高效率側面泵浦Nd∶YAG激光器

李 含，谷開慧，齊曉宇，趙 帥

（長春理工大學光電信息學院光電科學分院，吉林長春130000）

1 引 言

太陽光是地球上取之不盡的一種可再生光源，自從激光器產生之后，人們開始期待直接將太陽光轉化成激光。如果能將這種寬光譜的非相干光，作用于激光工作物質，直接產生出相干的窄帶激光，那么這種太陽能泵浦式激光器將擁有很大的應用前景。隨著地球上能源的枯竭，這種太陽光直接轉化激光的方式，可以作為新能源的一種利用方式。太陽光作用于工作物質的激光器，直接將太陽光轉化成激光，代替了中間電到光的轉化環節，所以能量損失較少，能量利用率較高。在自由空間光通信，無限電傳輸和光化學等應用領域，太陽能直接泵浦式激光器具有更大的優勢。

1966年，C.G Young首次實現了從太陽光到激光的直接轉化［1］，利用拋物鏡成像聚光系統，將太陽光聚焦泵浦工作物質，輸出功率達到0.8 W，雖然聚光效率僅僅達到1%，但是此項工作標志著太陽光泵浦激光器的誕生。M.Weksler and J.Shwartz實現了側面泵浦棒狀Nd∶YAG晶體的激光輸出，他們利用面積為100 m2的定日鏡收集太陽光，直徑為14 m的拋物鏡匯聚太陽光，最終實現60 W激光的輸出，雖然得到較大的激光功率輸出，但是此系統的體積較龐大，利用效率較低［2］。M.Lando利用面積為6.75 m2的雙軸固定式分塊拋物鏡作為一級聚光系統，三維復合拋物鏡聚光系統（3D-CPC）作為二級聚光系統，使得聚焦后的太陽光進入二維復合拋物鏡聚光（2D-CPC）泵浦Nd∶YAG棒，最終實現45 W的激光輸出［3］。

本文實現了一種側面泵浦Nd∶YAG晶體，得到激光輸出的方式。整體的實驗系統包括兩部分，太陽光匯聚系統和激光諧振腔系統。在工作中，采用1 m2的菲涅爾透鏡代替了體積龐大的拋物鏡作為一級聚光系統；3D-CPC作為二級聚光系統，由于其較大的接收角，一方面可以實現匯聚太陽光的均勻分布，另一方面能實現較高的聚光比，將3DCPC的出口置于橢圓柱形泵浦腔的一個焦點處，經聚光系統聚焦的太陽光從3D-CPC進入橢圓柱形泵浦腔內，泵浦Nd∶YAG晶體棒，最終實現6.2 W的激光輸出，從太陽光到激光的轉化效率達到1.7%，斜率效率為3.8%。

2 實 驗

圖1為太陽光側面泵浦Nd∶YAG激光器的實驗裝置示意圖。實驗裝置由三部分構成：菲涅爾透鏡、3D-CPC、橢圓柱形泵浦腔。實驗中利用0.98 m×1.2 m的菲涅爾透鏡作為一級聚光系統，收集的太陽光聚焦在菲涅爾透鏡的焦點處；為了達到激光工作物質的閾值功率，將3D-CPC作為二級聚光系統，由于其較大的接收角，可以高效的采集太陽光并匯聚到出口處，得到較大的光功率密度；進入橢圓柱形泵浦腔的太陽光經過腔面匯聚到Nd∶YAG（Nd3+摻雜濃度1 at.%）晶體棒上，達到激光工作物質閾值之后，激光將從諧振腔的輸出端出射并被探測器接收。

圖1 太陽光側面泵浦Nd∶YAG激光器實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic view of the solar side pumped Nd∶YAG laser experimental setup

實驗測得太陽光經過二次聚焦后到達橢圓柱形腔處的功率為348 W，功率密度達到1.6×107W/m2。當輸出鏡的耦合率為95%時，激光的輸出功率達到6.7 W，最大的收集效率達到6.2 W/m2。

2.1 Nd∶YAG激光晶體棒

由于Nd∶YAG晶體具有對太陽光較大的吸收率，較好導熱率，相對低廉的價格，機械加工強度大等優點，實驗中選擇了Nd∶YAG晶體作為激光工作物質。太陽光泵浦激光器的一個最重要參數是太陽光譜與工作物質吸收譜的重合率，計算公式如式（1）所示：

其中，ηovp為太陽光譜與工作物質吸收譜的重合率；gλ為太陽光輻射譜；a.b為Nd∶YAG晶體的吸收帶。實驗中采用直徑為5 mm，長為60 mm，Nd3+摻雜濃度為1 at.%的Nd∶YAG晶體，根據公式計算得到的根據公式計算ηovp=14%［4］。

2.2 聚光系統

經過測量得到長春地區平均太陽光功率密度為850 W/m2，由于泵浦工作物質產生激光需要較大的功率密度，所以必須要將太陽光經過高效率的聚光系統，才能實現產生激光的目的。為此，選擇菲涅爾透鏡和3D-CPC相結合的聚光系統。菲涅爾透鏡目前已經廣泛的應用到很多領域，用來替代了傳統體積較大的透鏡，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作的菲涅爾透鏡透光范圍在300～1000 nm，實驗中將菲涅爾透鏡固定在二維追光系統支架上，減少了追光的繁瑣步驟。太陽光照射到菲涅爾透鏡的一側，采用的菲涅爾透鏡面積為0.98 m×1.2 m，焦距f=1.3 m，通過測量得到在焦點處的功率為621 W，所以得到一次聚光效率為73%。為了驗證理論和實驗的一致性，采用Tracepro軟件進行光線追跡［5-7］，模擬焦點區域光線及能量的分布。模擬中，假設菲涅爾透鏡接收到的光平均波長λ=600 nm（Nd∶YAG的吸收系數在400～900 nm范圍內相差不多，所以假設平均吸收光波長在600 nm），圖2為照射到菲涅爾透鏡上的光線分布圖，圖3為焦點處的能量分布圖，結果表明，焦點處的最大功率密度為1.51×1010W/m2，平均功率密度為 4.13×106W/m2。

