CN108613412A - 一种太阳能诱发激光装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能诱发激光装置及方法，包括菲涅尔透光镜、增幅反射板、聚光镜、激光晶体、共振器、反射镜、光纤维、可移动轨道及冷却系统；冷却系统由冷却器Ⅰ、冷却器Ⅱ、输水管、回水管及储水罐组成。太阳光先投射到菲涅尔透光镜，投射到增幅反射板的太阳光亦反射到菲涅尔透光镜上，增强密度的太阳光经过菲涅尔透光镜一次聚集投射到表面包覆反射箔的聚光镜上，由聚光镜二次聚集后入射到激光晶体内，从激光晶体中诱发出接近1064nm的红外激光投射到共振器，从共振器射出1064nm红外激光通过反射镜输入进光纤维后输出使用。本发明可有效提高太阳能集聚密度和强度，增强太阳能诱发激光束功率，并可在不需任何电力的情况下实现诱发装置的冷却。

Description

一种太阳能诱发激光装置及方法

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种将太阳能聚集起来产生高能量强度后诱发激光源的装置和方法。

背景技术

随着经济的高速发展，人类对能源的需求越来越大。但考虑到限制CO₂排放等因素，在目前得到利用的能源和能源材料中，既不破坏地球环境又具有高度安全性的能源当属太阳能为主要候选。太阳能是一种自然界的辐射能，属于具有即时性，而且必须即时转换成其它形式能量才能利用或贮存的能源。将太阳能转换成不同形式的能量需要不同的能量转换方式，集热器通过吸收面可以将太阳能转换成热能；利用光伏效应太阳电池可以将太阳能转换成电能；通过光合作用植物可以将太阳能转换成生物质能，等等。原则上，太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量，但转换次数越多，最终太阳能转换的效率便越低。

在太阳能利用领域，传统方法主要有光热转换、光电转换和太阳能-氢能转换等技术。在传统的太阳能应用技术中，主要都使用低密度太阳能进行转换，但最近采用高密度太阳能进行光-光转换的技术受到重视，这就是通过高密度太阳能诱发激光源的技术。太阳能诱发激光技术最主要的优点就是使用自然能源实现激光技术，即可以在无外界电源情况下广泛应用激光技术，实现不用电力直接将太阳光转化为激光，进而可以在苛刻的环境条件下实现激光测量，激光切割和激光焊接等技术，并可以用于激光通讯、激光加工以及原材料精炼等所有激光应用领域，且没有任何环境污染。

但目前来说，太阳能诱发激光技术仍比较前沿，多由科研院所进行研究开发，受限于所采集太阳光的集聚能量密度，普遍存在诱发激光功率较低的问题。另外，在集聚太阳光过程中，一些装置部件容易被集聚的热量损伤，因此适宜的冷却措施不可缺少，但常规冷却往往仍然涉及到电力驱动，因而并没做到真正意义上的完全不使用电力。

综上，在使用太阳能诱发激光的光-光转换技术中，实现高效聚光提高太阳能集聚密度，以及诱发装置的冷却都很关键。基于此，本专利提出一种新型太阳能诱发激光装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可高效地提高太阳能集聚密度和强度，进而提高太阳能诱发激光功率，同时不需电力便可实现诱发装置自循环冷却的太阳能诱发激光装置及方法。

为此，本发明所采取的技术解决方案是：

一种太阳能诱发激光装置，包括菲涅尔透光镜、增幅反射板、聚光镜、激光晶体、共振器、反射镜、光纤维、支座、可移动轨道、支架及冷却系统；冷却系统由冷却器Ⅰ、冷却器Ⅱ、输水管、回水管及储水罐组成；菲涅尔透光镜、聚光镜、激光晶体、共振器、反射镜依次设置在同一光轴上，聚光镜的聚焦面与激光晶体入射端面接触，聚光镜和激光晶体外围分别设有冷却器Ⅰ和冷却器Ⅱ，冷却器Ⅰ和冷却器Ⅱ分别通过输水管和回水管与储水罐连通，冷却器Ⅱ与共振器分别安装在可移动轨道的支架和支座上；在菲涅尔透光镜周边设有太阳光增幅反射板，用于增强投射到菲涅尔透光镜的太阳光密度，使投射到增幅反射板的太阳光通过反射也投射到菲涅尔透光镜上。

