科学家利用太阳能泵浦技术实现了4.64%的激光转化效率

2022-10-09 11:58

近日，由葡萄牙新里斯本大学（NOVA University of Lisbon）副教授Dawei Liang领导的一个研究团队宣布，他们利用一种新型的Ce：Nd：YAG棒状太阳能泵浦激光器实现了4．64％的太阳能到激光的能量转换效率。

据悉，该研究的创新之处在于不再采用半导体激光阵列，而是采用固体激光器的直接太阳能泵浦技术克服了目前的性能限制，使空间激光器（spaceborne lasers）能够稳定可靠地运行多年。

具体来看，该团队的太阳能收集和集中方法使用了NOVA定日镜－抛物面镜系统。该系统由一个大的平面镜和两个平面部分安装在一个两轴定日镜上组成，该装置不断地旋转以保持阳光反射到安装在太阳激光实验室内的固定抛物面镜。

他们的定日镜具有93．5％的反射率，并将入射的太阳辐射重定向到直径1．5米、轮辋角60°、焦距660毫米的固定抛物面镜。抛物面镜背面镀银，主镜的反射率为80％。

该太阳能激光头组件是由一个大的熔融硅非球面透镜和三个直径2．5 mm、长度25 mm的Ce：Nd：YAG棒（安装在单个锥形泵腔内组成），之后三个小的1064 nm部分反射输出镜会分别与相应的激光棒对齐，最后用上反射率达94％的镀银铝箔来保护泵腔内壁。

测试结果表明，该方法提供了三束连续波1064 nm光束的高效同步发射，具有4．64％的太阳能－激光功率转换效率，41．25 W／m²的太阳能激光收集效率，以及计算出的7．64％的太阳能激光斜率效率（Slope Efficiency）。

研究团队指出，宽带阳光（broadband sunlight）可以通过太阳能泵浦转换成激光，这是一种窄带、准直、快速脉冲辐射源，可能具有极高的亮度和强度。Dawei Liang表示：“由于太阳能是太空中最丰富、最可靠的能源，比地球上多10倍，天基激光发电将是满足能源需求的重要一步。而且由于不存在云层的遮挡，太空中阳光的强度几乎是地球上的两倍，有阳光的时间是地球上的4－5倍。”

半导体激光阵列有两个明显缺点：一是随着时间的推移性能出现下降，二是其寿命有限，而且这两方面的漏洞会随着平均输出功率的水平而扩大。

如今，上述研究团队指出，用直接的太阳能泵浦固态激光器来取代半导体激光阵列，将有望帮助克服这些限制。未来，如果这种高效、低成本的可再生激光器成功应用于激光材料加工，其在地面场景中的应用（Terrestrial Applications）将会越来越凸显。