CN103576320A - 光子晶体光波导太阳光谱分光器 - Google Patents

Abstract

一种太阳光谱分光器有一系列空心光波导构成。所有的空心光波导都由光子晶体材料制成。除最外层的光波导外，每一个光波导都嵌套在另一个光波导的内部，从而构成一个分光器结构。每层光波导都被设定束缚某一频段的光。每一光波导都弯折并穿越其外层光波导来转移出所束缚的光谱成分。当聚焦的阳光入射到最内层的空心光波导后，其光谱成分就被依次分离出来。

Description

光子晶体光波导太阳光谱分光器

技术领域

本发明涉及一种光学光谱仪。更具体的说本发明涉及一步式光子晶体光波导太阳光谱分光器。

背景技术

雨后的彩虹经常在天际形成一道美丽的风景线。彩虹的美丽色泽来自太阳光的宽广光谱。当太阳光谱通过湿空气中的雨滴折射被分离后，一道壮观的景象就在天边形成了。象在自然界中一样，在科学界中，宽波段的光也常常需要被分离为其组成成分。具体的在能源利用领域，例如在聚光太阳能光伏领域，就很有必要将聚焦的太阳光进行分离而且将分离的成分传导到不同的地方。例如，在超高效率聚光光伏系统的设计过程中，其中一种实现途经分离聚焦的太阳光并将分离的成分传导到禁带宽度与之匹配的的半导体太阳电池上；这些太阳电池连接构成集成电路太阳电池以最大化电力输出。在用于超高效率集成电路太阳电池的太阳光谱分光器中，高强度的光子流在流动的过程中被分离成不同波长的成分；这些不同的波长成分被传输到其禁带宽度与光子能量匹配的半导体太阳电池中。用于超高效率光伏应用的太阳光谱分光器必须在光谱分光和能量传输两方面都具有高效性。

用于分离光或者分析光波长成分的仪器叫做光谱仪。现有绝大多数光谱仪都是成象系统，其包含三个主要的部分[1]，由准直透镜构成的准直单元，光谱单元，由聚焦透镜构成的照相机或者望远镜。在成像系统中，通过把光谱单元设置在光圈站点上，系统机构就可以形成单色光的影象。影像的场是由在准直透镜的前焦平面光圈的场决定的。聚焦透镜完成站点场的成像。

光谱单元是所有光谱仪的基础部件。在可见光和近可见光光谱区间，此单元通常是棱镜，光栅，法布里-波罗干涉仪，或者是一种版本的密切尔森干涉仪[1]。这些光谱单元在平面波下操作。棱镜根据不同的光波长改变光的传播方向。准直光学系统衍射入射光平面上的每一个点来产生平面波。聚光透镜将不同的离开光谱单元的平面波汇聚到不同的点上，从而完成出射能量的空间分析。

相对于能源利用，当前基于平面波干涉和材料折射的光谱仪无法完成根据光波长分离高强度光能流并且高效率传输分离的光能流成份的任务。换句话来说，作为能量应用的光谱仪必须同时分离光谱和收集分离后的成分。具体地说，迄今为止，绝大多数光谱仪都具有以下缺点：

