CN101142724A - 太阳光激励激光器和太阳光激励激光器的冷却方法 - Google Patents

太阳光激励激光器和太阳光激励激光器的冷却方法 Download PDF

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Abstract

目的：提供一种太阳光激励激光器及太阳光激励激光器的冷却方法。解决问题的手段：一种利用太阳光激励激光媒体以实现激光振荡的太阳光激励激光器(10)，该太阳光激励激光器包括：激光媒体(12)；容器装置(14)，用于支持其中的激光媒体(12)，容器装置(14)中有聚焦光学元件(22)，可以沿激光媒体(12)辐照被聚焦的太阳光，与此同时，在激光媒体(12)与容器装置(14)之间的空间内保留冷却液体；和一对光反射元件(16，18)，它们被安排成与激光媒体(12)的相对着的端部相邻。容器装置(14)的端部有Brewster角。此外，按照本发明的冷却液体包含作为光媒体功能的水，可以在清洁聚焦光学元件(22)的同时形成水透镜。

Description

太阳光激励激光器和太阳光激励激光器的冷却方法
技术领域
[0001]本发明涉及利用太阳光激励激光媒体以实现激光振荡的太阳光激励激光器，以及太阳光激励激光器的冷却方法。
背景技术
[0002]常规激光设备产生激光束主要是通过把电能转换成光的形式(接通电灯)或者是通过放电以激励激光媒体。众所周知，这种方法包含多个能量转换过程，并有较低的能效(不大于几个百分点)。其原因是，原先是高质量的电能通过低效率的能量转换过程而变成光。
[0003]在这一方面，太阳光可以用作激光振荡的光源，而不需要利用低效的电光转换过程。至今主要只有在研究所和大学实验室中研究太阳光激励激光器的原理。然而，很少进行旨在实际发展或实际应用有关的太阳光激励激光器的研究。
[0004]由于常规的太阳光激励激光器设备激励激光媒体是利用反射镜或透镜聚焦太阳光到激光媒体上，该设备不能做得很大，因此，它在工业中的应用是困难的。此外，虽然已经报告了各种实验研究，在所有报告的太阳光激励激光器中使用的模拟太阳光源具有大于10％的高效率。因此，我们可以说，还没有利用实际太阳光作为激励光源实现激光振荡的任何研究。为了利用太阳光作为太阳光激励激光器可以实际使用的激励光源，需要提高太阳光的能量密度，为的是在激光振荡能级上产生粒子数反转。在这种情况下，出现的问题是必须研究用于提高太阳光能量密度的反射镜和透镜的配置。
[0005]另一方面，我们至今已知的有关太阳光激励激光器的文献有，例如，Japanese Patent Laid-Open No.2003-188441(专利文献1)，Japanese Patent Laid-Open No.2003-012569(专利文献2)，JapanesePatent Laid-Open No.2002-255501(专利文献3)，和Japanese PatentLaid-Open No.H7-240553(专利文献4)。专利文献1公开一种太阳光激励激光器，该激光器有冷却剂围绕激光媒体流动的结构，但是没有公开利用低能效的太阳光实现高效激光振荡所需的能量密度。
[0006]图9表示至今已提出的常规太阳光激励激光器的剖面图。图9中所示的太阳光激励激光器100大致包括：费涅耳透镜102，有反射光学系统的容器框架104，用于反射被费涅耳透镜102聚焦的太阳光，和激光媒体106。全反射镜108设置在激光媒体106的一个端部上，而半反射镜110设置在它的另一个端部上，用于辐照沿箭头X所示方向的激光束。在容器框架104的内部保留作为冷却剂的空气。如图9所示，激励太阳光是从它的一个表面进入激光媒体106。由于全反射镜108设置在这个入射面上，在沿激光束传输方向上的激光媒体106不能被有效地激励。此外，在这种配置中，太阳光可以进入容器框架104的开口与太阳光不能到达激光媒体106之间的横截面不能有很大的面积比，重要的限制是，从太阳光功率到激光束的功率放大效应的上限是受这个面积比的限制。此外，太阳光很难被容器框架104内设置的反射元件聚焦，因此，辐照到激光媒体的太阳光成为散射光。所以，在这种配置中，在沿激光振荡的方向上不能有效地激励激光媒体106。此外，由于空气用作冷却剂，它很难使激光媒体得到冷却，因此，这种配置不能解决有效地冷却作为聚焦光学系统的激光媒体和费涅耳透镜102的问题。
