太阳光直接抽运激光器系统及计算机模拟优化

为了实现太阳光向激光的转化,设计并搭建了采用两级汇聚系统的实验系统。用菲涅耳透镜作为第1级汇聚系统,以漫反射锥型腔作为第2级汇聚系统,采用Nd:YAG作为工作物质。在太阳光的入射功率密度大约为950W/m2时,实验最高可得到13.3W的功率输出。用LASCAD软件对谐振腔进行模拟,得到了晶体棒工作时的温度分布和折射率分布;通过改变参量,对系统进行优化,得到了输出功率随腔长和输出镜反射率的变化规律,找到了最佳腔长为142mm,最佳输出镜反射率为91%。结果表明,通过调整腔长和输出镜反射率的大小,找到最佳值,可有效地提高太阳光直接抽运激光器的输出功率。     

高效率侧面泵浦Nd∶YAG激光器

太阳能是地球上资源最为丰富的一种能源,但是其能量密度较低,不足以实现泵浦激光器的需求。为了实现利用太阳能泵浦激光器的目的,需要对太阳光进行高效聚焦,来达到泵浦激光器能量阈值的要求。我们采用三维复合抛物镜(3D-CPC)与菲涅尔透镜相结合的聚光系统来实现太阳光的高效聚焦,实验中将3D-CPC聚光系统的出口放置在激光器椭圆柱形泵浦腔的一个焦点处,聚焦后太阳光高效耦合进入激光器谐振腔,实现了聚光比的大幅度提升。利用此聚光系统与椭圆柱形泵浦腔的结合,泵浦Nd∶YAG晶体,得到6.2 W的激光功率输出,光收集效率达到6.2 W/m2。     

太阳光直接抽运1064nm激光放大器

设计了太阳光直接抽运1064nm激光放大器,并实现了太阳光抽运下的激光放大。该激光放大器采用菲涅耳透镜和金属锥型腔相结合的太阳光会聚系统,增益介质为圆盘状Nd:YAG和Nd/Cr:YAG晶体。分析了固体激光放大的原理。通过tracePro仿真太阳光会聚系统,计算了增益介质表面的抽运光功率密度。基于Nd:YAG与Nd/Cr:YAG的光学与物理参数,用LASCAD仿真了增益介质内部的温度分布,验证了设计的可行性。在太阳辐射功率密度为900 W/m~2和种子光最大功率为300mW的实验条件下,最大激光输出为475.1mW。对比分析了不同的太阳光会聚系统和不同增益介质的放大实验数据,探讨了后续改进的方向。     

高倍聚光光伏可拆卸型二次反射镜设计与研究

高倍聚光光伏技术是将垂直入射于菲涅耳透镜上的太阳光聚焦到电池片上,通过光电转换产生电能,但实际应用时,由于跟踪器跟踪精度低、支架受风会抖动等因素存在,无法保证太阳光始终垂直入射于菲涅耳透镜。针对该问题,在菲涅耳透镜和太阳能电池之间增加一个可拆卸的倒置的去掉顶部的棱锥形二次反射镜来提高聚光光伏的接收角,给出了具体的设计实例,并应用Solidworks软件和Tracepro软件对设计实例进行了计算机光学模拟。结果证实该二次反射镜能很好地提高聚光光伏的接收角,并改善菲涅耳透镜聚焦光斑的能量均匀性。     

聚光光伏系统菲涅耳聚光器性能分析与仿真

对太阳能聚光光伏发电技术中的聚光系统进行了研究,分析了菲涅耳透镜应用于太阳能聚光器的优点、聚光特性以及光学效率,推导并获得了平面向外、菲涅耳面向太阳电池的点聚焦菲涅耳透镜的设计公式。在ZEMAX软件的非序列模式中实现了基于非成像光学理论的光线追迹仿真,对某一尺寸的菲涅耳透镜的焦平面上光斑能量分布情况进行了分析与模拟。研究结果表明,利用通常的菲涅尔透镜实现聚光作用的聚焦光斑的光能量主要集中在太阳电池的中心部位,呈现为从中心往外围能量越来越弱的同心圆环。要使太阳电池接收到的光能量尽可能均匀,则需要增加二次聚光元件。     

太阳光直接抽运的激光器研究历史与发展趋势

太阳光直接抽运的激光器以太阳光为抽运源,直接将太阳光转化为激光.介绍了国内外太阳光直接抽运激光器的研究状况.从太阳光到激光的转换效率论述了太阳光直接抽运激光器的应用优势;回顾了太阳光直接抽运的各类激光器的研究历史,按太阳光汇聚方式对太阳光直接抽运的固体激光器进行了归类分析,对太阳光直接抽运的激光器发展进行了预测.     

