太陽光直接抽運激光器系統及計算機模擬優化

郝嘉胤，趙長明，徐 鵬，何 滔，王華昕，孫耀東

（北京理工大學光電學院，北京100081）

太陽光直接抽運激光器系統及計算機模擬優化

郝嘉胤，趙長明*，徐 鵬，何 滔，王華昕，孫耀東

（北京理工大學光電學院，北京100081）

為了實現太陽光向激光的轉化，設計并搭建了采用兩級匯聚系統的實驗系統。用菲涅耳透鏡作為第1級匯聚系統，以漫反射錐型腔作為第2級匯聚系統，采用Nd∶YAG作為工作物質。在太陽光的入射功率密度大約為950W/m2時，實驗最高可得到13.3W的功率輸出。用LASCAD軟件對諧振腔進行模擬，得到了晶體棒工作時的溫度分布和折射率分布；通過改變參量，對系統進行優化，得到了輸出功率隨腔長和輸出鏡反射率的變化規律，找到了最佳腔長為142mm，最佳輸出鏡反射率為91％。結果表明，通過調整腔長和輸出鏡反射率的大小，找到最佳值，可有效地提高太陽光直接抽運激光器的輸出功率。

激光器；系統優化；LASCAD軟件；太陽光抽運激光器

引 言

當今社會，能源問題已經成為一個比較嚴重的社會問題，隨著自然資源的短缺，找到無污染的新能源已經成為整個人類面臨的重大考驗。太陽能取之不盡，用之不竭，并且無污染，是可以利用的新能源。其中，太陽光直接抽運激光器是一種極具前景的太陽能利用方式，它以太陽輻射能作為抽運源，把寬波段、非相干的太陽光轉換成窄波段、相干的激光，直接進行太陽光到激光的轉換，因其能量轉換環節最少、具有效率高、結構簡單、性能穩定和無污染等優點而受到各國研究者的青睞［1］。

世界上第1臺太陽光抽運激光器出現于1963年［2］。之后，更多的太陽光抽運激光器被報道。1966年，YOUNG采用以拋物面反射鏡為主的兩級會聚系統作為太陽光會聚系統，抽運釔鋁石榴石晶體（neodymium-dopedyttriumaluminiumgarnet，Nd∶YAG）獲得了1W的連續激光輸出［3］。1988年，WEKSLER等人使用定日鏡和復合拋物面聚光器相結合的兩級會聚系統，側面抽運Nd∶YAG晶體，獲得了超過60W的穩定激光輸出，能量轉換效率為1.2％［4］。2008年，日本的YABE等人用菲涅耳透鏡作為第1級匯聚系統，鍍鋁的錐形腔作為第2級匯聚系統，摻Cr3+和Nd3+的陶瓷棒作為工作物質，得到了80W的功率輸出，光光轉換效率為4.3％［5］。2011年，里斯本新大學的LIANG，用直徑0.9m的菲涅耳透鏡，直徑4mm的Nd∶YAG棒作為工作物質，得到了12.3W的激光，相當于19.3W/m2的匯聚效率［6］。2012年，日本的YABE等人對原來的系統進行改進，將工作物質換為Nd∶YAG晶體，并將錐形腔的水冷方式改為分腔水冷，使輸出功率提高到了120W，相當于30W/m2的匯聚效率，是目前最高的［7］。

作者對本實驗室的太陽光抽運Nd∶YAG激光器系統做了簡要的介紹，并用LASCAD軟件對實驗系統的諧振腔進行了模擬，分析了腔內的各項參量，并對參量進行了優化。

1 太陽光直接抽運激光器系統

作者實驗室搭建的太陽光直接抽運激光器系統如圖1所示。選擇菲涅耳透鏡作為第1級匯聚系統，錐形腔放置在菲涅耳透鏡焦點處作為第2級匯聚系統，通過端面抽運和側面抽運將太陽光進一步耦合到放置在錐形腔中的工作物質上。整個系統安裝在電機驅動的太陽跟蹤平臺上，在完成聚光腔的準直之后，整套系統就保持不變，通過太陽跟蹤器驅動電機跟蹤太陽，就可獲得穩定的激光輸出。