[0007]就是说，上述现有技术中公开的激光系统只是使用现有的激光冷却方法，但是它缺乏实际使用聚焦太阳光到激光媒体上的方法，此外，在这个激光系统中包含的透镜和反射镜不能适合于太阳光激励激光器的工业应用。此外，该激光系统采用非对称的光学排列，其中激励光是沿激光材料的轴向传播，这可以产生这样的问题，均匀激励该激光材料的困难的，从而导致低的效率。
[专利文献1]Japanese Patent Laid-Open No.2003-188441
[专利文献2]Japanese Patent Laid-Open No.2003-012569
[专利文献3]Japanese Patent Laid-Open No.2002-255501
[专利文献4]Japanese Patent Laid-Open No.H7-240553
发明内容
本发明需要解决的问题
[0008]本发明的目的是提高可再生能量的质量，更具体地说，提供一种有效地利用太阳光实现激光振荡的工业可用的太阳光激励激光器，该激光器的冷却方法，以及利用太阳光激励激光器的设备。更具体地说，本发明的目的可以降低作为最终可再生能量的太阳光的熵，因此它可以：
(1)在合适的激光振荡条件下，通过有效地注入太阳光到激光媒体中，提供一种高效的太阳光激励激光器，和
(2)提供一种太阳光激励激光器的冷却方法，这是有效注入太阳光到激光媒体中所必需的。
解决该问题的手段
[0009]本发明在这样思想的基础上进行研究，利用太阳光的聚焦光学系统的液体可以解决各种问题，它是源于构造大规模的固体结构，并包含一个具体的问题，由于热畸变造成部分膨胀率之差，大的玻璃构件，例如，透镜，是很容易破裂的。就是说，使用冷却液体，具体是水，作为聚焦光学元件所需的大量透镜材料，它能够实现直接冷却和高度有效的激光振荡，可以使聚焦光学元件的冷却设施得到简化，从而能够构造一个大规模的系统。此外，利用可以同时冷却聚焦光学元件和激光媒体的冷却液体便于构造这个大规模的系统，并可以去掉用于冷却激光媒体的结构。
[0010]就是说，按照本发明，提供一种利用太阳光激励激光媒体以实现激光振荡的太阳光激励激光器，该太阳光激励激光器包括：激光媒体；支持其中激光媒体的容器装置，该容器装置有聚焦光学元件，在激光媒体与容器装置之间的空间内保留冷却液体的同时，可以辐照沿激光媒体聚焦的太阳光；和一对光反射元件，它们被安排成与激光媒体的相对着的端部相邻。
[0011]按照本发明，该容器装置可以有传输太阳光通过的部分，容器装置的传输太阳光部分的横截面形状和冷却液体的折射率共同形成一个聚焦光学元件以激励激光媒体。冷却液体可以是水，聚焦光学元件利用水作为光媒体以形成水透镜，和聚焦光学元件在所述容器装置的一个端部有形成的抗反射薄膜。容器装置在横跨激光媒体的方向上可以有非对称的横截面形状，并容纳对应于太阳光波长区的多种激光媒体。太阳光激励激光器可以有分开的光学元件，用于分开地聚焦来自容器装置中聚焦光学元件的太阳光。激光媒体可以包含吸收太阳光中所含波长的化学物质，用于直接或通过能量转移产生粒子数反转。
[0012]激光媒体选自由下列构成的一个组：红宝石(Cr3+:Al2O3)；YAG(Nd3+:Y3Al5O12)；变石(Cr3+:BeAl2O4)；绿宝石(Cr3+:Be3Al2(SiO3)6)；由通式A3B2C3O12表示的激光媒体，它是通过添加Cr3+和Nd3+到石榴石中形成的，位置A是选自由Ga和Al构成的一个组中的元素，位置B是选自由Ga，Sc和Lu构成的一个组中的元素，位置C是选自由Y，Gd，La和Lu构成的一个组中的元素；蓝宝石(Ti3+:Al2O3)；Co2+:MgF2；Cr3+:ScBO3；Nd3+:GGG(Gd3Ga5O12)；Cr和Nd:GSGG(Gd3(GaSc)5O12)；以及含玻璃材料的激光媒体，掺有含Ce，Pr，Pm，Sm，Eu，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb或Lu及其离子的镧系元素的激光媒体，或掺有含过渡金属元素或所述过渡金属元素离子的玻璃的激光媒体。
