CN112260052B - 一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，涉及固体激光器技术领域。所述固体激光器包括太阳光收集汇聚系统和谐振腔；太阳光收集汇聚系统包括若干小型太阳光收集器及复合抛物面聚光器；太阳光收集器阵列排布于复合抛物面聚光器大口径端面处；所述谐振腔为U型腔，包括三个反射镜、一个输出镜以及侧面泵浦双激光工作介质。本发明采用的太阳光汇聚系统上使用具有可探测调节的小型太阳光收集器，可针对太阳光照射强度的变化进行角度旋转，从而实现太阳光汇聚补偿；同时，采用U型谐振腔，将两根不同直径激光棒中获得的激光束合成一束，其中较细的一根作为较粗一根的激光补偿,可有效改善光束质量，提高太阳能泵浦激光器的亮度。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，具体涉及一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器。
背景技术
太阳光为天然资源，利用太阳能泵浦产生激光被认为是未来的可再生能源，并且是激光产业中的新兴技术。特别是在太阳辐照度丰富和其他能源稀缺的地方，这种技术以一种环境友好型的方式为激光应用提供具有成本效益的解决方案。因此，利用自然的宽带太阳光从而高效直接产生窄带太阳激光辐射对于空间通信、大气和海洋传感或激光功率传输等几个激光应用领域都具有至关重要的意义。太阳能泵浦激光器在地面应用方面也有巨大的潜力，如高温材料处理和镁氢能源循环等。
迄今为止，研究人员早已成功实现了太阳激光的有效发射，但在太阳光的有效汇聚利用上一直存在问题。目前关于太阳能激光收集效率的记录是32.5W/m2，在未来仍具有提升的可能。专利CN206673313U是将到达球顶导光锥的光线进行收集，但由于结构式设计的原因，很难将光线充分利用。固定的锥度很难随着太阳光强度的变化而灵活运转，特别是在不同的地方，太阳光具有不同的辐照度。因此，充分利用太阳光，从而高效泵浦工作介质存在缺陷，需要改进。
另一方面，研究表明，端面泵浦太阳光直接泵浦激光系统是实现高功率的激光输出及光-光转换效率最有效的泵浦方式。但是，由于端泵方法极易产生局部热沉积且由于热透镜的高度畸变特性，激光晶体内局部加热的不均匀和温度分布的不均匀极易导致光束质量的下降。因此，高光束质量的激光输出在泵浦方式上也需要改进。
发明内容
根据本发明的目的提出的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，包括太阳光收集汇聚系统和谐振腔；所述太阳光收集汇聚系统为多级汇聚系统，包括若干小型太阳光收集器和复合抛物面聚光器；所述复合抛物面聚光器为一个直径逐渐缩小的光通道，其大口径为用于聚焦太阳光的入光口，小口径为出光口，若干小型太阳光收集器阵列排布于复合抛物面聚光器大口径端面处，并可根据太阳光照射强度的变化进行角度旋转；所述复合抛物面聚光器对小型太阳光收集器所收集的太阳光进行再次汇聚，进而持续泵浦增益介质。
所述谐振腔为U型腔，包括三个反射镜、一个输出镜以及侧面泵浦双激光工作介质；所述双激光工作介质为两个不同直径的圆柱型稀土离子掺杂透明陶瓷；双激光工作介质均通过夹具夹持放置于复合抛物面聚光器小口径出光口处，其中，大直径陶瓷放置于反射镜与输出镜之间，小直径陶瓷与其平行放置于两个反射镜之间，并将泵浦出的激光通过反射镜全部泵送入大直径陶瓷中，进行激光补偿。
优选的，所述复合抛物面聚光器入光口口径为80cm-120cm,出光口口径为1-2cm，单个小型太阳光收集器直径为3cm-5cm；若干小型太阳光收集器涡旋型阵列排布于复合抛物面聚光器大口径端面处。
优选的，所述小型太阳光收集器可旋转角度范围为0°-60°。
优选的，所述激光工作介质与夹具总长与复合抛物面聚光器出光口口径相同，所述激光工作介质长度小于复合抛物面聚光器出光口口径0.1-0.2cm；两个不同直径的圆柱型陶瓷直径均为0.2-1cm，二者之间比值为1：1-1：2。
优选的，所述反射镜为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光高反的介质膜；所述输出镜为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光的高反膜以及所需脉冲激光波段的部分反射、部分透过的介质膜。
与现有技术相比，本发明公开的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器的优点是：