圖2 光線追跡太陽光經過菲涅爾透鏡Fig.2 Tracing ray of sunlight irradiating to the Fresnel lens

如圖3中得到的結果，其功率密度不足以側面泵浦激光的產生，所以需要二級聚光系統來提高功率密度［8］。我們采用3D-CPC聚光系統作為二級聚光系統，入口端直徑80 mm，接收半角為20°，出口端直徑3.5 mm，接收半角為60°，為了減少激光棒上不必要光波的熱負荷，在3D-CPC的出口端加一個濾光片，圖4為在3D-CPC出口處的能量分布圖，平均功率密度達到1.6×107W/m2，比菲涅爾透鏡焦點處的功率密度提高4倍。

2.3 激光泵浦腔

經3D-CPC聚焦的太陽光匯聚到橢圓柱形泵浦腔的一個焦點處，經腔內反射作用于Nd∶YAG晶體棒，橢圓柱形腔的長半軸a=15 mm，短半軸長10 mm，橫斷面的長度50 mm［9-10］。 諧振腔的冷卻采用石英管水冷的方式，將直徑5 mm，長40 mm，一端鍍高反膜（R＞99%）的Nd∶YAG激光棒置于石英管中。如圖1所示，諧振腔采用平-平腔，為了得到最大輸出功率，輸出耦合鏡的反射率采用85%～98%，移動輸出鏡的位置來調節腔長，利用功率計來監測最大輸出功率。

圖3 菲涅爾透鏡焦點處能量分布Fig.3 Energy distribution in the focus of Fresnel lens

3 討論與分析

經持續3 h測量（10 ∶40 ～13 ∶40），長春地區太陽光平均輸出功率密度為850 W/m2（面積為0.98 m×1.2 m，f=1.3 m）。到達菲涅爾透鏡接收面一側的光功率為850 W，通過計算得到菲涅爾透鏡焦點處光斑直接為14 mm。在實際測量中，得到焦點處的光功率為621 W，光斑直徑為23 mm，所以得到菲涅爾透鏡的聚光效率為73%。

由于菲涅爾透鏡焦點處聚焦的光斑能量分布不利于泵浦工作物質，所以采用了非成像光學邊緣光線原理設計的3D-CPC聚光系統作為二次聚光系統，能將非均勻的能量分布轉化成較均勻的能量分布，3D-CPC聚光系統具有較大的接收角，較小的輸出端口，如圖4（a）和（b）所示，在3DCPC聚光系統出口處平均光功率密度達到1.6×107W/m2，是菲涅爾透鏡焦點處的4倍，實驗中得到3D-CPC聚光系統出口處光功率348 W，聚光效率為56%。

圖4 3D-CPC出口處能量分布圖Fig.4 Energy distribution in the exit of the 3-DCPC

高效聚焦的太陽光被耦合進入橢圓柱形腔，這種類型的諧振腔在固體激光器中已經得到廣泛應用。此種結構比端面泵浦結構有很多優點，例如，可以將聚焦到腔內的光均勻化分布，均勻化分布的光更有利于激發高功率激光輸出，減少熱透鏡效應和熱壓問題。

直徑5 mm，長60 mm的Nd∶YAG晶體棒，選擇較小直徑的工作物質是為了更好的抑制高階模的產生，提升光束質量。實驗中采用平-平腔，激光棒一端鍍反射率高于99%的高反膜，另一端調節反射率從85%～98%，熱透鏡的焦距、鏡間距、g1和g2計算，得到腔處于穩態。

實驗利用遮光罩變化入射到諧振腔內的太陽光功率，得到了不同泵浦光對應得到不同的輸出激光。如圖 5所示，最大的輸出激光為 6.2 W，波長1064 nm，輸出耦合鏡反射率為95%，利用光纖光譜儀測量譜線寬度，隨著收集時間和頻率的改變，激光譜線寬度約為2 nm，從太陽光到激光的轉化效率為1.7%，激光產生的斜率效率達到3.8%。

圖5 輸出光和入射太陽光的關系曲線Fig.5 Laser power as function of the incident solar power

4 結 論

太陽光泵浦式激光器系統通過由菲涅爾透鏡和復合拋物鏡組成的高效聚光系統，有效地提高了泵浦光的功率密度。采用側面泵浦的方式，充分利用了泵浦光，使其更有效地激勵工作物質，獲得更大的激光輸出。利用小直徑的工作物質，可以有效地抑制高階模的產生，獲得較好質量的激光輸出。最終得到6.2 W的激光輸出，光-光轉換效率1.7%，斜率效率為3.8%。為后續設計大功率太陽光泵浦激光器的工作提供了堅實的理論基礎和實驗手段。

盡管太陽能泵浦式激光器目前還很難實現人們的需求，但是其發展前景不可忽視。后續工作將著重在陣列激光工作物質、更高效的收集聚光系統、對可見光吸收率更高的工作物質等方面的研究，可以實現在轉換效率方面得到突破，進而得到大功率的太陽光泵浦式激光器。