[0013]按照本发明的激光媒体可以有中心部分和边缘部分，用于增大被聚焦太阳光的入射角。激光媒体的中心部分是掺杂的，而激光媒体的边缘部分是未掺杂的。中心部分的掺杂剂浓度可以在约0.1原子百分比至约4.0原子百分比的范围内。
[0014]按照本发明的第二方面，提供一种利用太阳光激励激光媒体以实现激光振荡的太阳光激励激光器的冷却方法，该冷却方法包括以下步骤：在激光媒体与有聚焦光学元件的容器装置之间的空间内保留冷却液体；和聚焦太阳光到该激光媒体上。
[0015]冷却液体可以同时冷却容器装置和聚焦光学元件。该容器装置可以有传输太阳光通过的部分，而传输太阳光的部分的横截面形状和冷却液体的折射率共同形成聚焦光学元件。包含化学物质的固体用作激光媒体，通过吸收太阳光中所含的波长，该化学物质产生粒子数反转。
本发明的优点
[0016]按照本发明，可以提供一种利用太阳光激励激光媒体的太阳光激励激光器，该激光器是高效的并可应用于大规模的装置。
[0017]此外，按照本发明，可以提供一种能够同时冷却和聚焦太阳光的太阳光激励激光器的冷却方法。
具体实施方式
[0018]以下的本发明描述是参照附图中所示的实施例，然而，本发明不局限于附图中所示的具体实施例。图1表示按照本发明太阳光激励激光器10的配置示意图。按照本发明的太阳光激励激光器10包括：激光媒体12；支持激光媒体12的容器装置14；设置在激光媒体12一个端部上的全反射镜16，和设置在另一个端部上的半反射镜18。容器装置14还包含反射元件22，用于聚焦太阳光到激光媒体12上，和按照光学方式激励激光媒体12以产生粒子数反转。
[0019]当激光媒体12被直接曝露在容器装置14的每个端部上时，图1所示容器装置14的两个端部给出材料规定的Brewster角，该材料形成容器装置14和空气或激光媒体12和空气的每个端部。此外，在不要求Brewster角时，可以有其他角度的端部。容器装置14可以与激光媒体12形成整体，或利用合适的凸缘，O圈等，激光媒体12可以固定到容器装置14的每个端部上。此外，按照图1所示的实施例，容器装置的两个端部被涂敷ARC(抗反射涂层)以减小被产生激光束的反射。此外，形成的ARC可以是多层介电薄膜或金属沉积薄膜。在本发明中可以省略ARC，其中可以接受没有抗反射处理的容器装置14。容器装置14中可以充满冷却液体，例如，水，用于冷却与激光振荡伴随的激光媒体12并防止激光媒体因热冲击造成的损伤。容器装置的横截面形状可以是圆形，椭圆形或抛物形。若采用圆形横截面的容器装置，则激光媒体设置在根据容器装置的曲率和冷却媒体的折射率确定的位置上。此外，若采用椭圆形横截面的容器装置，则激光媒体可以设置在一个焦点上，可以聚焦太阳光到另一个焦点。这些形状可以组合使用，以聚焦太阳光到激光媒体上。
[0020]在本发明中，除了水以外的冷却液体包括：酒精，例如，戊醇，芳基醇，异戊醇，异丁醇，异丙醇，十一烷醇，乙醇，2-乙基丁醇，2-乙基己醇，2-辛醇，n-辛醇，glycydol，环己醇，3，5-二甲基-1-己炔-3-醇，n-癸醇，四氢糠醇，α萜品醇，新戊醇，壬醇，杂醇油，丁醇，糠醇，炔丙醇，丙醇，己醇，庚醇，苯甲醇，戊醇，甲醇，甲基环己醇，2-甲基-1-丁醇，3-甲基-2-丁醇，3-甲基-1-丁炔-3-醇，4-甲基-2-戊醇，和3-甲基-1-戊炔-3-醇。
[0021]以上的溶剂还包括：醚和/或乙缩醛溶剂，例如，苯甲醚，乙基异戊基醚，乙基特丁基醚，乙基苄基醚，环氧丁烷，上等醚，甲苯基醚，二异戊醚，二异丙醚，二乙基乙缩醛，乙醚，二噁烷，1，8桉树脑，二苯基醚，二丁醚，二丙醚，二苄醚，二甲醚，四氢吡喃，四氢呋喃，三噁烷，二(2-氯乙基)醚，苯乙醚，丁基苯基醚，呋喃，糠醛，甲缩醛，甲基丁基醚，甲基呋喃，和一氯二乙醚。
[0022]以上的溶剂还可以包括：酮和/或醛酸溶剂，例如，乙酰丙酮，乙酰醛，乙酰苯，丙酮，isohoron，乙基丁基酮，双丙酮醇，二异丁酮，二异丙基酮，二乙基甲酮，环己烷，二丙基甲酮，horon，异亚丙基丙酮，甲基戊基酮，甲基异丁基酮，甲基乙基甲酮，甲基环己烷，甲基丁基酮，甲基丙基酮，甲基十六烷基酮，和甲基庚基酮。