激光无线能量传输接收系统二次聚光研究

为了克服激光无线能量传输接收系统中聚焦光斑能量分布不均匀、光斑形状不匹配的缺陷,设计并加工了一种梯形二次聚光器。依据边缘光线理论分析了梯形二次激光器的设计原理,利用Tracepro软件进行了仿真,采用直角梯形拼接的方法加工成梯形二次聚光器。在激光无线传能系统中对梯形二次聚光器进行了实验研究,对比了菲涅耳透镜单次聚光和与梯形二次聚光器组合聚光时对激光电池效率的影响。实验得出,在激光电池接收功率一致的情况下,菲涅耳透镜与梯形二次聚光器组合产生的聚焦光斑能使激光电池的转换效率值提高6%~7%;在计入二次聚光器损耗后,激光电池的转换效率值提高2%~3%。结果表明:梯形二次聚光器的使用可以提升激光无线传能系统接收端的性能。     

双端抽运双Nd:YVO4连续绿光激光器

为了提高半导体激光器抽运的全固态激光器的输出功率与光-光转换效率,设计并使用了双端抽运双Nd:YVO4绿光激光器。通过激光晶体温度场特性的研究以及依据光束的传输矩阵,分析了双激光晶体热透镜效应对于谐振腔稳定性的影响,设计了双端抽运双激光晶体折叠腔。在双端抽运双Nd:YVO4绿光激光器系统中,LBO晶体采用了Ⅰ类非临界相位匹配腔内倍频方式,当抽运光功率为26.56W时,获得了5.5 W的稳定连续绿光输出,其光-光转换效率为20.7%。结果同时表明,在谐振腔内插入双激光增益介质,不仅可以提高激光器的光-光转换效率,而且两个激光晶体热透镜效应相互作用的结果可以增强谐振腔的稳定性。     

双端抽运双Nd∶YVO4连续绿光激光器

为了提高半导体激光器抽运的全固态激光器的输出功率与光-光转换效率,设计并使用了双端抽运双Nd∶YVO4绿光激光器.通过激光晶体温度场特性的研究以及依据光束的传输矩阵,分析了双激光晶体热透镜效应对于谐振腔稳定性的影响,设计了双端抽运双激光晶体折叠腔.在双端抽运双Nd∶YVO4绿光激光器系统中,LBO晶体采用了Ⅰ类非临界相位匹配腔内倍频方式,当抽运光功率为26.56 W时,获得了5.5 W的稳定连续绿光输出,其光-光转换效率为20.7%.结果同时表明,在谐振腔内插入双激光增益介质,不仅可以提高激光器的光-光转换效率,而且两个激光晶体热透镜效应相互作用的结果可以增强谐振腔的稳定性.     

耦合系统的成像质量对端面抽运固体激光器的影响

耦合光学系统是端面抽运固体激光器中不可缺少的部分,其成像质量的优劣直接影响到激光器转换效率的高低.以激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4/LBO 457 nm蓝光激光器为例,分别采用两种不同结构的准直聚焦透镜组合作为耦合光学系统,分析其对抽运光的成像情况以及对端面抽运固体激光器光束质量和输出功率的影响,在激光器的抽运功率和谐振腔的参数完全相同的情况下,改进的四片式耦合光学系统使激光器输出的光束质量得到了明显改善,同时极大地提高了倍频输出功率,在30 W的抽运功率下,得到了4.3 W的连续457 nm蓝光激光输出,光-光转换效率达到13.7%.     