(1)本发明采用的太阳光汇聚系统上使用具有可探测调节的阵列排布小型太阳光收集器，可针对太阳光照射强度的变化进行角度旋转，从而实现太阳光汇聚补偿。
(2)在汇聚光泵浦工作介质时，采用高效的侧面泵浦方式，通过具有单折叠方向的U型谐振腔，将两根不同直径激光棒中获得的激光束合成一束，其中较细的一根作为较粗一根的激光补偿,可有效改善光束质量，提高太阳能泵浦激光器的亮度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为太阳光收集汇聚系统结构示意图。
图2为谐振腔结构示意图。
图中：1-太阳光收集汇聚系统；11-太阳光收集器；12-复合抛物面聚光器；121-入光口；122-出光口；2-太阳光；21-输出镜；22-第一反射镜；23-第二反射镜；24-第三反射镜；25-激光工作介质；26-夹具；3-谐振腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1-图2示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。
本发明公开的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，包括太阳光收集汇聚系统和谐振腔。
如图1所示，太阳光收集汇聚系统为多级汇聚系统，包括若干小型太阳光收集器11及复合抛物面聚光器12。
太阳光收集器11为一级汇聚，若干小型太阳光收集器11涡旋型阵列排布于复合抛物面聚光器12大口径端面处，用于收集太阳光3。每个太阳光收集器11上均设置有用以探测太阳光3照射强度的光电探测器，太阳光收集器11可根据所探测的太阳光3照射强度调整角度，实现太阳光3的汇聚补偿。太阳光收集器11角度调整范围为0°-60°。
复合抛物面聚光器12为二级汇聚，主要对小型太阳光收集器11所收集的太阳光3进行再次汇聚，并持续向激光工作介质25泵送。复合抛物面聚光器12为一个直径逐渐缩小的光通道，其大口径为太阳光收集器11所聚焦太阳光3的入光口121，小口径为出光口122。将多个可探测调节的小型太阳光收集器11阵列排布预复合抛物面聚光器12大口径断面处，可针对太阳光3照射强度的变化进行角度旋转，实现太阳光3汇聚补偿，继而实现很好的光线输出。具体的，复合抛物面聚光器12入光口121口径为80cm-120cm,出光口122口径为1cm-2cm，单个小型太阳光收集器11直径为3cm-5cm。
如图2所示，谐振腔2为U型腔，包括三个反射镜、一个输出镜21以及侧面泵浦双激光工作介质25。U型腔属于单折叠激光腔，能够促使激光的有效振荡并实现高亮度输出。
反射镜为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段(如1微米、1.1微米、1.3微米等)脉冲激光高反的介质膜。输出镜21为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段(如1微米、1.1微米、1.3微米等)脉冲激光的高反膜以及所需脉冲激光波段(如1微米、1.1微米、1.3微米等)的部分反射、部分透过的介质膜。
双激光工作介质25均通过夹具26夹持放置于复合抛物面聚光器12小口径出光口处，为两个不同直径的圆柱型稀土离子掺杂透明陶瓷，例如Nd:YSAG陶瓷、Cr,Nd:GSGG陶瓷、Cr,Nd:YAG陶瓷等。其中，大直径陶瓷放置于第一反射镜22与输出镜21之间，小直径陶瓷与大直径陶瓷平行并列放置于第二反射镜23与第三反射镜24之间，并将泵浦出的激光通过反射镜全部泵送入大直径陶瓷中，进行激光补偿；即将两根不同直径激光工作介质25中获得的激光束合成一束，较细的一根作为较粗一根的激光补偿,可有效改善光束质量，提高太阳能泵浦激光器的亮度。
具体的，激光工作介质25与夹具26总长与复合抛物面聚光器12出光口122口径相同，激光工作介质25长度小于复合抛物面聚光器12出光口122口径0.1cm-0.2cm。两个不同直径的圆柱型陶瓷直径均为0.2cm-1cm，比值为1：1-1：2。
光路传输路径为：将太阳光汇聚到带有可探测调节的小型太阳光收集器11阵列的复合抛物面聚光器12中，再汇聚入射至使用夹具26夹持的两个不同直径并列排布的激光工作介质25，激光工作介质25中的钕离子通过受激辐射，产生激光，所产生的激光在U型谐振腔内振荡。
利用上述的激光器装置对产生1064nm激光进行了实验模拟：