Fig.1 System photograph of laser pumped by solar directly

菲涅耳透鏡的尺寸為1.4m×1.05m（有效面積為1.3266m2），焦距為1.2m。太陽光的入射功率密度大約為950W/m2，焦斑處的功率為728W，焦斑直徑約為11mm，而錐形腔的口徑為?30mm，因此幾乎全部焦斑的能量都可以進入腔中。所用的腔為入口直徑30mm、出口直徑8mm的漫反腔。工作物質選用的是Nd∶YAG晶體棒，尺寸為?8mm×100mm，前端鍍有1064nm的全反膜。再在晶體棒后端安置一個輸出鏡，即可實現激光輸出。工作時，整個錐形腔內和晶體棒都進行水冷，以減小熱透鏡效應。如圖2所示，為整個裝置的工作原理圖。在太陽光的入射功率密度大約為950W/m2的條件下最高可得到13.3W的功率輸出。

Fig.2 Working diagram of laser pumped by sunlight directly

2 LASCAD軟件的模擬優化

LASCAD是由德國LASCAD GmbH公司開發的激光器設計軟件。具有易用和友好的人機界面，它提供了熱學和光學之間復雜的多物理系統交互分析功能，這種功能通常用于激光晶體的熱效應分析。并可對激光器的諧振腔進行建模和優化［8］。

Fig.3 Temperature distribution of crystal rod

通過LASCAD軟件，對太陽光直接抽運激光器的諧振腔進行模擬，得到了12.26W的輸出功率，與實際得到的最高功率13.3W相差不大。圖3為晶體棒的3維分布圖。由圖中可以看出，由于水冷作用，整個晶體棒的溫度并不高，尤其邊緣部分，基本與水溫一致，晶體棒內外的溫差大約為30℃。

圖4為晶體棒橫截面上折射率分布曲線。可以看出，折射率的變化基本上是與溫度一致的，內外的折射率變化比較大，因此整個晶體棒的熱透鏡效應比較明顯。

Fig.4 Refractiveindexdistributioncurveofthecrosssectionofthe crystalrod

實驗中所用的諧振腔腔長可調節范圍為128mm～138mm，實驗時采用的腔長為138mm。而輸出鏡的反射率為99％。可以考慮通過改變腔長和輸出鏡反射率來提高激光器的輸出功率。

Fig.5 Relationshipbetweenthecavitylengthandtheoutputpower

在不改變輸出鏡反射率的前提下，模擬不同腔長下的輸出功率，得到了一系列數據，繪制成的曲線如圖5所示。大于142mm的腔長已無法形成穩定腔，因此142mm為允許的最大腔長。由圖中可以看出，隨著腔長的增加，輸出功率呈逐漸增大趨勢，在142mm處達到最大。可能的原因是隨著腔長的增加，諧振腔的模體積增大，即晶體棒中受到受激輻射的體積增加，有更多的被抽運到激發態的原子躍遷到基態而釋放出光子。雖然腔長的增加在一定程度上增大了諧振腔的損耗，但其對功率的增大作用要大于其損耗，所以激光的輸出功率隨腔長的增加而增大。

在保持原腔長的條件下，模擬不同的輸出鏡反射率對輸出功率的影響，得到的數據繪制成曲線如圖6所示。由圖可以看出，輸出鏡反射率對輸出功率的影響是比較大的，95％為最佳反射率。這樣的趨勢很好理解：當反射率很小時，工作物質達不到閾值，輸出功率為0；當反射率為1時，沒有激光能夠輸出，輸出功率也為0。因此，中間必然有一個輸出功率最大的反射率。

Fig.6 Relationshipbetweentheoutputmirrorreflectivityandtheoutput powerwiththecavitylengthof138mm

同樣的輸出鏡反射率下，諧振腔在允許的最大腔長處輸出功率最高。模擬在最大腔長下不同輸出鏡反射率的輸出功率，找到諧振腔所能達到的最大輸出功率。如圖7所示，在輸出鏡反射率為0.91時，輸出功率可達到最大45.07W。因此，腔長142mm，輸出鏡反射率0.91為可調節參量的最佳值，此時激光器可輸出最大功率。