太阳光泵浦固体激光器的研究与应用

在介绍太阳光泵浦固体激光器工作原理的基础上,分别对太阳光泵浦固体激光器的固体工作物质、太阳光收集聚光装置和泵浦方式的研究状况进行了综述,探讨了太阳光泵浦固体激光器的发展趋势及其应用前景。     

Time-dependent modeling of erbium-doped waveguide lasers in lithiumniobate pumped at 980 and 1480 nm

We have developed a rigorous phenomenological model for analyzing rare-earth doped waveguide lasers. The model is based on time-dependent laser rate equations for an arbitrary rare-earth-doped laser host with multiple energy levels. The rate equations are coupled with the laser signal and pump photon flux equations that have time-dependent boundary conditions. The formulation results in a large and stiff set of transcendental and coupled differential equations that are solved using finite difference discretization and the method of lines. Solutions for the laser signal power, pump power, and populations of ion energy levels as functions of space and time are obtained for waveguide lasers. We have used the model to predict the CW characteristics and Q-switched performance of waveguide lasers in lithium niobate pumped by a 980-nm source. Our analysis shows that hole burning can occur in erbium-doped lithium niobate lasers because of the intensity variation across guided transverse modes. We have predicted that Q-switch pulse peak powers can exceed 1 kW with pulsewidths less than 1 ns. Moreover, we have compared the CW and Q-switched performance of 980-nm pumped waveguide lasers and 1480 nm pumped waveguide lasers. An analysis of the effects of host- and fabrication-dependent parameters on CW 980-nm pumped lasers is included. These parameters include cooperative upconversion, excited state absorption, doping concentration, excess waveguide loss, cavity length, and mirror reflectance values. We demonstrate good quantitative agreement with waveguide laser experimental data obtained in our laboratory and with results from the literature     

Nd3+掺杂浓度对大功率全固态Nd:YVO4激光器输出特性影响的研究

通过对 Nd:YVO4晶体吸收特性的研究 ,对全固态 Nd:YVO4激光器中晶体的 Nd3 掺杂浓度在强光抽运条件下对激光输出特性的影响进行了分析 ,得出了激光器的输出功率和斜效率与晶体掺杂浓度的对应关系。对晶体长度为 5 mm,掺杂浓度分别为 0 .5% ,0 .7%和 1 .0 at- %的大功率全固态 Nd:YVO4激光器的输出进行了比较 ,实验与分析结果符合得较好。利用掺杂为 0 .5%的Nd:YVO4晶体 ,在抽运光功率为 5.1 W时获得 3.1 W的 TEM0 0 模激光输出 ,斜效率达到 71 %。     

LD泵浦的1.3at.%Er3+: CaF2中红外高功率固体激光器（特邀）

3 μm波段激光是高精度外科手术的理想光源,也可作为长波中红外光参量振荡器的有效泵浦源。LD直接泵浦Er3+掺杂晶体是获得2.7~3 μm波段中红外激光的有效技术途径,具有成本低、结构紧凑简单等优点。由于Er3+ 2.8 μm激光下能级阻塞问题,一般需要高浓度掺杂,但高浓度掺杂易引起强烈的光吸收,增强了激光晶体的热效应,从而阻碍了激光功率的提升。低声子能量的氟化钙晶体特有的萤石型结构使得三价稀土离子极易形成“团簇”,将低浓度Er3+掺杂到氟化钙晶体中即可获得高效率的中红外激光增益介质。笔者课题组使用温度梯度法成功生长了低浓度掺杂1.3at.%Er3+: CaF₂激光晶体,利用LD直接泵浦获得了2.2 W的中红外激光输出,这是目前利用LD端面泵浦同类晶体中的最高中红外激光输出功率。同时,文中还对上转换泵浦方式下该晶体的2.8 μm激光特性进行了研究。实验结果表明,低浓度掺杂的1.3at.%Er3+: CaF₂晶体是一类具有产业化前景的中红外激光材料,有望推动长波中红外激光器向着结构紧凑、成本低的方向发展。     

