CN212033417U - 一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，所述激光器系统包括光学镜组与太阳能电池复用系统，激光器阵列系统；所述光学镜组与太阳能电池复用系统由多块具有复用功能的拼接部拼接而成，可拼接成汇聚透镜阵列，或反射镜阵列，或拼接成太阳能电池板阵列；所述激光器阵列系统的结构包括增益介质阵列，透明基板，增益介质阵列分布于透明基板上。本实用新型使用太阳能电池替代了很多现有方案中用反射镜将太阳光反射汇聚二次经过增益介质的方法，将太阳光中无法被增益介质吸收的波段的光能量转换成电能，大幅提高了太阳光利用率。同时利用多激光谐振腔阵列合束方式提高输出激光的功率。

Description

一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体提供一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统。

背景技术

固体激光器是目前应用范围最广，技术最为成熟的一类激光器，其原理是基于光的受激辐射光放大实现在泵浦条件下的激光功率放大。其基本结构是通过泵浦源激励激光谐振腔内的增益介质，产生的受激辐射光经过谐振腔不断放大最终输出为激光。常规的激光泵浦源一般是通过先将电能转换成特定波长的光能量，再使用该光能量激励产生激光，这种方法包含多次能量转换的过程，能量转换效率极低，绝大部分能量都转换成无功功率形式耗散掉了。而太阳光拥有极宽的光谱范围，其中包含可作为激光泵浦光源的光谱，因此太阳光可直接用作激光器的泵浦光源，不需要进行多次能源转换，方便实现和拓展激光技术的应用范围，具有客观的前景和经济价值。

当前环境问题及能源危机问题已经逐步显现，对如何利用诸如太阳能这样的清洁的可再生资源的研究日益受到重视。传统的太阳能收集方法主要有光热转换、光电转换和太阳能-氢能转换等技术。其中太阳能电池技术是能源利用率相对较高的较为成熟的技术。

现有的太阳光能泵浦产生激光的技术一般的思路是：通过透镜汇聚太阳光提高其能量密度，将汇聚的光斑由增益介质侧面或端面注入，作为泵浦光源。为了收集较多的太阳能，聚焦镜尺寸会非常大，使用常规材质制作大尺寸透镜加工困难，成本高，易损坏，因此多采用菲涅尔透镜。激光增益介质上的太阳光注入点聚焦光斑一般是汇聚透镜的焦点处，汇聚的光斑为极细的圆形，该聚焦点功率密度高，长时间工作时容易积聚热量，产生各种对增益介质不利的热效应。另外为了提高太阳光的利用率，还会在增益介质背面设计一套反射汇聚透镜，将太阳光反射汇聚后再一次经过增益介质，但这种透镜一般为椭圆或抛物面镜，加工难度大，且太阳光经过一次增益介质后能用作泵浦光的波段已被吸收，即使将出射的太阳光再反射回增益介质，其中所剩的太阳光波段成分对增益介质而言也已经几乎没有利用价值。因此，使用太阳光激励产生激光，实际利用的仅仅是太阳光光谱中极少的一部分光谱能量，其光能利用率仍然较低。

实用新型内容

本实用新型的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，所述激光器系统包括光学镜组与太阳能电池复用系统，激光器阵列系统；所述光学镜组与太阳能电池复用系统由多块具有复用功能的拼接部拼接而成，可拼接成汇聚透镜阵列或反射镜阵列，或拼接成太阳能电池板阵列；所述激光器阵列系统的结构包括增益介质阵列，透明基板，增益介质阵列分布于透明基板上，增益介质阵列与其端部的光栅、镀膜或反射镜构成激光谐振腔阵列。所述激光谐振腔可以通过在每个增益介质两端设置对应的全反射镜和半反射镜构成，或通过在每个增益介质两端分别镀全反射膜和半反射膜构成，或在每个增益介质两端分别光刻不同反射率的光栅构成。

由多块汇聚透镜组拼接成的透镜将太阳光汇聚到激光器阵列系统的增益介质阵列上，增益介质吸收太阳光中特定的光谱并产生激光；经过多层增益介质阵列的吸收后，剩余未被吸收的太阳光透过激光器阵列系统，照射到由多块太阳能电池拼接而成的太阳能电池板阵列上，被转换为电能储存，并为太阳光定位追踪系统，控制和动力系统以及激光器阵列系统中的附加激光泵浦提供能源。