[0023]以上的溶剂还包括：多价醇，例如，乙基乙二醇，乙基乙二醇二丁醚，乙二醇二乙醋酸酯，乙二醇二丁醚，乙二醇二甲醚，乙二醇单醋酸酯，乙基乙二醇异丙醚，乙二醇-乙基醚，乙基乙二醇一乙基醚醋酸，乙基乙二醇一苯基醚，乙基乙二醇一丁基醚，乙基乙二醇一丁基醚醋酸，乙基乙二醇己基醚，乙基乙二醇一甲基醚，乙基乙二醇一甲基醚醋酸，乙基乙二醇一甲氧基甲基醚，氯乙醇乙烯，1，3-辛烯甘醇，丙三醇，丙三醇1，3双醋酸酯，丙三醇二羧基醚，丙三醇油酸醚，丙三醇三醋酸酯，丙三醇三金酸盐，丙三醇一醋酸酯，2-氯-1，3-propahnediol，3-氯-1，2-propahnediol，二甘醇，二甘醇乙基甲基醚，聚丙二醇酯乙二醇及其衍生物。
[0024]响应于具体的要求，以上的溶剂还包括：羧酸衍生物，例如，异戊酸，异丁酸，衣康酸，2乙基六十烷酸，2乙基醋酸，油酸，辛酸，己酸，甲酸，戊酸，醋酸，乳酸，特戊酸，和丙酸；酚，例如，乙基苯酚，辛基苯酚，儿茶酚，quaiacol，二甲苯酚，异丙基苯酚，甲酚，十二烷苯酚，naphtol，壬基苯酚，苯酚，苄基苯酚，和甲氧基苯酚；含氮化合物，例如，乙腈，丙酮合腈化氢，苯胺，芳基胺，戊胺，异喹啉，异丁胺，异丙醇胺，异丙胺，咪唑，N乙基乙醇胺，2乙基己胺，N乙基吗啉，乙二胺，己内酰胺，喹啉，氯苯胺，氰基醋酸乙酯，二戊胺，异丁胺，二异丙胺，二异丙基丙胺，diaethanolamine，N，N-diethylaniline，diethylamine，diethylbenzylamine，二乙撑三胺，dioctylamine，环己胺，三乙胺，三戊胺，三辛胺，triethanolamine，三乙胺，trioctylamine，tri-n-butylamine，三丙胺，三甲胺，甲苯胺，硝基茴香醚，picorin，pyperadine，pyrradine，pyrridine，pyrrolidine，N-苯替吗啉，吗啉，丁胺，庚胺，和二甲基吡啶；卤酸，例如，卤代羧酸；含硫复合物溶剂；氟化物溶剂，例如，四氟丙炔酸；聚合物，例如，硅油；液态氨；液态碳酸；氯化氧磷；和这些溶剂中某些溶剂任何比例的混合物。
[0025]在本发明中，由于容器装置14有聚焦太阳光到激光媒体12上的功能，并在其中保留冷却液体，利用冷却液体可以同时冷却容器装置14和激光媒体。从成本和可操作性的观点考虑，水是优选的冷却液体。此外，冷却媒体可以传输太阳光，与此同时，在容器装置中包含或流动的冷却媒体具有的形状能够聚焦太阳光到激光媒体上。
[0026]此外，在本发明中可以利用发光二极管或半导体激光器，它产生的激光束具有对应的激光波长，为的是合适地触发激光振荡。此外，为了触发激光振荡，可以利用有光学Kerr效应的材料和偏振片，用于起偏一个偏振角以响应外部的电触发。此外，可以利用过饱和的染料以触发Q开关模式下的激光振荡。
[0027]在本发明中可以使用任何的激光媒体，它不受其形状，状态，例如，固体或液体，和化学成分的限制，只要它能够有效地吸收在太阳光中所含波长范围内的波长，用于激励激光活性物质并产生粒子数反转。按照本发明的优选实施例，激光媒体可以制成光透明棒，它的直径是几毫米至几厘米的范围内。在本发明中可用的激光媒体包括：例如，红宝石(Cr3+:Al2O3)；YAG(Nd3+:Y3Al5O12)；变石(Cr3+:BeAl2O4)；绿宝石(Cr3+:Be3Al2(SiO3)6)；由通式A3B2C3O12表示的激光媒体，它是通过添加Cr3+和Nd3+到石榴石中形成的，其中位置A是使用选自由使用的Ga和Al构成的组中的元素，位置B是使用选自由使用的Ga，Sc和Lu构成的组中的元素，位置C是使用选自由使用的Y，Gd，La和Lu构成的组中的元素；蓝宝石(Ti3+:Al2O3)；Co2+:MgF2；Cr3+:ScBO3；Nd3+:GGG(Gd3Ga5O12)；Cr和Nd:GSGG(Gd3(GaSc)5O12)。可以使用任何的激光媒体，只要它的晶体场能够在太阳光的范围内形成合适的吸收带。此外，可以利用包括掺其他稀土元素玻璃的激光媒体作为激光媒体12，例如，掺有含Ce，Pr，Pm，Sm，Eu，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb或Lu及其离子的镧系元素，或掺有含过渡金属元素或所述过渡金属元素离子的玻璃，且有不同的特征。
