高效率侧面泵浦Nd∶YAG激光器

李 含，谷开慧，齐晓宇，赵 帅

（长春理工大学光电信息学院光电科学分院，吉林长春130000）

1 引 言

太阳光是地球上取之不尽的一种可再生光源，自从激光器产生之后，人们开始期待直接将太阳光转化成激光。如果能将这种宽光谱的非相干光，作用于激光工作物质，直接产生出相干的窄带激光，那么这种太阳能泵浦式激光器将拥有很大的应用前景。随着地球上能源的枯竭，这种太阳光直接转化激光的方式，可以作为新能源的一种利用方式。太阳光作用于工作物质的激光器，直接将太阳光转化成激光，代替了中间电到光的转化环节，所以能量损失较少，能量利用率较高。在自由空间光通信，无限电传输和光化学等应用领域，太阳能直接泵浦式激光器具有更大的优势。

1966年，C.G Young首次实现了从太阳光到激光的直接转化［1］，利用抛物镜成像聚光系统，将太阳光聚焦泵浦工作物质，输出功率达到0.8 W，虽然聚光效率仅仅达到1%，但是此项工作标志着太阳光泵浦激光器的诞生。M.Weksler and J.Shwartz实现了侧面泵浦棒状Nd∶YAG晶体的激光输出，他们利用面积为100 m2的定日镜收集太阳光，直径为14 m的抛物镜汇聚太阳光，最终实现60 W激光的输出，虽然得到较大的激光功率输出，但是此系统的体积较庞大，利用效率较低［2］。M.Lando利用面积为6.75 m2的双轴固定式分块抛物镜作为一级聚光系统，三维复合抛物镜聚光系统（3D-CPC）作为二级聚光系统，使得聚焦后的太阳光进入二维复合抛物镜聚光（2D-CPC）泵浦Nd∶YAG棒，最终实现45 W的激光输出［3］。

本文实现了一种侧面泵浦Nd∶YAG晶体，得到激光输出的方式。整体的实验系统包括两部分，太阳光汇聚系统和激光谐振腔系统。在工作中，采用1 m2的菲涅尔透镜代替了体积庞大的抛物镜作为一级聚光系统；3D-CPC作为二级聚光系统，由于其较大的接收角，一方面可以实现汇聚太阳光的均匀分布，另一方面能实现较高的聚光比，将3DCPC的出口置于椭圆柱形泵浦腔的一个焦点处，经聚光系统聚焦的太阳光从3D-CPC进入椭圆柱形泵浦腔内，泵浦Nd∶YAG晶体棒，最终实现6.2 W的激光输出，从太阳光到激光的转化效率达到1.7%，斜率效率为3.8%。

2 实 验

图1为太阳光侧面泵浦Nd∶YAG激光器的实验装置示意图。实验装置由三部分构成：菲涅尔透镜、3D-CPC、椭圆柱形泵浦腔。实验中利用0.98 m×1.2 m的菲涅尔透镜作为一级聚光系统，收集的太阳光聚焦在菲涅尔透镜的焦点处；为了达到激光工作物质的阈值功率，将3D-CPC作为二级聚光系统，由于其较大的接收角，可以高效的采集太阳光并汇聚到出口处，得到较大的光功率密度；进入椭圆柱形泵浦腔的太阳光经过腔面汇聚到Nd∶YAG（Nd3+掺杂浓度1 at.%）晶体棒上，达到激光工作物质阈值之后，激光将从谐振腔的输出端出射并被探测器接收。

图1 太阳光侧面泵浦Nd∶YAG激光器实验装置示意图Fig.1 Schematic view of the solar side pumped Nd∶YAG laser experimental setup

实验测得太阳光经过二次聚焦后到达椭圆柱形腔处的功率为348 W，功率密度达到1.6×107W/m2。当输出镜的耦合率为95%时，激光的输出功率达到6.7 W，最大的收集效率达到6.2 W/m2。

2.1 Nd∶YAG激光晶体棒

由于Nd∶YAG晶体具有对太阳光较大的吸收率，较好导热率，相对低廉的价格，机械加工强度大等优点，实验中选择了Nd∶YAG晶体作为激光工作物质。太阳光泵浦激光器的一个最重要参数是太阳光谱与工作物质吸收谱的重合率，计算公式如式（1）所示：

其中，ηovp为太阳光谱与工作物质吸收谱的重合率；gλ为太阳光辐射谱；a.b为Nd∶YAG晶体的吸收带。实验中采用直径为5 mm，长为60 mm，Nd3+掺杂浓度为1 at.%的Nd∶YAG晶体，根据公式计算得到的根据公式计算ηovp=14%［4］。