1)作为成像系统，现有的绝大多数光谱仪只能处理平行光或者平面波。但是对太阳能应用，太阳光是直射光和散射光的混合。现有的光谱仪无法处理散射光。

2)大多数光谱仪是用于分析入射光获得光谱信息的。他们并不适合做能量应用。

3)在现有的光谱仪中，直射光是在自由空间中传播的，不象在光波导中，其能量流动是不可控制的。

4)现有光谱仪的分辨率是由分光方式决定的。

5)单个光谱仪无法同时处理宽波段的频谱。

6)现有光谱仪的功率输出是由其本质属性所决定的，因而其不适合做能量处理设备。

7)现有光谱仪的结构比较复杂。

8)现有光谱仪系统不够紧凑。

9)现有光谱仪系统由精密的光学过程构成，所以其整个系统不够可靠耐用。

10)现有的光谱仪通常最为独立的光谱分析仪器加以应用，其不易集成进入其他系统。

11)应用于现有光谱仪的精密光学系统非常昂贵。

由此可见，现有光谱仪的本质属性将其限制在处理平行光或者平面波，他们无法处理散射光和其他类型的波。通常情况下，现有的光谱仪需要准直光学系统和输出光学系统来完成分离光的作用，这使得系统结构过于复杂。现有光谱仪中，入射光和出射光都在自由空间中传播没有束缚，因而其很难同时实现光谱分离和分离组分的收集。现有的光谱仪更适合做光谱分析。从能量利用的角度出发，现有光谱仪的工作原理不可能有效地分离和收集宽波段的光谱。现有的光谱仪依靠输入和输出光学系统的帮助来实现光谱的有效分离。系统在光谱分析方面非常有效，但是其在能量分离方面并非有效。

光子晶体新材料的出现使得构造全新分光机制的光谱仪成为可能。一些发明简单地采用光子晶体过滤出入射光中一个或多个成分。在他们的结构中，入射光和分离的成分均在自由空间中传播。在我本人的专利(US7382958)中，我公开了一种光子晶体光波导光谱仪。在此项发明中，一系列光子晶体光波导和一系列全波段空心光波导嵌套而成一个多级链式光波导光谱仪用以分离和传导混合的直射和散射光。此种设计模式可以束缚入射光并很容易的分离和传输其组分到不同的目的地。这种结构简单，经凑，廉价。然而，入射光中的很多成分要经历聚焦，再聚焦，以及多次耦合才能被分离。这些组分涉及多级处理并遭受能量损失。对于能量处理过程而言，总体此装置能量传输的效率是不理想的。最近，授予Nadia等人的新专利，国际专利号WO2011/046875 A1公开了一种光子晶体光谱仪结构。在他们的专利中一种平板光波导被采用作为基础部件，其上不同部分制备输出特定不同波长组分的光子晶体阵列。然而，他们的设计只是为了“读”光谱，而不是处理或传输光能量。他们的专利只涉及光谱分析。在该装置的运行过程中，只有输入光谱是束缚在广波导中的，而输出成分是在自由空间中传播的。

发明内容：

不同于材料折射或者平面波干涉，本发明采用全新的光子晶体束缚机制分离宽广的太阳光谱。本发明太阳光谱分离器独特的结构确保导引下的光能量流动。与我先前的光子晶体光波导光谱仪US7382958相比，本发明的目的是实现一级太阳光谱分离，从而实现超高的能量传输效率和有效的光谱分离。本发明采用一系列束缚不同波长光的光子晶体光波导并把他们嵌套起来构成共中轴光子晶体光波导太阳光谱分光器。束缚不同光的光子晶体光波导是通过调整光子晶体的晶格常数来设定的。在此光子晶体光光谱分光器结构中，每一光子晶体光波导依次延长度方向弯折而出。当聚焦的太阳光入射进入到最中心的光子晶体光波导中心后，其每一成分逐次被束缚并通过光波导弯折逐个提取而出。

通过将束缚不同波长光的光子晶体光波导嵌套成太阳光谱分光器，本人先前发明US7382958中的多级分光器就被简化为一级分光器。入射聚焦阳光中的所有成分被一次分离完毕。此种结构确保了高强度能流的低能量损耗和高传输效率。此项发明中的装置能够同时处理直射光和散射光。在此结构中，入射光和分离后的成分均被束缚在空心光波导中。由于光子晶体光波导可以很方便地设定为束缚不同波长的光，此发明中的结构提高了光子晶体光波导光谱仪的分辩率。此发明的结构大大拓展了单个光谱仪能够覆盖的波长范围。此项发明中的光谱仪简单，紧凑，而且可靠。特别是对于超高效率光伏应用，本发明中的装置易于集成到太阳能系统中。最为重要的是，此种系统可以很便宜。

总结：

本发明提供一种装置，此种装置用以分离高强度的汇聚阳光，汇聚阳光中即包含直射阳光也包含散射阳光。此装置以很低的能量损失很高的光谱分辨率分离入射光。所有入射的聚焦阳光和分离的组分均处于空心光波导的导引之下。对于超高效率光伏转化，此装置导引这些分离的成分到特定的太阳电池以及这些电池特定的区域。此装置简单，紧凑，可靠，并且易于集成到光伏系统中去。