Fig.7 Relationshipbetweentheoutputmirrorreflectivityandtheoutput powerwiththecavitylengthof142mm

3 結 論

對太陽光直接抽運激光器系統進行了簡要的介紹，在太陽光的入射功率密度大約為950W/m2的條件下，最高可得到13.3W的功率輸出。通過LASCAD軟件的模擬，找到了輸出功率與腔長和輸出鏡反射率的關系：輸出功率隨腔長的增大而變大，在穩定腔允許的最大腔長處達到最大；輸出功率隨輸出鏡反射率的變化是先增大后減小，在最佳反射率處達到最大；當諧振腔為最大腔長，輸出鏡反射率為與之對應的最佳反射率時，激光器可輸出最大功率。因此，本實驗系統還有提高的空間。下一步，將進行一系列實驗，以LASCAD軟件模擬的數據為參考，找到系統的最佳腔長和輸出鏡反射率。

［1］LUO P P，LIU Ch，XU P，et al.Solar pumped Nd∶YAG laser with Fresnel Lens［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38（10）：1002002（in Chinese）.

［2］SIMPSON G R.Continuous sun-pumped room temperature glass laser operation［J］.Applied Optics，1964，36（7）：1671-1678.

［3］YOUNG CG.A sun-pumped CW one-watt laser［J］.Applied Optics，1966，5（6）：993-998.

［4］WEKSLERM，SHWARTZ J.Solar-pumped solid-state lasers［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1988，QE24（6）：1222-1228.

［5］YABE T，BAGHERI B，OHKUBO T，et al.100W-class solar pumped laser for sustainable magnesium-hydrogen energy cycle［J］.Journal of Applied Physics，2008，104（8）：083104.

［6］LIANG D W，ALMEIDA J.Highly efficient solar-pumped Nd∶YAG laser［J］.Optics Express，2011，19（27）：26399-26405.

［7］DINH T H，OHKUBO T，YABE T，et al.120watt continuous wave solar-pumped laser with a liquid light-guide lens and an Nd∶YAG rod［J］.Optics Letters，2012，37（13）：2670-2672.

［8］ZHANG Q，WANG Y F，HOU JY，et al.Simulation and experimentation of high power high repetition U folded resonator laser［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23（4）：943-948（in Chinese）.

Lasersystemspumpedbysunlightdirectlyandcomputersimulationoptimization

HAOJia-yin，ZHAOChang-ming，XUPeng，HETao，WANGHua-xin，SUNYao-dong
（SchoolofOptoelectronics，BeijingInstitudeofTechnology，Beijing100081，China）

Inordertoachievetheconversionfromthesunlighttothelaser，two-levelaggregationexperimentalsystem wasdesignedandbuilt.BychoosingaFresnellensasthefirstlevelofaggregationsystem，thediffusereflectancetapered cavityasthesecondlevelofaggregationsystemandNd∶YAGastheworkingsubstance，theexperimentalmaximumpower outputwas13.3Wavailable，whenthesunlightincidentpowerwasabout950W/m2.Inordertooptimizetheexperimental systemandimprovethepoweroutput，theresonantcavitywassimulatedbyLASCADsoftware.Thetemperaturedistribution andtherefractiveindexdistributionduringtheworkingofthecrystalrodwereobtained.Thesystemwasoptimizedby changingtheparameters.Thevariationoftheoutputpoweralongwiththecavitylengthandtheoutputmirrorreflectivity，thebestcavitylengthof142mmandtheoutputmirrorreflectivityof91％wereobtained.Theresultsshowthattheoutput powerofthelaserpumpedbysunlightdirectlycanbeimprovedeffectivelybyadjustingthecavitylengthandtheoutput mirrorreflectivityandthebestvaluecanbeachieved.

lasers；systemoptimization；LASCADsoftware；solarpumpedlaser

TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.005

1001-3806（2013）04-0437-04

郝嘉胤（1987-），男，碩士研究生，現主要從事空間太陽能電站方面的研究。

*通訊聯系人。E-mail：zhaochangming＠bit.edu.cn

2012-11-09；

2012-12-03