实施例1：当使用的激光工作介质25直径比为1：1，直径为0.3cm，复合抛物面聚光器12大口径尺寸为80cm，大口径端面上装有的可探测调节小型太阳光收集器11尺寸为3cm，激光工作介质25长度小于复合抛物面聚光器12出光口122尺寸0.1cm时(即夹持尺寸宽度总长为0.1cm)，出光口122直径为1cm，使用以上装置，进行太阳光泵浦1064nm激光的产生。
实施例2：当使用的激光工作介质25直径比为1：1.5，大尺寸直径为0.3cm，小尺寸直径为0.2cm，复合抛物面聚光器12大口径尺寸为100cm，大口径端面上装有的可探测调节小型太阳光收集器11尺寸为4cm，所述激光工作介质25长度小于复合抛物面聚光器12出光口122尺寸0.15cm时(即夹持尺寸宽度总长为0.15cm)，出光口122直径为1.5cm，使用以上装置，进行太阳光泵浦1064nm激光的产生。
实施例3：当使用的激光工作介质25直径比为1：2，大尺寸直径为1cm，小尺寸直径为0.5cm，复合抛物面聚光器12大口径尺寸为120cm，大口径端面上装有的可探测调节小型太阳光收集器11尺寸为5cm，所述激光工作介质25长度小于复合抛物面聚光器12出光口122尺寸0.2cm时(即夹持尺寸宽度总长为0.2cm)，出光口122直径为2cm，使用以上装置，进行太阳光泵浦1064nm激光的产生。
通过对比发现，实施例2激光器输出效果较佳，激光束亮度显著提升，且光束质量最高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，包括太阳光收集汇聚系统(1)和谐振腔(2)；其特征在于，所述太阳光收集汇聚系统(1)为多级汇聚系统，包括若干小型太阳光收集器(11)和复合抛物面聚光器(12)；所述复合抛物面聚光器(12)为一个直径逐渐缩小的光通道，其大口径为用于聚焦太阳光(3)的入光口(121)，小口径为出光口(122)，若干小型太阳光收集器(11)阵列排布于复合抛物面聚光器(12)大口径端面处，并可根据太阳光(3)照射强度的变化进行角度旋转；所述复合抛物面聚光器(12)对小型太阳光收集器(11)所收集的太阳光(3)进行再次汇聚，进而持续泵浦增益介质；
所述谐振腔(2)为U型腔，包括三个反射镜、一个输出镜(21)以及侧面泵浦双激光工作介质(25)；所述双激光工作介质(25)为两个不同直径的圆柱型稀土离子掺杂透明陶瓷；双激光工作介质(25)均通过夹具(26)夹持放置于复合抛物面聚光器(12)小口径出光口(122)处，其中，大直径陶瓷放置于反射镜与输出镜(21)之间，小直径陶瓷与其平行放置于两个反射镜之间，并将泵浦出的激光通过反射镜全部泵送入大直径陶瓷中，进行激光补偿。
2.根据权利要求1所述的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，其特征在于，所述复合抛物面聚光器(12)入光口(121)口径为80cm-120cm,出光口(122)口径为1-2cm，单个小型太阳光收集器(11)直径为3cm-5cm；若干小型太阳光收集器(11)涡旋型阵列排布于复合抛物面聚光器(12)大口径端面处。
3.根据权利要求2所述的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，其特征在于，所述小型太阳光收集器(11)可旋转角度范围为0°-60°。
4.根据权利要求1所述的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，其特征在于，所述激光工作介质(25)与夹具(26)总长与复合抛物面聚光器(12)出光口(122)口径相同，所述激光工作介质(25)长度小于复合抛物面聚光器(12)出光口(122)口径0.1-0.2cm；两个不同直径的圆柱型陶瓷直径均为0.2-1cm，二者之间比值为大于1：1至1：2。
5.根据权利要求1所述的一种具有高效激光补偿能力的太阳光泵浦固体激光器，其特征在于，所述反射镜为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光高反的介质膜；所述输出镜(21)为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光的高反膜以及所需脉冲激光波段的部分反射、部分透过的介质膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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