高效率側(cè)面泵浦Nd∶YAG激光器

李 含，谷開慧，齊曉宇，趙 帥

（長春理工大學光電信息學院光電科學分院，吉林長春130000）

1 引 言

太陽光是地球上取之不盡的一種可再生光源，自從激光器產(chǎn)生之后，人們開始期待直接將太陽光轉(zhuǎn)化成激光。如果能將這種寬光譜的非相干光，作用于激光工作物質(zhì)，直接產(chǎn)生出相干的窄帶激光，那么這種太陽能泵浦式激光器將擁有很大的應(yīng)用前景。隨著地球上能源的枯竭，這種太陽光直接轉(zhuǎn)化激光的方式，可以作為新能源的一種利用方式。太陽光作用于工作物質(zhì)的激光器，直接將太陽光轉(zhuǎn)化成激光，代替了中間電到光的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，所以能量損失較少，能量利用率較高。在自由空間光通信，無限電傳輸和光化學等應(yīng)用領(lǐng)域，太陽能直接泵浦式激光器具有更大的優(yōu)勢。

1966年，C.G Young首次實現(xiàn)了從太陽光到激光的直接轉(zhuǎn)化［1］，利用拋物鏡成像聚光系統(tǒng)，將太陽光聚焦泵浦工作物質(zhì)，輸出功率達到0.8 W，雖然聚光效率僅僅達到1%，但是此項工作標志著太陽光泵浦激光器的誕生。M.Weksler and J.Shwartz實現(xiàn)了側(cè)面泵浦棒狀Nd∶YAG晶體的激光輸出，他們利用面積為100 m2的定日鏡收集太陽光，直徑為14 m的拋物鏡匯聚太陽光，最終實現(xiàn)60 W激光的輸出，雖然得到較大的激光功率輸出，但是此系統(tǒng)的體積較龐大，利用效率較低［2］。M.Lando利用面積為6.75 m2的雙軸固定式分塊拋物鏡作為一級聚光系統(tǒng)，三維復合拋物鏡聚光系統(tǒng)（3D-CPC）作為二級聚光系統(tǒng)，使得聚焦后的太陽光進入二維復合拋物鏡聚光（2D-CPC）泵浦Nd∶YAG棒，最終實現(xiàn)45 W的激光輸出［3］。

本文實現(xiàn)了一種側(cè)面泵浦Nd∶YAG晶體，得到激光輸出的方式。整體的實驗系統(tǒng)包括兩部分，太陽光匯聚系統(tǒng)和激光諧振腔系統(tǒng)。在工作中，采用1 m2的菲涅爾透鏡代替了體積龐大的拋物鏡作為一級聚光系統(tǒng)；3D-CPC作為二級聚光系統(tǒng)，由于其較大的接收角，一方面可以實現(xiàn)匯聚太陽光的均勻分布，另一方面能實現(xiàn)較高的聚光比，將3DCPC的出口置于橢圓柱形泵浦腔的一個焦點處，經(jīng)聚光系統(tǒng)聚焦的太陽光從3D-CPC進入橢圓柱形泵浦腔內(nèi)，泵浦Nd∶YAG晶體棒，最終實現(xiàn)6.2 W的激光輸出，從太陽光到激光的轉(zhuǎn)化效率達到1.7%，斜率效率為3.8%。

2 實 驗

圖1為太陽光側(cè)面泵浦Nd∶YAG激光器的實驗裝置示意圖。實驗裝置由三部分構(gòu)成：菲涅爾透鏡、3D-CPC、橢圓柱形泵浦腔。實驗中利用0.98 m×1.2 m的菲涅爾透鏡作為一級聚光系統(tǒng)，收集的太陽光聚焦在菲涅爾透鏡的焦點處；為了達到激光工作物質(zhì)的閾值功率，將3D-CPC作為二級聚光系統(tǒng)，由于其較大的接收角，可以高效的采集太陽光并匯聚到出口處，得到較大的光功率密度；進入橢圓柱形泵浦腔的太陽光經(jīng)過腔面匯聚到Nd∶YAG（Nd3+摻雜濃度1 at.%）晶體棒上，達到激光工作物質(zhì)閾值之后，激光將從諧振腔的輸出端出射并被探測器接收。

