3 激光输出性能测试

本文通过光输出功率与输入功率的函数关系曲线图来评估太阳光泵浦激光器系统的转换效率.由于输入的太阳光功率密度为固定值，无法改变，因此通过用遮光屏从下至上遮挡部分菲涅耳透镜，改变其有效会聚面积的方法来改变入射功率大小.通过测量在相同太阳光功率密度下，输出耦合镜反射率 R分别为90%，95%，98%的情况下，得到不同的输出激光功率.入射光功率和激光输出功率的函数关系如图 8所示.由实验结果可知，在入射的太阳光功率密度为850 W／m2时，由聚光系统的锥形场镜出口处输出的光功率为 346 W，耦合泵浦腔的工作物质，经反射率为95%的输出耦合镜，可获得最大激光输出功率2.8 W，这时进入泵浦腔的太阳光到激光的转换效率为 0.81%，斜率效率为 1.49%，收集效率2.8 W／m2.由图 8还可得到，当入射进入腔内的太阳光为158 W时有激光振荡产生，与实际计算的工作阈值基本相符［5］.

图8 锥形场镜出口处太阳光功率与激光输出功率的关系曲线

3 结论

太阳光泵浦式激光器系统通过由菲涅耳透镜和锥形场镜组成的高效聚光系统，有效的提高了泵浦光的功率密度，聚光比达到104.采用端泵的方式，充分利用了泵浦光，使其更有效的激励工作物质，获得更大的激光输出.利用小直径的工作物质，可以有效的抑制高阶模的产生，获得较好质量的激光输出.最终得到2.8 W的激光输出，光-光转换效率0.81%，斜率效率为1.49%，收集效率约为2.8 W／m2.虽然指标还存在不足，但是为后续设计大功率太阳光泵浦激光器的工作提供了坚实的理论基础和实验手段.

虽然太阳光泵浦式激光器在很多方面还没实现人们的需求，但是其发展前景不可忽视.通过后续工作，着重在阵列激光工作物质、更高效的收集聚光系统、对可见光吸收率更高的工作物质（钛宝石，陶瓷晶体）［6］等方面的研究，有望在转换效率方面得到突破，进而得到大功率，高转换率，高收集率的太阳光泵浦式激光器.

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

［2］ 罗萍萍，刘诚，徐鹏，等.使用菲涅耳透镜的太阳光抽运Nd：YAG激光器［J］.中国激光，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］ 何建伟，赵长明，杨苏辉，等.太阳光直接抽运的 Nd∶YAG激光器［J］.中国激光，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

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目资助

房丹（1982-），女，吉林省长春人，长春理工大学光电信息学院讲师，博士，主要从事量子光学和激光物理研究和教学工作.

谷开慧，Email：guba510＠126.com