[0028]反射镜16可以是这样构成的，它利用有金属涂层的反射镜，例如，AL沉积；包含介质多层涂层的反射镜，其中激光振荡波长可以被该涂层有选择地反射；或利用其全反射的棱镜系统。优选的半反射镜18是涂敷介质多层薄膜的反射镜，它的透射率是在约10％至约90％的范围内。此外，包含介质多层薄膜涂层或金属涂层的任何已知涂层可用于本发明中的反射元件22。
[0029]图2说明按照本发明的容器装置14中聚焦光学系统的功能。如图2所示，按照本发明的聚焦光学系统利用壳层SH使激光媒体12与外部环境OC隔开。外部环境OC通常是空气和真空，其折射率为n0。制成的壳层SH作为容器装置14的壁，而与容器装置14的壁分开制成的凹透镜或凸透镜的材料折射率为ns，从而形成界面C1，C2。此外，在激光媒体12与壳层SH之间的空间内充满冷却液体CT，冷却液体CT的折射率为nc。光在有不同折射率的边界面上改变它的光程。在本发明中，为了聚焦从外部环境OC进入到激光媒体12的太阳光，使用的壳层SH的折射率和冷却液体CT的折射率能够灵活地聚焦太阳光到激光媒体12上。例如，壳层SH可以制成凹透镜或凸透镜，或可以由平坦玻璃板与弯曲玻璃板的组合制成以形成闭合空间，其中充满折射率为nz的光学媒体。
[0030]图3表示按照本发明的太阳光激励激光器10沿图1中直线A-A的剖面结构图。在本发明中，如图3(a)所示，按照本发明的容器装置14接收太阳光20，并有相对于激光媒体12的非对称形状，其中在与太阳光入射面的相对面上形成抛物形的反射元件22，而容器装置14上有聚焦光学元件。此外，激光媒体12与抛物面的焦点对准，并聚焦从入射窗24进入的太阳光，例如，利用分开制成的反射镜形成高度聚焦的平行光。吸收太阳光20以产生粒子数反转的激光媒体沿垂直于附图平面的方向振荡激光束。图3(b)表示按照本发明另一个实施例的容器装置14。在图3(b)所示的实施例中，入射窗24形成柱面凹透镜，而其内表面是由冷却液体进行冷却。按照本发明，石英玻璃，硼硅玻璃，耐热玻璃和强化玻璃可以用作入射窗24。在图3(b)所示的实施例中，太阳光20被有很大面积并进入入射窗24的主激励光学系统(未画出)聚焦。入射的太阳光20被入射窗24转换成平行光，然后被反射元件22聚焦，可以由高于图3(a)所示的能量密度激励激光媒体12。
[0031]此外，图3(c)表示形成入射窗24进入柱面凸透镜的实施例，它的结构是，光首先被直接聚焦到激光媒体12上，且传输通过激光媒体12的光被再次聚焦到激光媒体12上。此外，图3(d)表示形成入射窗24进入非球面透镜的实施例。在图3(d)所示的实施例中，按照光被直接聚焦到激光媒体上的光程与光被反射元件22反射之后聚焦的光程之差，使入射窗24可以有多种曲率。
[0032]图4表示按照本发明另一个实施例的太阳光激励激光器10。参照图4，在容器装置14中，太阳光进入的部分容器装置14和冷却液体的折射率共同形成聚焦透镜。在图4(a)所示的实施例中，容器装置14是圆柱形，而被转换成平行光的太阳光是从入射面26进入的。入射面26是弯曲的表面，其功能是作为聚焦透镜和作为光学媒体的液体共同聚焦太阳光20到激光媒体12上。此外，在图4(b)所示的实施例中，反射元件28设置在与容器装置14中的激光媒体12的入射面26相对的位置上，并再次反射通过激光媒体12传输的太阳光到激光媒体12上。此外，在图4所示的实施例中，容器装置14在其内部保留冷却液体，可以同时冷却激光媒体12和有聚焦功能的光学元件。
[0033]如以上所描述的，由于在本发明中的激光媒体和聚焦光学元件是同时被冷却的，太阳光激励激光器10能够构成一个大规模的系统，而没有出现与太阳光激励激光器10的尺寸有关的特殊问题，即，由于面积增大而造成透镜系统和冷却机构的精度和强度问题。此外，在本发明中，入射面26与有凸面的容器装置14的壁不是整体制成的，而可以形成与容器装置14整体或分开固定的柱面凹透镜。在这些情况下，柱面凹透镜也是被冷却液体直接冷却。此外，在利用水作为冷却液体时，该冷却液体具有清洁聚焦光学元件的效应，例如，清洁入射面26，因此，可以长期使用太阳光激励激光器10，在苛刻的环境下无须进行维护，例如，在沙漠的环境下。