所述增益介质阵列采用有益于降低激光阈值的结构，包括但不限于薄膜波导结构，板条结构，棒状结构，微片结构，光纤结构。所述增益介质的泵浦光接收面的长度大于其厚度，以便消除激光在内反射时的衍射现象。

所述增益介质阵列中的每个增益介质的两通光面是垂直于通光轴的平行平面或曲面结构；

或，所述增益介质阵列中的每个增益介质均为可选出线偏振光的布儒斯特窗结构；

或，所述增益介质阵列中的每个增益介质的近全反射端为垂直于通光轴的平面或曲面，近输出端为缩口结构，缩口末端形状尺寸与光纤尺寸兼容；

或，所述增益介质阵列中的多个增益介质串联成一个激光谐振腔，比如：通过设置保罗棱镜、设置两个45°反射镜、使用光纤传导、或者将位于不同透明基板相应位置的增益介质直接串连。

所述透明基板为平板形，弯曲板形，实心圆柱形，实心椭圆柱形，立方体柱或平行四边形柱形，棱柱形，实心圆台形，空心或实心多边形台形中的一种，或多种相同或不同形状的组合或阵列。

所述透明基板的材质为光谱透过范围宽，导热系数高，热膨胀系数较小的材料，包括但不限于光学级石英玻璃、铌酸锂晶体、YAG、蓝宝石等，数量为一块或多块阵列排布。

所述激光谐振腔阵列以栅栏方式交错分布于所述透明基板的上下或内外两面，并根据透明基板不同的形状和阵列方式构成不同的三维阵列结构，以增加太阳光照射面积，同时减小增益介质体积较大时的热效应对激光器产生的负面影响。

所述拼接部包括光学镜组面及对立面、太阳能电池集成板面及对立面和两个端面，其中两个端面分别通过旋转轴与两个可伸缩支撑杆连接，使得该拼接部可绕轴旋转；光学镜组面及其对立面构成汇聚透镜，将太阳光汇聚至增益介质阵列，相邻两对立面为双面太阳能电池集成板面或一面为太阳能电池集成板面另一面为太阳光反射镜。

每个拼接部的光学镜组面及对立面是由多块汇聚透镜拼接成的长条形透镜，将太阳光汇聚成长条形光斑，并照射到激光器阵列系统的增益介质阵列上，其光斑形状尺寸可以覆盖所有增益介质阵列。

所述可伸缩支撑杆安装在环形轨道上并可沿轨道运动，通过调节可伸缩支撑杆的长度，与环形轨道配合，将多个拼接部拼接成圆面镜、椭圆面镜、抛物面镜或其他需要的形状。

所述透明基板为空心柱型，该透明基板上所有激光谐振腔阵列共用一套全反射镜、半反射镜和聚焦镜。

所述全反射镜、半反射镜和聚焦镜为中间部分镂空的环状透镜。

所述透明基板为一个空心圆台或多个共轴串联的不同汇聚角度的空心圆台，各圆台上的激光谐振腔阵列的光汇聚焦点重合，实现自聚焦功能。

所述激光谐振腔阵列输出的激光还可以作为同带泵浦的泵浦光源，再注入另一增益介质中获得更高质量的激光输出。

所述激光器系统还包括太阳光定位追踪系统，控制和动力系统，激光合束单元，附加激光泵浦组成。太阳能电池板阵列可以为附加激光泵浦提供电源，为激光谐振腔阵列提供额外的泵浦光，从而进一步提高激光输出功率。

