太阳能激光器聚光系统研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

最先实现太阳光泵浦运转的固体工作物质是Nd∶YAG单晶和钕玻璃，二者均具有较宽的吸收谱带，但总的效率相对较低。于是，研究人员开始寻找适于太阳光泵浦的新型激光工作物质。太阳光是连续宽光谱光源，其辐射光谱覆盖紫外到红外波段，较强的光辐射发生在350～600nm波段，而其他波段相对较弱。从总的能量分布来看，紫外波段、可见光波段和红外光波段占有比例分别为4%，44%和55%，于是对太阳光泵浦固体激光器工作物质的探索主要是针对工作物质的吸收谱与太阳光光谱匹配特性，匹配较好的激光介质则激光器的阈值就会低一些，且效率高。此后研究人员分别对Er∶Tm∶Ho∶YAG、红宝石、Cr∶Nd∶YAG、Cr∶Nd∶YAG陶瓷晶体、紫翠玉宝石及Cr∶Nd∶GSGG等固体工作物质进行了探索。

003年，MLando报道了太阳光直接泵浦Nd∶YAG晶体，采用两级聚光获得了45W连续激光输出，斜效率约为7.5%，转换效率约为5.6%。07年，MEndo报道了太阳光泵浦微片Cr∶Nd∶GSGG激光器，获得了5.6%的转换效率。07年，T．Yabe等人采用1.3m的菲涅耳透镜收集太阳光并泵浦Cr∶Nd∶YAG陶瓷激光晶体，获得了4.4W的1064nm激光输出，斜效率为11%～14%，总转换效率为.9%。09年，TomomasaOhkubo等人报道了采用4m菲涅耳透镜收集太阳光进行端面和侧面混合泵浦Cr∶Nd∶YAG陶瓷激光晶体，获得80W激光输出，斜效率达9%，总转换效率为4.3%。虽然在实验上对不同的太阳光泵浦固体工作物质取得了一定的进展，但和理论上的极限值还有较大的差距，优化太阳光泵浦固体激光器的实验参数是进一步提高激光器效率的关键，当然探索和寻找最佳的固体激光介质的努力一直没有间断过，尤其是通过多种激活离子的共掺来提高激光器的效率。

收集聚光装置是太阳光泵浦激光器的关键部件，提高收集系统的收集效率是提高激光器输出功率和太阳光利用率的关键，当然，关注收集效率的同时也要考虑加工难度、成本和质量等多种因素。收集聚光装置主要由两部分组成，即太阳光收集光学装置和聚光装置。

CGYoung分别采用口径为61cm的消像差弯月透镜和抛物面透镜来收集太阳光，聚光装置分别采用内壁镀制了具有高反射率银的圆筒和圆锥。为了收集到更多的太阳光，大口径收集光学系统被广泛应用于太阳光泵浦激光器。1984年，HaruoArashi等人采用口径为10m的抛物面镜收集太阳光来泵浦Nd∶YAG晶体。为了对斜入射的太阳光进行有效收集而达到最大理论的聚光比，非成像光学元件－复合抛物面聚光器(CPC)的光学特性引起了研究人员的注意。1988年，MWeksler等人报道了三级收集聚光的太阳光泵浦激光器，第一级采用10mtimes;10m的定日镜反射，第二级采用600片透镜阵列聚光，第三级采用二维复合抛物面聚光器(D－CPC)进行聚焦来泵浦Nd∶YAG晶体获得60W激光输出，斜效率达4%。1993年，VKrupkin等人报道了采用660m的光学系统收集太阳光并侧面泵浦Nd∶YAG获得最高功率为500W的激光输出。为了降低太阳偏移对光收集效率的影响，3D－CPC被引入到收集聚光装置中。03年，MLando报道了采用61个六边形反射镜组成的6.75m收集光学系统收集太阳光直接泵浦Nd∶YAG晶体，D－CPC和3D－CPC相结合聚光获得了45W连续激光输出，斜效率约为7.5%，转换效率约为5.6%。

由于大口径光学元件和CPC制作困难且质量较大，其收集的阳光能量有限。研制大面积、轻质量的光学元件是收集更多太阳光的关键。基于低成本、轻质量、小菲涅耳数和高收集效率的要求，采用PMMA材料制作的菲涅耳透镜成为太阳光收集装置的首选器件之一，并在太阳光泵浦激光器中取得了广泛应用。07年，T.Yabe等人报道了采用1.3m菲涅耳透镜收集太阳光，收集到的太阳光强度为518W/m，收集效率为66.4%。09年，TomomasaOhkubo等人报道了采用4m菲涅耳透镜收集太阳光，收集到的太阳光强度为465W/m。2007年，何建伟提出了菲涅耳透镜和复合抛物面聚光器组合而成的聚光系统来实现对工作物质的端面泵浦。2012年，DanFang则同样采用这样的方式来对工作物质进行侧面泵浦。

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