[0034]图5表示红宝石和变石晶体场的能级图，即，按照本发明太阳光激励激光器10所用的激光媒体。此外，本发明中的激光媒体不限于图5所示的激光媒体，只要它能够吸收太阳光中所含波长约400nm至约700nm范围内的光以产生粒子数反转。参照图5，红宝石和变石晶体场的能级是相似的，例如，其能级从下至上是2E能级，2T1能级，4T2能带，2T2能级和4T1能带。在这些能带中，4T2能带和4T1能带是从基态中4A2开始的光学容许能级，它们可以分别形成在约550nm和约410nm的邻近给出最大吸收的U能带和Y能带。
[0035]粒子数反转的产生是通过从激发能级到2E能级的光学禁带能级的非辐射跃迁，或者在变石的情况下，分别是2E能级和4T2能级。虽然从2E能级至4T2能级的跃迁是光学禁止的，由于光子耦合造成的对称性变化可以产生振动允许的跃迁，它能够形成激光振荡。另一方面，在变石的情况下，2E至4A2的跃迁和4T2至4A2的跃迁给出能够实现激光振荡的粒子数反转。其中2E至4A2的跃迁是振动允许的跃迁，然而，4T2至4A2的跃迁是光学禁止的。所以，它能够实现高强度的激光振荡。在本发明中，在不考虑具体限制的激光振荡效率下，可以选取红宝石和变石之外的其他激光媒体，只要该激光媒体有类似于红宝石和变石的晶体场和能级。此外，在本发明中，多种不同的激光媒体可以设置在容器装置14和波长选择装置中，用于聚焦对应于多种激光媒体的最合适波长到对应的激光媒体上以激励该多种激光媒体。此外，若按照本发明的太阳光激励激光器是用在地球大气层之外的空间中，则不需要激励在地面上所含400nm至700nm范围内可见光的下激光媒体，在本发明中，可以利用这样的激光媒体，该激光媒体能够吸收从X射线区到红外光区范围内的波长以产生粒子数反转。
[0036]图6表示另一个实施例的太阳光激励激光器。在图6所示的实施例中，可以使用多种激光媒体12a和12b，它们可以实现激光振荡并有按照不同波长吸收率的不同波长。此外，相对于激光媒体12a和12b倾斜的光学元件30设置在入射窗24以下，其中保留用于冷却光学元件30的冷却液体，且入射窗24被冷却液体冷却。冷却液体的折射率相对于短波长的元件是大的，而相对于长波长的元件是小的，这些波长是在太阳光20中所含的波长。所以，图6所示倾斜的光学元件30可以使所谓的色差增大，因此，对应的太阳光束被分别聚焦到激光媒体12a和12b上。在图6所示的实施例中，对应于Cr3+:Al2O3(红宝石)中Y能带的吸收波长(约406nm)被聚焦到激光媒体12a上，而对应于Co2+:MgF2中最大吸收的约1300nm的光束被聚焦到激光媒体12b上。即使在图6所示的实施例中，光学元件30是被支持在冷却液体中，为的是同时进行冷却。此外，能够提高转化效率和有效地使用太阳光。此外，在本发明中，容器装置14或聚焦光学元件可以被聚焦光学系统(未画出)驱动。在图6所示的实施例中，容器装置14可以配置一个根据太阳周日运动用于旋转光学元件30的系统，例如，设置由太阳能电池驱动的步进电机到光学元件30的两个端部上，它可以沿附图平面上的水平方向旋转光学元件30。
[0037]在以上结构的基础上，通过模拟太阳光激励激光器的输出进行研究。直径为1mm的Nd3+:YAG棒用作激光媒体，我们发现，太阳光的光聚焦系统宽度是10cm，可以给出用于图4所示结构的太阳光激励激光器产生粒子数反转所需的足够功率密度以实现激光振荡。Nd3+:YAG的激光振荡效率用于模拟它的效率，其条件是直径为10cm的柱面凸透镜用于聚焦太阳光激励激光器的光，和太阳光激励激光器的激光媒体长度是1m。其结果是，我们估算的太阳光激励激光器的光-光转换效率约为30％。理论上可以说明，利用这个数值转换输入的太阳光功率，可以产生对应于几十瓦的激光输出。