与现有技术相比，本实用新型一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统具有以下突出的有益效果：

本实用新型使用微型激光谐振腔结构，降低了激光阈值，使得在泵浦太阳光能量较低时仍可产生激光，增益介质阵列结构有利于散热，能较好地减少各种热效应对激光器的影响，同时便于获得较大能量的激光输出；使用太阳能电池替代了很多现有方案中用反射镜将太阳能再反射聚焦回增益介质的方法，因为透过激光增益介质的太阳光中，对产生激光有贡献的光谱已经被吸收殆尽，即使再反射回去效果也不大。根据图17和图18分析可知，太阳光中可被增益介质吸收用于产生激光的光波段仅为350nm～400nm、500nm～600nm、700nm～900nm范围内的几个吸收峰，大部分太阳光能量仍得不到有效利用，本方案用太阳能电池代替反射镜，太阳能电池对太阳光谱的吸收范围非常广，可以将太阳光内对产生激光没有贡献的光谱范围也利用起来，转化为电能，是真正意义上的大幅提高太阳光利用率。其产生的电能可以供给整个系统运行使用，多余电能，还可以驱动附加激光泵浦为激光增谐振腔阵列提供额外的泵浦光，从而进一步提高激光输出功率。本系统可独立运行于外太空环境，无需从人造卫星或空间站取电，同时也可兼容地面使用环境，且具有获得高功率激光的技术前景，在空间激光通信、激光雷达、大气及地表结构探测、激光导航、激光武器、激光远程输电等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型太阳光泵浦和驱动的激光器系统架构示意图；

图2是本实用新型光学镜组与太阳能电池复用系统结构示意图；

图3是拼接部结构示意图；

图4是实施例1激光谐振腔结构示意图；

图5是实施例2激光谐振腔结构示意图；

图6是实施例2激光谐振腔改进的结构示意图；

图7是实施例3激光谐振腔结构示意图；

图8是实施例1平板形栅栏式增益介质阵列正面结构示意图；

图9是增益介质串联立体结构示意图；

图10是实施例4空心柱形增益介质阵列结构示意图；

图11是实施例4空心柱形增益介质阵列立体结构示意图

图12是实施例4空心柱形增益介质阵列改进的结构示意图；

图13是实施例4空心柱形增益介质阵列另一改进的结构示意图；

图14是实施例5空心圆台形增益介质阵列结构示意图；

图15是实施例5多个串联的空心圆台形增益介质阵列结构示意图；

图16是激光合束单元的结构示意图；

图17是太阳光谱曲线图；

图18是Nd:YAG晶体的室温吸收光谱曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。

需要理解的是，在说明书中所使用的“第一”、“第二”、“另一”等指示顺序的术语，以及“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的术语，为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作；除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

如图1所示，一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，包括光学镜组与太阳能电池复用系统1，激光器阵列系统2，太阳光定位追踪系统3，控制和动力系统4；激光合束单元，附加激光泵浦；所述附加激光泵浦用于将太阳能电池收集的多余电量转变成泵浦光，为激光谐振腔阵列提供额外的泵浦源，以此可进一步提高输出激光的功率。

如图2所示，所述光学镜组与太阳能电池复用系统1由多块具有复用功能的拼接部1-1拼接而成，既可拼接成聚焦透镜阵列或反射镜阵列，又可以拼接成太阳能电池板阵列；

如图2、图3所示，所述拼接部1-1包括光学镜组面1-1-2及对立面、太阳能电池集成板面1-1-3及对立面和两个端面，其中两个端面分别通过旋转轴1-1-6与两个可伸缩支撑杆1-1-5连接，使得该拼接部1-1可绕轴旋转；光学镜组面1-1-2及其对立面构成汇聚透镜，将太阳光汇聚至增益介质阵列，相邻两对立面为双面太阳能电池集成板面1-1-3或一面为太阳能电池集成板面1-1-3另一面为太阳光反射镜；通过旋转该长方体使不同的面对准太阳，可以切换汇聚透镜、太阳能电池或光反射镜功能。

所述可伸缩支撑杆1-1-5安装在环形轨道上并可沿轨道运动，通过调节可伸缩支撑杆1-1-5的长度，与环形轨道配合，将多个拼接部拼接成圆面镜、椭圆面镜、抛物面镜或其他需要的形状。

所述的控制和动力系统4能够依据太阳光定位追踪系统3所测得的数据智能调节作为光学镜组的拼接部1-1的数量和作为太阳能电池的拼接部1-1的数量，并控制各拼接部在环形轨道1-2上运动，以使得系统始终获得最好的太阳光入射角度。

所述激光器阵列系统2由增益介质阵列2-1，激光谐振腔阵列2-2，透明基板2-3，激光合束单元2-4，附加激光泵浦组成，增益介质阵列分布于光谱透过范围宽的特殊材料透明基板2-3上。

