高效率太陽光泵浦的固體雷射器理論和技術研究

《高效率太陽光泵浦的固體雷射器理論和技術研究》是依託北京理工大學，由趙長明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高效率太陽光泵浦的固體雷射器理論和技術研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：趙長明
• 項目類別：面上項目

項目摘要

太陽光直接泵浦的固體雷射器在空間套用中具有明顯的優勢，從太陽光到雷射的轉換效率國際上已經達到可以與以太陽電池供電的雷射二極體泵浦固體雷射器（DPL）相比擬的水平，本項目組在上一個自然科學基金小額資助支持下在國內率先獲得了太陽光泵浦的雷射輸出，建成了較好的研究條件。.本項目計畫建立太陽光泵浦固體雷射器的能量轉換模型，研究提高太陽光泵浦固體雷射器的轉換效率涉及的各項技術，具體研究選擇適合太陽光泵浦的固體雷射材料、研究大口徑高效率聚光光學元件的設計製作、研究高效率三維複合拋物面聚光器（CPC）的設計和加工、研究聚光光學系統與雷射材料的高效耦合技術，最終實現太陽光泵浦固體雷射器的高效率輸出。

結題摘要

太陽光直接泵浦的固體雷射器因其能量轉換環節最少，結構簡單，具備實現高效率把太陽光轉換到雷射的潛力，並且具有高可靠性。在空間太陽能電站、空間無線能量傳輸、星間雷射通信、空間光電對抗、空間雷射雷達等空間套用方面具有潛在的優勢。 國際上太陽光直接泵浦的固體雷射器研究以日本的東京理工大學、葡萄牙里斯本新大學和以色列威茲曼研究所最為領先；國內北京理工大學本項目組率先開展了研究工作，並且截止目前只有本項目組實現了太陽光泵浦雷射輸出。 在國家自然科學基金支持下，經過三年時間的研究，本項目實現了太陽光泵浦雷射器最高14W的雷射輸出，單位接收太陽光面積上獲得的雷射輸出與日本東京理工大學2009年的實驗結果相近。 理論研究方面，建立了太陽光直接泵浦固體雷射器的能量轉換理論模型，研究了從太陽光到雷射輸出的各個能量轉換環節的效率及其影響因素；研究了常見雷射工作物質的光譜特性，並綜合各種因素後，篩選出幾種適合太陽光泵浦的雷射材料；研究了菲涅爾透鏡的設計方法和匯聚效果；研製了金屬鏡面反射式錐形腔和陶瓷漫反射錐形腔，並採用Tracepro軟體建立了整體泵浦模型，對泵浦系統進行了設計和最佳化。 實驗研究方面，對原有實驗系統進行了大幅度改進，研製了基於四象限探測原理的太陽光自動跟蹤裝置，能夠實時準確跟蹤太陽光，保證試驗系統的光路準直。實驗研究了Nd：YAG和Cr，Nd：YAG兩種雷射工作物質的雷射輸出特性，並通過改變雷射工作物質尺寸、錐形聚光腔腔型和結構參數、以及雷射諧振腔參數和輸出鏡透過率進行最佳化。最終使用φ30×100mm的陶瓷腔，輸出鏡曲率900mm、透過率3%時，泵浦φ8×115mm的Nd:YAG晶體獲得了14W的最大雷射功率輸出，太陽光到雷射轉化效率達到4.24%。