[0038]图7表示本发明另一种形状激光媒体的实施例。图7所示的激光媒体40是截头圆锥形，并有这样的组成，其中圆柱部分42在其中心的掺杂剂浓度不同于边缘部分44的掺杂剂浓度。在图7所示的实施例中，太阳光20是从r＝1000mm的聚焦透镜(未画出)聚焦的，其中假设F＝0.5。圆柱部分42是由掺杂的Nd:YAG制成，它的掺杂剂浓度是相对于Cr和Nd的0.1原子百分比至4.0原子百分比。本发明所用的上述非圆柱形激光媒体可以利用任何已知方法的组合制成，包括：一种利用水热合成法形成有不同掺杂剂浓度部分的方法，在此之后，利用热固性硅树脂使各个部分互相粘贴，一种在不同的掺杂剂浓度下多次重复水热合成法制成各个部分的方法，一种热扩散粘接方法，和根据激光媒体的大小，在离子植入之后的退火处理。另一方面，边缘部分44是由未掺杂的纯YAG制成，并相对于激光媒体40的高度H有倾斜角θ。按照图7所示的实施例，我们发现，在约15度至约60度范围内的θ角是优选的，更优选的是在约20度至约40度范围内，它可以增大太阳光20的吸收比和功率体密度约6倍。此外，在图7所示的激光媒体实施例中，从聚焦光学元件(未画出)聚焦的太阳光20的入射角可以是尽可能接近直角的角度，而且，在激光媒体40的中心附近可以产生激光振荡，因此，太阳光激光器可以更有效地产生振荡。
[0039]图8表示本发明另一个实施例的可用激光媒体50。图8所示的激光媒体50是由中心平板52和边缘部分54构成，其方式与图7中描述的类似。中心平板52是由掺杂的Nd:YAG制成，而边缘部分54是由未掺杂的YAG制成。在图8(a)和8(b)中，凸块56设置在中心平板52的两个端部，使激光振荡的特征是曲折平板型。在图8(c)和8(d)中，通过改变激光媒体50两个端部的形状，控制它的激光振荡特征成为直平板型。此外，在图8所示四个实施例的激光媒体50中，在中心平板52的Nd:YAG中Nd3+的掺杂浓度改变成0.4原子百分比，1.0原子百分比和2.0原子百分比，而对于总数为12种类型的激光媒体50，进行射线跟踪模拟，其中假设太阳光20是从直径为1000mm和F＝1.0的球面透镜辐照到长度为11.2mm，全宽为9mm和高度为2.0mm的激光媒体50上。其结果是，类似于图7所示的情况，若边缘部分54的角度是在20度至60度的范围内，更好的是在20度至50度的范围内，最好是在20度至40度的范围内时，则太阳光的吸收效率可以增大约6倍，而且，我们还发现，可以给太阳光激励激光器提供更有效的激光媒体。此外，图9中所示激光媒体50的吸收特征是不同的，但是，在太阳光是从较窄部分和较宽部分进入的情况下，其吸收效率的增大几乎是在相同的水平上。
[0040]按照本发明的太阳光激励激光器可以用于采用光解作用的氧气发生器，激光功率发射器，激光驱动车辆，航天器和船只，利用光解作用去除环境有害物质的去除装置，以及激光处理机器。利用可再生的能量，太阳光激励激光器能够构造一种重量轻的系统并实现激光振荡。所以，由于不需要使用激光振荡的其他能量，例如，太阳光激励激光器可以安装在航天器和应用于高密度的光通信设备，从而实现人造卫星或行星，驱动装置等之间的通信。
工业可应用性
[0041]按照本发明的太阳光激励激光器能够同时冷却激光媒体和太阳光聚焦的光学系统。因此，太阳光激励激光器能够容易地适应设备规模的增大，降低维护激光媒体和制造聚焦光学系统的成本，和提高与改进光聚焦效率伴随的输出。此外，该太阳光激励激光器能够是重量轻的，并有效地减小可再生能量的熵。所以，应用太阳光激励激光器到利用激光器的各种设备中可以提供有减小环境负荷的工业设备。
附图说明
[0042]图1是按照本发明太阳光激励激光器的侧视图。
图2是用于解释按照本发明聚焦光学元件功能的视图。
图3是按照本发明一个实施例太阳光激励激光器的剖面图。
图4是按照本发明另一个实施例太阳光激励激光器的剖面图。
图5表示本发明中所用激光媒体的能级关系图。
图6表示按照本发明另一个实施例太阳光激励激光器。
图7表示按照本发明一个实施例太阳光激励激光器中的激光媒体。
图8表示按照本发明太阳光激励激光器中所用的另一个实施例激光媒体。
图9表示常规太阳光激励激光器的结构。
[0043]数字标记