如图4所示，所述增益介质2-1采用有益于降低激光阈值的结构，包括但不限于薄膜波导结构，板条结构，棒状结构，微片结构，光纤结构，如图9所示；本实施例选用板条结构。

所述增益介质2-1可以选用任何已知的可以产生激光的材料，包括但不限于钇铝石榴石系列的掺杂化合物(例如Nd:YAG、Yb:YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Cr:Nd:YAG)；钒酸钇系列的掺杂化合物(例如Nd:YVO₄)；红宝石(Cr³⁺:Al₂O₃)，蓝宝石(Ti³⁺:Al₂O₃)，绿宝石(Cr³⁺:Be₃Al₂(SiO₃)₆)，变石(Cr³⁺:BeAl₂O₄)，Nd³⁺:GGG(Gd₃Ga₅O₁₂)，Cr³⁺:ScBO₃，Co²⁺:MgF₂；或掺有含过渡金属元素或所述过渡金属元素的离子的光纤、光子晶体光纤；考虑到该空间激光器抗宇宙辐照的需求，优选的，本实施例选用Cr:Nd:YAG作为增益介质。

所述激光谐振腔阵列2-2分布于透明基板2-3上，谐振腔包括增益介质2-1，全反射镜2-2-1，半反射镜2-2-2，其中全反射镜和半反射镜可以分别为平面镜或凸面镜或凹面镜或锥形镜；全反射镜2-2-1和半反射镜2-2-2可以由分别镀在增益介质两通光面的全反射膜2-2-3和半反射膜2-2-4代替，本实施例选用全反射膜2-2-3和半反射膜2-2-4。

所述增益介质2-1的泵浦光接收面的长度大于其厚度，以便消除激光在内反射时的衍射现象。

如图8所示，所述激光谐振腔阵列2-2以栅栏方式交错分布于透明基板2-3上下两面，以增加太阳光照射面积，同时减小增益介质体积较大时的热效应导致的形变、应力、热透镜效应等对激光器产生的负面影响。

所述透明基板2-3的材质选用光谱透过范围宽，导热系数高，热膨胀系数较小的材料，优选的，本实施例选用石英材质。

本实施例提供了一种空间激光器系统，其无需额外提供电能，可以自动追踪太阳方位并调节系统光接受角度；使用微型激光谐振腔阵列结构，降低了激光起振阈值，更容易得到大功率激光输出，且有效减少热效应对激光器的负面影响，通过太阳能泵浦激光器与太阳能电池的结合大幅提高了太阳光能量利用率。

实施例2

如图5所示，在实施例1的基础上，将所述增益介质2-1的两通光面制作成布儒斯特窗2-1-1结构，相应的，所述激光合束单元2-4选用保偏光纤与偏振合束器，即可获得线偏振输出激光。

或，如图6，图9所示，所示，在实施例1的基础上，通过在相邻的两增益介质2-1之间设置保罗棱镜2-2-5，可以将多个增益介质串联，提高单个激光谐振腔的激光功率，并减少激光合束单元2-4中的光纤数量。

实施例3

如图7所示，在实施例1的基础上，所述增益介质选用薄膜波导结构，并在每个增益介质两端分别光刻不同反射率的光栅代替全反镜和半反镜；所述激光谐振腔包括激光增益介质7-1，高反射光栅7-2，低反射光栅7-3，梯形波导结构7-4；

所述梯形波导结构7-4位于激光谐振腔的输出端，该结构可以将波导输出端的尺寸缩小到与光纤匹配，可以通过熔接的方式与光纤直接连接，将激光直接导入光纤，省去光纤耦合镜组；

高反射光栅7-2与低反射光栅7-3为中心波长匹配的光栅对，并直接刻写于薄膜波导内。

更进一步的，根据上述结构的启示，可以直接将单包层或无包层的增益光纤作为增益介质阵列，并在两端光刻高反射光栅和低反射光栅构成激光谐振腔。

实施例4

如图10、图11所示，相对于实施例3，所述激光谐振腔阵列10-1，透明基板10-2为空心圆柱结构，位于透明基板10-2内外侧的谐振腔阵列为交错排列结构；

该结构的优点在于，阵列中所有的激光谐振腔可以共用一套全反射镜10-3、半反射镜10-4、聚焦镜10-5，而无需对每一个激光谐振腔加工一套尺寸很小的镜组，因此极大的降低了光学配件的加工难度，并且该结构同样适用于平板形阵列；