2.2 聚光系统

经过测量得到长春地区平均太阳光功率密度为850 W/m2，由于泵浦工作物质产生激光需要较大的功率密度，所以必须要将太阳光经过高效率的聚光系统，才能实现产生激光的目的。为此，选择菲涅尔透镜和3D-CPC相结合的聚光系统。菲涅尔透镜目前已经广泛的应用到很多领域，用来替代了传统体积较大的透镜，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作的菲涅尔透镜透光范围在300～1000 nm，实验中将菲涅尔透镜固定在二维追光系统支架上，减少了追光的繁琐步骤。太阳光照射到菲涅尔透镜的一侧，采用的菲涅尔透镜面积为0.98 m×1.2 m，焦距f=1.3 m，通过测量得到在焦点处的功率为621 W，所以得到一次聚光效率为73%。为了验证理论和实验的一致性，采用Tracepro软件进行光线追迹［5-7］，模拟焦点区域光线及能量的分布。模拟中，假设菲涅尔透镜接收到的光平均波长λ=600 nm（Nd∶YAG的吸收系数在400～900 nm范围内相差不多，所以假设平均吸收光波长在600 nm），图2为照射到菲涅尔透镜上的光线分布图，图3为焦点处的能量分布图，结果表明，焦点处的最大功率密度为1.51×1010W/m2，平均功率密度为 4.13×106W/m2。

图2 光线追迹太阳光经过菲涅尔透镜Fig.2 Tracing ray of sunlight irradiating to the Fresnel lens

如图3中得到的结果，其功率密度不足以侧面泵浦激光的产生，所以需要二级聚光系统来提高功率密度［8］。我们采用3D-CPC聚光系统作为二级聚光系统，入口端直径80 mm，接收半角为20°，出口端直径3.5 mm，接收半角为60°，为了减少激光棒上不必要光波的热负荷，在3D-CPC的出口端加一个滤光片，图4为在3D-CPC出口处的能量分布图，平均功率密度达到1.6×107W/m2，比菲涅尔透镜焦点处的功率密度提高4倍。

2.3 激光泵浦腔

经3D-CPC聚焦的太阳光汇聚到椭圆柱形泵浦腔的一个焦点处，经腔内反射作用于Nd∶YAG晶体棒，椭圆柱形腔的长半轴a=15 mm，短半轴长10 mm，横断面的长度50 mm［9-10］。 谐振腔的冷却采用石英管水冷的方式，将直径5 mm，长40 mm，一端镀高反膜（R＞99%）的Nd∶YAG激光棒置于石英管中。如图1所示，谐振腔采用平-平腔，为了得到最大输出功率，输出耦合镜的反射率采用85%～98%，移动输出镜的位置来调节腔长，利用功率计来监测最大输出功率。

图3 菲涅尔透镜焦点处能量分布Fig.3 Energy distribution in the focus of Fresnel lens

3 讨论与分析

经持续3 h测量（10 ∶40 ～13 ∶40），长春地区太阳光平均输出功率密度为850 W/m2（面积为0.98 m×1.2 m，f=1.3 m）。到达菲涅尔透镜接收面一侧的光功率为850 W，通过计算得到菲涅尔透镜焦点处光斑直接为14 mm。在实际测量中，得到焦点处的光功率为621 W，光斑直径为23 mm，所以得到菲涅尔透镜的聚光效率为73%。

由于菲涅尔透镜焦点处聚焦的光斑能量分布不利于泵浦工作物质，所以采用了非成像光学边缘光线原理设计的3D-CPC聚光系统作为二次聚光系统，能将非均匀的能量分布转化成较均匀的能量分布，3D-CPC聚光系统具有较大的接收角，较小的输出端口，如图4（a）和（b）所示，在3DCPC聚光系统出口处平均光功率密度达到1.6×107W/m2，是菲涅尔透镜焦点处的4倍，实验中得到3D-CPC聚光系统出口处光功率348 W，聚光效率为56%。

图4 3D-CPC出口处能量分布图Fig.4 Energy distribution in the exit of the 3-DCPC

高效聚焦的太阳光被耦合进入椭圆柱形腔，这种类型的谐振腔在固体激光器中已经得到广泛应用。此种结构比端面泵浦结构有很多优点，例如，可以将聚焦到腔内的光均匀化分布，均匀化分布的光更有利于激发高功率激光输出，减少热透镜效应和热压问题。

直径5 mm，长60 mm的Nd∶YAG晶体棒，选择较小直径的工作物质是为了更好的抑制高阶模的产生，提升光束质量。实验中采用平-平腔，激光棒一端镀反射率高于99%的高反膜，另一端调节反射率从85%～98%，热透镜的焦距、镜间距、g1和g2计算，得到腔处于稳态。

实验利用遮光罩变化入射到谐振腔内的太阳光功率，得到了不同泵浦光对应得到不同的输出激光。如图 5所示，最大的输出激光为 6.2 W，波长1064 nm，输出耦合镜反射率为95%，利用光纤光谱仪测量谱线宽度，随着收集时间和频率的改变，激光谱线宽度约为2 nm，从太阳光到激光的转化效率为1.7%，激光产生的斜率效率达到3.8%。

图5 输出光和入射太阳光的关系曲线Fig.5 Laser power as function of the incident solar power

4 结 论

太阳光泵浦式激光器系统通过由菲涅尔透镜和复合抛物镜组成的高效聚光系统，有效地提高了泵浦光的功率密度。采用侧面泵浦的方式，充分利用了泵浦光，使其更有效地激励工作物质，获得更大的激光输出。利用小直径的工作物质，可以有效地抑制高阶模的产生，获得较好质量的激光输出。最终得到6.2 W的激光输出，光-光转换效率1.7%，斜率效率为3.8%。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。

尽管太阳能泵浦式激光器目前还很难实现人们的需求，但是其发展前景不可忽视。后续工作将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等方面的研究，可以实现在转换效率方面得到突破，进而得到大功率的太阳光泵浦式激光器。