所述聚光镜为抛物线型锥体聚光镜，用于实现太阳光的二次聚集，聚光镜锥体表面包覆有反射箔，用于使聚光镜内部分入射到聚光镜锥体表面的太阳光也反射到聚光镜的聚焦面。

所述冷却储水罐中储满冷却水，储水罐内最高水位的二分之一高度高于冷却器。

所述菲涅尔透光镜焦距大于1米，采用数块菲涅尔光镜组合提高聚光能量，通过菲涅尔透光镜聚焦后的光斑直径为20～60mm。

所述增幅反射板与菲涅尔透光镜通过具有角度定位功能的合页或铰链连接，使增幅反射板的角度可以调节，以调整投射到菲涅尔透光镜上的太阳光强度。

所述反射箔为具有高反射率的Au、Ag、Al、Cu和不锈钢箔材。

所述激光晶体是一种含有Cr和Nd的YAG或GSGG晶体材料，其外形为圆柱体或长方体。

所述激光晶体入射端面镀有能够吸收390～790nm范围内太阳光光谱的薄膜，薄膜厚度在100nm以内；激光晶体出射端面镀有只能透过1064nm波长红外激光的选择性反射镀膜，镀膜厚度在100nm以内。

一种太阳能诱发激光装置的方法，太阳光先投射到菲涅尔透光镜上，而投射到增幅反射板的太阳光通过反射也投射到菲涅尔透光镜上，增强密度的太阳光再经过菲涅尔透光镜的一次聚集投射到表面包覆反射箔的聚光镜，由聚光镜二次聚集后入射到激光晶体内部，由于太阳光从激光晶体入射端面只能射入不能射出，因此太阳光入射到激光晶体内部后只有红外波长的激光可从出射端面射出，而除红外线光谱以外的光波在激光晶体内多次反射和振荡，其中一部分能量转换成热量，另一部分能量诱发光谱整合为红外光谱，诱发的红外激光经过在激光晶体内的整合后最终从出光端面射出，从激光晶体中诱发出接近1064nm的红外激光投射到共振器，从共振器射出1064nm红外激光通过反射镜输入进光纤维后输出使用；

太阳能诱发激光装置工作时，当激光晶体发热后，储水罐内的冷却水升温造成的密度差产生流动压力，在水压作用下冷水经下方输水管注入到冷却器中，被加温的水通过上方回水管回流到储水罐中，从而实现系统的自循环冷却。

本发明的有益效果为：

本发明通过采用太阳光增幅折射板的增幅和聚光镜的二次聚焦，可以有效提高太阳能集聚密度和强度，增强太阳能诱发激光束功率，同时通过自循环方式冷却，能够在不需任何电力的情况下实现诱发装置的冷却，不仅能够节省能源，而且可以在无电力提供的地区和环境下使用。

附图说明

图1是太阳光诱发激光装置结构剖面示意图；

图2是太阳光诱发激光装置冷却系统剖面示意图。

图中：菲涅尔透光镜1、增幅反射板2、聚光镜3、反射箔4、冷却器Ⅰ5、冷却器Ⅱ6、激光晶体7、共振器8、反射镜9、光纤维10、支座11、可移动轨道12、支架13、输水管14、回水管15、储水罐16。

具体实施方式

由附图可见，本发明太阳能诱发激光装置，包括菲涅尔透光镜1、增幅反射板2、聚光镜3、激光晶体7、共振器8、反射镜9、光纤维10、支座11、可移动轨道12、支架13及冷却系统。冷却系统由冷却器Ⅰ5、冷却器Ⅱ6、输水管14、回水管15及储水罐16所组成。