10：太阳光激励激光器，12，40，50：激光媒体，14：容器装置，16：全反射镜，18：半反射镜，20：太阳光，22，反射元件，24：入射窗，26：入射面，28：反射元件，30：光学元件，100：太阳光激励激光器，102：费涅耳透镜，104：容器框架，106：激光媒体，108：全反射镜，110：半反射镜，ARC：抗反射涂层，SH：壳层，CT：冷却液体。

Claims (15)

1.一种利用太阳光激励激光媒体以实现激光振荡的太阳光激励激光器，包括：
激光媒体；
容器装置，用于支持其中的所述激光媒体，所述容器装置中有聚焦光学元件，可以沿所述激光媒体辐照被聚焦的太阳光，与此同时，在所述激光媒体与所述容器装置之间的空间内保留冷却液体；和
一对光反射元件，它们被安排成与所述激光媒体的相对着的端部相邻。
2.按照权利要求1的太阳光激励激光器，其中所述容器装置中有传输太阳光通过的部分，所述容器装置的所述传输太阳光部分的横截面形状和所述冷却液体的折射率共同形成聚焦光学元件以激励所述激光媒体。
3.按照权利要求1的太阳光激励激光器，其中所述冷却液体是水，且所述聚焦光学元件利用水作为光媒体以形成水透镜，和所述聚焦光学元件有形成在所述容器装置一个端部上的抗反射薄膜。
4.按照权利要求1的太阳光激励激光器，其中所述容器装置在横跨所述激光媒体的方向上有非对称形状的横截面形状，并容纳对应于太阳光波长区的多种激光媒体。
5.按照权利要求1的太阳光激励激光器，其中所述太阳光激励激光器有分开的光学元件，用于分开地聚焦来自所述容器装置中的所述聚焦光学元件的太阳光。
6.按照权利要求1的太阳光激励激光器，其中所述激光媒体包含可以吸收太阳光中所含波长的化学物质，可以直接或通过能量转移产生粒子数反转。
7.按照权利要求1的太阳光激励激光器，其中所述激光媒体选自由下列构成的组：红宝石(Cr3+:Al2O3)；YAG(Nd3+:Y3Al5O12)；变石(Cr3+:BeAl2O4)；绿宝石(Cr3+:Be3Al2(SiO3)6)；通式A3B2C3O12表示的激光媒体，它是通过添加Cr3+和Nd3+到石榴石中制成的，其中位置A是选自由Ga和Al构成的组中的元素，位置B是选自由Ga，Sc和Lu构成的组中的元素，位置C是选自由Y，Gd，La和Lu构成的组中的元素；蓝宝石(Ti3+:Al2O3)；Co2+:MgF2；Cr3+:ScBO3；Nd3+:GGG(Gd3Ga5O12)；Cr和Nd:GSGG(Gd3(GaSc)5O12)；以及含玻璃材料的激光媒体，掺有含Ce，Pr，Pm，Sm，Eu，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb或Lu及其离子的镧系元素的激光媒体，或掺有含过渡金属元素或所述过渡金属元素的离子的玻璃的激光媒体。
8.按照权利要求4的太阳光激励激光器，其中所述太阳光激励激光器的所述非对称形状是根据太阳周日运动伴随的太阳光入射角而变化。
9.按照权利要求4的太阳光激励激光器，其中所述激光媒体有中心部分和边缘部分，用于增大聚焦太阳光的入射角。
10.按照权利要求9的太阳光激励激光器，其中所述激光媒体的中心部分是掺杂的，而所述激光媒体的边缘部分是未掺杂的。
11.按照权利要求9的太阳光激励激光器，其中所述中心部分的掺杂剂浓度是在约0.1原子百分比至约4.0原子百分比的范围内。
12.一种利用太阳光激励激光媒体以实现激光振荡的太阳光激励激光器的冷却方法，所述冷却方法包括以下步骤：
在所述激光媒体与有聚焦光学元件的容器装置之间的空间内保留冷却液体；和
聚焦太阳光到所述激光媒体上。
13.按照权利要求12的冷却方法，其中所述冷却液体同时冷却所述容器装置和所述聚焦光学元件。
14.按照权利要求12的太阳光激励激光器的冷却方法，其中所述容器装置中有传输太阳光通过的部分，而所述传输太阳光的部分的横截面形状和所述冷却液体的折射率共同形成所述聚焦光学元件。
15.按照权利要求12的太阳光激励激光器的冷却方法，其中一种包含化学物质的固体用作所述激光媒体，通过吸收太阳光中所含的波长，所述化学物质产生粒子数反转。
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