圖1 太陽光側(cè)面泵浦Nd∶YAG激光器實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic view of the solar side pumped Nd∶YAG laser experimental setup

實驗測得太陽光經(jīng)過二次聚焦后到達橢圓柱形腔處的功率為348 W，功率密度達到1.6×107W/m2。當輸出鏡的耦合率為95%時，激光的輸出功率達到6.7 W，最大的收集效率達到6.2 W/m2。

2.1 Nd∶YAG激光晶體棒

由于Nd∶YAG晶體具有對太陽光較大的吸收率，較好導熱率，相對低廉的價格，機械加工強度大等優(yōu)點，實驗中選擇了Nd∶YAG晶體作為激光工作物質(zhì)。太陽光泵浦激光器的一個最重要參數(shù)是太陽光譜與工作物質(zhì)吸收譜的重合率，計算公式如式（1）所示：

其中，ηovp為太陽光譜與工作物質(zhì)吸收譜的重合率；gλ為太陽光輻射譜；a.b為Nd∶YAG晶體的吸收帶。實驗中采用直徑為5 mm，長為60 mm，Nd3+摻雜濃度為1 at.%的Nd∶YAG晶體，根據(jù)公式計算得到的根據(jù)公式計算ηovp=14%［4］。

2.2 聚光系統(tǒng)

經(jīng)過測量得到長春地區(qū)平均太陽光功率密度為850 W/m2，由于泵浦工作物質(zhì)產(chǎn)生激光需要較大的功率密度，所以必須要將太陽光經(jīng)過高效率的聚光系統(tǒng)，才能實現(xiàn)產(chǎn)生激光的目的。為此，選擇菲涅爾透鏡和3D-CPC相結(jié)合的聚光系統(tǒng)。菲涅爾透鏡目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到很多領(lǐng)域，用來替代了傳統(tǒng)體積較大的透鏡，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作的菲涅爾透鏡透光范圍在300～1000 nm，實驗中將菲涅爾透鏡固定在二維追光系統(tǒng)支架上，減少了追光的繁瑣步驟。太陽光照射到菲涅爾透鏡的一側(cè)，采用的菲涅爾透鏡面積為0.98 m×1.2 m，焦距f=1.3 m，通過測量得到在焦點處的功率為621 W，所以得到一次聚光效率為73%。為了驗證理論和實驗的一致性，采用Tracepro軟件進行光線追跡［5-7］，模擬焦點區(qū)域光線及能量的分布。模擬中，假設(shè)菲涅爾透鏡接收到的光平均波長λ=600 nm（Nd∶YAG的吸收系數(shù)在400～900 nm范圍內(nèi)相差不多，所以假設(shè)平均吸收光波長在600 nm），圖2為照射到菲涅爾透鏡上的光線分布圖，圖3為焦點處的能量分布圖，結(jié)果表明，焦點處的最大功率密度為1.51×1010W/m2，平均功率密度為 4.13×106W/m2。

圖2 光線追跡太陽光經(jīng)過菲涅爾透鏡Fig.2 Tracing ray of sunlight irradiating to the Fresnel lens

如圖3中得到的結(jié)果，其功率密度不足以側(cè)面泵浦激光的產(chǎn)生，所以需要二級聚光系統(tǒng)來提高功率密度［8］。我們采用3D-CPC聚光系統(tǒng)作為二級聚光系統(tǒng)，入口端直徑80 mm，接收半角為20°，出口端直徑3.5 mm，接收半角為60°，為了減少激光棒上不必要光波的熱負荷，在3D-CPC的出口端加一個濾光片，圖4為在3D-CPC出口處的能量分布圖，平均功率密度達到1.6×107W/m2，比菲涅爾透鏡焦點處的功率密度提高4倍。

2.3 激光泵浦腔

經(jīng)3D-CPC聚焦的太陽光匯聚到橢圓柱形泵浦腔的一個焦點處，經(jīng)腔內(nèi)反射作用于Nd∶YAG晶體棒，橢圓柱形腔的長半軸a=15 mm，短半軸長10 mm，橫斷面的長度50 mm［9-10］。 諧振腔的冷卻采用石英管水冷的方式，將直徑5 mm，長40 mm，一端鍍高反膜（R＞99%）的Nd∶YAG激光棒置于石英管中。如圖1所示，諧振腔采用平-平腔，為了得到最大輸出功率，輸出耦合鏡的反射率采用85%～98%，移動輸出鏡的位置來調(diào)節(jié)腔長，利用功率計來監(jiān)測最大輸出功率。