菲涅尔透光镜1、聚光镜3、激光晶体7、共振器8、反射镜9依次设置在同一光轴上，聚光镜3的聚焦面与激光晶体7入射端面接触，菲涅尔透光镜1焦距大于1米，采用数块菲涅尔光镜组合提高聚光能量，通过菲涅尔透光镜1聚焦后的光斑直径为20～60mm。激光晶体7采用GSGG晶体材料(也可采用含有Cr和Nd的YAG)，其外形为圆柱体。激光晶体7的入射端面镀有能够吸收390～790nm范围内太阳光光谱的95nm厚薄膜；激光晶体7出射端面镀有只能透过1064nm波长红外激光的90nm厚选择性反射镀膜。

聚光镜3和激光晶体7外围分别设有冷却器Ⅰ5和冷却器Ⅱ6，冷却器Ⅰ5和冷却器Ⅱ6分别通过输水管14和回水管15与储水罐16连通，冷却器Ⅱ6与共振器8分别安装在可移动轨道12的支架13和支座11上；在菲涅尔透光镜1周边设有太阳光增幅反射板2，增幅反射板2与菲涅尔透光镜1通过具有角度定位功能的铰链连接，使增幅反射板2的角度可以调节，以调整投射到菲涅尔透光镜上1的太阳光强度，增强投射到菲涅尔透光镜1的太阳光密度，使投射到增幅反射板2的太阳光通过反射也投射到菲涅尔透光镜1上。聚光镜3为抛物线型锥体聚光镜，用于实现太阳光的二次聚集，聚光镜3锥体表面包覆有具有高反射率的Ag(也可采用Au、Al、Cu和不锈钢箔材)反射箔4，用于使聚光镜6内部分入射到聚光镜3锥体表面的太阳光也反射到聚光镜3的聚焦面。

考虑到太阳光集聚聚光镜3时会产生热量，集聚到激光晶体7时也会产生大量热量，太阳光入射到激光晶体7内之后经过反复振荡时还会产生热量。且聚光镜3和激光晶体7都是脆性材料制成，受热膨胀时容易脆断，因此必须对聚光镜3和激光晶体7进行冷却。储水罐16中储满冷却水，储水罐16的最高水位的二分之一高度高于激光晶体7的冷却器6，储水罐16通过输水管14、回水管15与冷却器6连通，可实现自循环冷却，保证激光晶体7和聚光镜3的温度始终保持在100摄氏度以下。

本发明太阳能诱发激光的方法是，太阳光先投射到菲涅尔透光镜1上，而投射到增幅反射板2的太阳光通过反射也投射到菲涅尔透光镜1上，增强密度的太阳光再经过菲涅尔透光镜1的一次聚集投射到表面包覆反射箔4的聚光镜3上，由聚光镜3二次聚集后入射到激光晶体7内部，由于太阳光从激光晶体7入射端面只能射入不能射出，因此太阳光入射到激光晶体7内部后只有红外波长的激光可从出射端面射出，而除红外线光谱以外的光波在激光晶体7内多次反射和振荡，其中一部分能量转换成热量，另一部分能量诱发光谱整合为红外光谱，诱发的红外激光经过在激光晶体7内的整合后最终从出光端面射出，从激光晶体7中诱发出接近1064nm的红外激光投射到共振器8，再从共振器8射出1064nm红外激光通过反射镜9输入进光纤维10后输出使用。

太阳能诱发激光装置工作时，当激光晶体7发热后，储水罐16内的冷却水升温造成的密度差产生流动压力，在水压作用下冷水经下方输水管14注入到冷却器6中，被加热的水通过上方回水管15回流到储水罐16中，从而实现系统的自循环冷却。

Claims (9)