在其中一种实施方式中，光谱仪由一系列空心光子晶体光波导由里到外嵌套而成。其中每一种光波导束缚一种频段的光。每种光子晶体光波导通过弯折而出光谱仪来提取分离其所束缚的光波频段。因而，高强度的汇聚阳光经过一级分离即被全部分离开来，而且每一成分都被光波导导引到特定的目的地。因为所有的光能量都在空心光波导的空气隙中传播，光谱仪分离和传输光能量都有很高的效率。

附图说明：

附图对本项发明的要点进行了解释和说明：

图1是光谱仪内部结构沿长度方向的剖面图，其中只有3个嵌套的光子晶体光波导被显示出来，事实上，更多的光波导可以被添加上去。每一个光波导由里到外嵌套进去，然后每一个光波导依次弯折而出。

图2是光谱仪结构图1的截面图。这里束缚不同波段光的光子晶体光波导嵌套成一个同轴结构。

具体实施方式：

下面结合附图对本项发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明的光谱分光器是一系列光子晶体光波导的装配体。在此装配体中，空心光波导相互嵌套构成分光器。图1只显示了3个光波导，其中光波导10嵌套在光波导20中；光波导10在15处弯折而出。光波导20继续往前延伸至25然后弯折而出。嵌套在光波导20外围的光波导30继续向下延伸，并在某处弯折而出。更多光波导可以被添加在光谱分光器的最外围。其中每一个光波导都被设定为束缚某一频段的光，并且提取和传输到特定的目的地。

如图2所示，空心光子晶体光波导依次嵌套在一起构成分光装置。在图2中，光波导10嵌套在光波导20中，光波导20嵌套在光波导30中。每一种光波导被设定为束缚一种光的成分，因而能够分离和传导此成分的光。

光谱分光器的工作原理可以被阐述如下：当直射光和散射光混合的聚焦阳光入射到空心光波导10的中心时，其一种成分被光波导10束缚并在弯曲15处转移而出。其另外一个成分被光波导20所束缚并且在弯曲25处转移而出。其第三个成分被光波导30所束缚并且在另外一个弯曲处转移而出。更多光波导可以被添加在光谱分光器的外围来分离更多的成分。光波导10，20，30均为光子晶体光波导，它们通过调整晶格结构来设定束缚某个频段的光。

系统的优点：

通过上面的阐述，系统的优点就比较明显了。本发明中的光谱分离器采用光子晶体光波导选择性束缚光的原理，以独特的结构实现光谱分离，分离过程无需成像。所有光谱通过一次传输就全部被分离，大大降低了光能量损耗，提高了光分离和传输的效率。绝大部分光能量都是在空气隙中传播的，因而可以处理高强度的汇聚阳光。系统中不包含精密光学系统，因而便宜可靠。系统结构简单，造价低廉。整个系统中的光能量都是在光波导制导下传输的，因而能量处理和流动都在方便的控制中。光谱分离器结构紧凑易于集成进入超高效聚光光伏系统。此光谱分光系统可以处理直射阳光，散射阳光，以及混合的直射和散射阳光，因而特别适合太阳能利用。此光谱分光装置是特别设计进行光谱能量分离的，因而其能量传输效率很高。

Claims (8)

1.一种太阳光谱分光器由一系列空心光波导构成，其中每一光波导被设定来束缚和转移出一个特定的光谱成分；这些光波导相互嵌套构成光谱分光器来分离宽频谱的太阳光。

2.根据权利要求1所述的太阳光谱分光器，其外层的光波导包裹内层的光波导。

3.根据权利要求1所述的太阳光谱分光器，其每一层空心光波导都弯折转出太阳光谱分光器。

4.根据权利要求3中所述的空心光波导，其每一个空心光波导弯折转出依次进行。

5.根据权利要求3所述的空心光波导，其每一个内层的光波导都弯折穿越其他外层的光波导而转出分光器。

6.权利要求1所述的太阳光谱分光器，其所有空心光波导都由光子晶体制成。

7.根据权利要求6所述的空心光波导，其中每一个光子晶体光波导被设定束缚宽光谱中的一个成分。

8.根据权利要求2所述的光谱分光器，其中内层和外层的空心光波导安排没有先后次序。

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