该结构聚焦的多束激光可以注入一段较长的光纤中进行光束整形以获得均匀光斑。

如图12所示，更进一步的，共用的反射镜10-6、半反射镜10-7、聚焦镜10-8为环形镜片，各镜片中部切除的部分可以加工成其它镜片使用，极大地节约了镜片材料；

该结构聚焦的多束激光可以注入一段较长的光纤中进行光束整形以获得均匀光斑。

如图13所示，更进一步的，该实施例也可以使用光纤合束方式。

如图16所示，所述激光合束单元2-4可以通过光学镜片组汇聚整形后直接使用或注入光纤中，也可以通过每个激光谐振腔直接耦合进光纤合束器后合束；本实施例选用光纤合束方式，应当理解的是，当需要合束的光纤较多时，激光合束单元2-4可以是由多个光纤合束器组合而成。

所述激光合束单元2-4内可以增设不同的光学器件，达到功率合束、相干合束、频谱合束，甚至是将该激光器阵列系统产生的激光作为同带泵浦光源注入新的增益介质中以获得更高质量的激光输出之效果。

实施例5

如图14所示，相对于实施例4，所述激光谐振腔阵列14-1，透明基板14-2为空心圆台结构，位于透明基板14-2内外侧的谐振腔阵列为交错排列结构；

该结构的优点在于，阵列中所有的激光谐振腔输出的激光束会相交于一点，即具有自聚焦功能，因此可以省略一套聚焦镜；

该结构聚焦的多束激光可以注入一段较长的光纤中进行光束整形以获得均匀光斑。

如图15所示，更进一步的，通过共轴串联多个不同汇聚角度的空心圆台，并使各圆台的阵列聚焦点重合，从而获得更高的激光功率；

该结构聚焦的多束激光可以注入一段较长的光纤中进行光束整形以获得均匀光斑。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于，所述激光器系统包括光学镜组与太阳能电池复用系统，激光器阵列系统；所述光学镜组与太阳能电池复用系统由多块具有复用功能的拼接部拼接而成，可拼接成汇聚透镜阵列，或反射镜阵列，或拼接成太阳能电池板阵列；所述激光器阵列系统的结构包括增益介质阵列，透明基板，增益介质阵列分布于透明基板上，增益介质阵列与其端部的光栅、镀膜或反射镜构成激光谐振腔阵列。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述增益介质阵列采用有益于降低激光阈值的结构，包括但不限于薄膜波导结构，板条结构，棒状结构，微片结构，光纤结构。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述增益介质阵列中的每个增益介质的两通光面是垂直于通光轴的平行平面或曲面结构；

或，所述增益介质阵列中的每个增益介质为可选出线偏振光的布儒斯特窗结构；

或，所述增益介质阵列中的每个增益介质的近全反射端为垂直于通光轴的平面或曲面，近输出端为缩口结构，缩口末端形状尺寸与光纤尺寸兼容；

或，所述增益介质阵列中的多个增益介质串联成一个激光谐振腔。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述透明基板为平板形，弯曲板形，实心圆柱形，实心椭圆柱形，立方体柱或平行四边形柱形，棱柱形，实心圆台形，空心或实心多边形台形中的一种，或多种相同或不同形状的组合或阵列。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述激光谐振腔阵列以栅栏方式交错分布于所述透明基板的上下或内外两面，并根据透明基板不同的形状和阵列方式构成不同的三维阵列结构。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述拼接部包括光学镜组面及对立面、太阳能电池集成板面及对立面和两个端面，其中两个端面分别通过旋转轴与两个可伸缩支撑杆连接；光学镜组面及其对立面构成汇聚透镜，将太阳光汇聚至增益介质阵列，相邻两对立面为双面太阳能电池集成板面，或一面为太阳能电池集成板面另一面为太阳光反射镜。

7.根据权利要求6所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述可伸缩支撑杆安装在环形轨道上并可沿轨道运动。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述透明基板为空心柱型，该透明基板上所有激光谐振腔阵列共用一套全反射镜、半反射镜和聚焦镜。

9.根据权利要求8所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述全反射镜、半反射镜和聚焦镜为中间部分镂空的环状透镜。

10.根据权利要求1所述的一种太阳能泵浦和驱动的激光器系统，其特征在于：所述透明基板为一个空心圆台或多个共轴串联的不同汇聚角度的空心圆台，各圆台上的激光谐振腔阵列的光汇聚焦点重合，实现自聚焦功能。

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