1.一种太阳能诱发激光装置，其特征在于，包括菲涅尔透光镜、增幅反射板、聚光镜、激光晶体、共振器、反射镜、光纤维、支座、可移动轨道、支架及冷却系统；冷却系统由冷却器Ⅰ、冷却器Ⅱ、输水管、回水管及储水罐组成；菲涅尔透光镜、聚光镜、激光晶体、共振器、反射镜依次设置在同一光轴上，聚光镜的聚焦面与激光晶体入射端面接触，聚光镜和激光晶体外围分别设有冷却器Ⅰ和冷却器Ⅱ，冷却器Ⅰ和冷却器Ⅱ分别通过输水管和回水管与储水罐连通，冷却器Ⅱ与共振器分别安装在可移动轨道的支架和支座上；在菲涅尔透光镜周边设有太阳光增幅反射板，用于增强投射到菲涅尔透光镜的太阳光密度，使投射到增幅反射板的太阳光通过反射也投射到菲涅尔透光镜上。

2.根据权利要求1所述的太阳能诱发激光装置，其特征在于，所述聚光镜为抛物线型锥体聚光镜，用于实现太阳光的二次聚集，聚光镜的锥体表面包覆有反射箔，用于使聚光镜内部分入射到聚光镜锥体表面的太阳光也反射到聚光镜的聚焦面。

3.根据权利要求1所述的太阳能诱发激光装置，其特征在于，所述冷却储水罐中储满冷却水，储水罐内最高水位的二分之一高度高于冷却器。

4.根据权利要求1所述的太阳能诱发激光装置，其特征在于，所述菲涅尔透光镜焦距大于1米，采用数块菲涅尔光镜组合提高聚光能量，通过菲涅尔光镜聚焦后的光斑直径为20～60mm。

5.根据权利要求1所述的太阳能诱发激光装置，其特征在于，所述增幅反射板与菲涅尔透光镜通过具有角度定位功能的合页或铰链连接，使增幅反射板的角度可以调节，以调整投射到菲涅尔透光镜上的太阳光强度。

6.根据权利要求1所述的太阳能诱发激光装置，其特征在于，所述反射箔为具有高反射率的Au、Ag、Al、Cu和不锈钢箔材。

7.根据权利要求1所述的太阳能诱发激光装置，其特征在于，所述激光晶体是一种含有Cr和Nd的YAG或GSGG晶体材料，其外形为圆柱体或长方体。

8.根据权利要求1所述的太阳能诱发激光装置，其特征在于，所述激光晶体入射端面镀有能够吸收390～790nm范围内太阳光光谱的薄膜，薄膜厚度在100nm以内；激光晶体出射端面镀有只能透过1064nm波长红外激光的选择性反射镀膜，镀膜厚度在100nm以内。

9.一种应用权利要求1所述太阳能诱发激光装置的方法，其特征在于：

太阳光先投射到菲涅尔透光镜，而投射到增幅反射板的太阳光通过反射也投射到菲涅尔透光镜上，增强密度的太阳光再经过菲涅尔透光镜的一次聚集投射到表面包覆反射箔的聚光镜上，由聚光镜二次聚集后入射到激光晶体内部，由于太阳光从激光晶体入射端面只能射入不能射出，因此太阳光入射到激光晶体内部后只有红外波长的激光可从出射端面射出，而除红外线光谱以外的光波在激光晶体内多次反射和振荡，其中一部分能量转换成热量，另一部分能量诱发光谱整合为红外光谱，诱发的红外激光经过在激光晶体内的整合后最终从出光端面射出，从激光晶体中诱发出接近1064nm的红外激光投射到共振器，从共振器射出1064nm红外激光通过反射镜输入进光纤维后输出使用；

太阳能诱发激光装置工作时，当激光晶体发热后，储水罐内的冷却水升温造成的密度差产生流动压力，在水压作用下冷水经下方输水管注入到冷却器中，被加温的水通过上方回水管回流到储水罐中，从而实现系统的自循环冷却。