全固态激光器中掺Nd3+离子激光晶体热效应的研究

激光晶体吸收激光二极管的泵浦光能量,产生激光振荡的同时有相当一部分泵浦光能量会转变为激光晶体的热量并耗散在晶体内,产生的热效应严重影响到激光器的性能和品质。通过对于激光晶体端面泵浦方式的分析,利用半解析热分析方法得出了晶体内部温度场和热形变场的计算方法,并对几种典型的掺Nd3+离子晶体的温度场和端面热形变场及其产生差异的原因进行了定量分析。研究方法和得出结果可以应用到内有热源、具有轴对称形式的模型中,对于激光二极管泵浦的全固态激光器的设计提供基础理论的铺垫。     

热畸变对单板条热容激光器输出的影响

开展了激光二极管(LD)抽运的全固态热容激光器的理论与实验研究,数值模拟了在热容工作条件下侧面抽运的Nd∶YAG板条激光器的热透镜效应,分析了热透镜效应对激光输出的影响,并进行了相应的实验论证。实验中采用的晶体尺寸为57mm×40mm×4mm,激光二极管阵列的抽运峰值功率为12kW,重复频率为1kHz,占空比为20%,为了获得较高的增益,将抽运光通过光学系统进行聚焦,抽运光在晶体侧面的光斑大小为15mm×57mm.实验中观察了1s内的脉冲能量输出的波动情况,在开始工作的时候单脉冲能量输出为1J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%。     

蓝光激光二极管抽运Pr:YLF绿光激光器

报道了蓝光激光二极管抽运的掺镨氟化钇锂(Pr:YLF)固体绿光激光器。采用长度5mm、掺杂离子数分数为0.5%的Pr:YLF晶体作为激光增益介质,在中心波长444nm的蓝光激光二极管抽运下,获得波长522.4nm的连续绿光激光输出。应用不同透射率的输出耦合镜研究了激光器的输入输出特性。在吸收抽运光功率530mW,输出镜透射率为1.9%时获得最大输出功率为90.1mW,斜率效率达到65.3%。     

电子束泵浦XeCl准分子激光器输出特性

为了确保窄脉宽XeCl准分子激光系统获得高峰值功率紫外激光脉冲,实验研究了紧凑型四向电子束泵浦XeCl准分子激光器的输出特性。通过调节激光腔室气体介质的总气压和气体摩尔比、激光器的充电电压、二极管阳极钛箔厚度等参数,发现了激光能量随以上条件的变化规律,分析得到了激光器运行的最佳条件。在最佳条件下XeCl准分子激光器的脉冲能量大于100 J、脉宽约200 ns,电光效率约为5.81。另外,通过改变激光器内部Marx发生器的开关气压,研究了紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器输出激光脉冲的延迟抖动特性,发现激光脉冲的延迟抖动可优于20 ns。研究结果表明:紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器可实现脉冲抖动小于20 ns、103 J的高能紫外激光输出,可满足窄脉宽XeCl准分子激光系统运行的需要。     

掺钛蓝宝石激光器的增益开关特性研究

实验研究了调QNd:YAG激光器泵浦的增益开关型掺钛蓝宝石激光器的时间特性,泵浦能量水平(泵浦能量/阈值能量)变化范围为2.1～3.8,腔长变化范围为20cm～60cm,并改变了腔的损耗。根据增益开关激光器时间特性的理论,激光脉冲的建立时间和其脉冲宽度取决于泵浦能量水平和腔长,并与腔损耗成反比,而与泵浦脉宽和波形无关,实验结果与理论分析相符。当用10ns脉宽的激光脉冲泵浦时,在20cm短腔长情况下获得了比泵浦光脉宽窄的仅4ns脉宽的激光脉冲。     

光泵CH3F和D2O远红外脉冲激光器

本文叙述了无镜远红外激光器的结构及其实验结果。用可调谐TEA CO_2激光器作为泵浦源,其输出能量在9P(20),9R(22)线上均可达1J左右。用CO_29P(20)线泵浦CH_3F分子,获得了能量为0.5mJ,波长为496μm的激光输出;用9R(22)线泵浦D_2O分子,获得了能量为1mJ,波长为385μm的激光输出。输出能量和波长是分别用热电堆和Fabry-Perot干涉仪测量的。