圖3 菲涅爾透鏡焦點處能量分布Fig.3 Energy distribution in the focus of Fresnel lens

3 討論與分析

經(jīng)持續(xù)3 h測量（10 ∶40 ～13 ∶40），長春地區(qū)太陽光平均輸出功率密度為850 W/m2（面積為0.98 m×1.2 m，f=1.3 m）。到達菲涅爾透鏡接收面一側(cè)的光功率為850 W，通過計算得到菲涅爾透鏡焦點處光斑直接為14 mm。在實際測量中，得到焦點處的光功率為621 W，光斑直徑為23 mm，所以得到菲涅爾透鏡的聚光效率為73%。

由于菲涅爾透鏡焦點處聚焦的光斑能量分布不利于泵浦工作物質(zhì)，所以采用了非成像光學邊緣光線原理設(shè)計的3D-CPC聚光系統(tǒng)作為二次聚光系統(tǒng)，能將非均勻的能量分布轉(zhuǎn)化成較均勻的能量分布，3D-CPC聚光系統(tǒng)具有較大的接收角，較小的輸出端口，如圖4（a）和（b）所示，在3DCPC聚光系統(tǒng)出口處平均光功率密度達到1.6×107W/m2，是菲涅爾透鏡焦點處的4倍，實驗中得到3D-CPC聚光系統(tǒng)出口處光功率348 W，聚光效率為56%。

圖4 3D-CPC出口處能量分布圖Fig.4 Energy distribution in the exit of the 3-DCPC

高效聚焦的太陽光被耦合進入橢圓柱形腔，這種類型的諧振腔在固體激光器中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。此種結(jié)構(gòu)比端面泵浦結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點，例如，可以將聚焦到腔內(nèi)的光均勻化分布，均勻化分布的光更有利于激發(fā)高功率激光輸出，減少熱透鏡效應(yīng)和熱壓問題。

直徑5 mm，長60 mm的Nd∶YAG晶體棒，選擇較小直徑的工作物質(zhì)是為了更好的抑制高階模的產(chǎn)生，提升光束質(zhì)量。實驗中采用平-平腔，激光棒一端鍍反射率高于99%的高反膜，另一端調(diào)節(jié)反射率從85%～98%，熱透鏡的焦距、鏡間距、g1和g2計算，得到腔處于穩(wěn)態(tài)。

實驗利用遮光罩變化入射到諧振腔內(nèi)的太陽光功率，得到了不同泵浦光對應(yīng)得到不同的輸出激光。如圖 5所示，最大的輸出激光為 6.2 W，波長1064 nm，輸出耦合鏡反射率為95%，利用光纖光譜儀測量譜線寬度，隨著收集時間和頻率的改變，激光譜線寬度約為2 nm，從太陽光到激光的轉(zhuǎn)化效率為1.7%，激光產(chǎn)生的斜率效率達到3.8%。

圖5 輸出光和入射太陽光的關(guān)系曲線Fig.5 Laser power as function of the incident solar power

4 結(jié) 論

太陽光泵浦式激光器系統(tǒng)通過由菲涅爾透鏡和復合拋物鏡組成的高效聚光系統(tǒng)，有效地提高了泵浦光的功率密度。采用側(cè)面泵浦的方式，充分利用了泵浦光，使其更有效地激勵工作物質(zhì)，獲得更大的激光輸出。利用小直徑的工作物質(zhì)，可以有效地抑制高階模的產(chǎn)生，獲得較好質(zhì)量的激光輸出。最終得到6.2 W的激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率1.7%，斜率效率為3.8%。為后續(xù)設(shè)計大功率太陽光泵浦激光器的工作提供了堅實的理論基礎(chǔ)和實驗手段。

盡管太陽能泵浦式激光器目前還很難實現(xiàn)人們的需求，但是其發(fā)展前景不可忽視。后續(xù)工作將著重在陣列激光工作物質(zhì)、更高效的收集聚光系統(tǒng)、對可見光吸收率更高的工作物質(zhì)等方面的研究，可以實現(xiàn)在轉(zhuǎn)換效率方面得到突破，進而得到大功率的太陽光泵浦式激光器。