太阳能直接泵浦NdYAG激光研究毕业设计

本科生毕业设计太阳能直接泵浦 Nd:YAG 激光研究STUDIES ON DIRECT SOLAR PUMPEDNd:YAG LASER学 生 姓 名陈玉满专 业电子科学与技术学 号0812205指 导 教 师房丹分 院光电科学分院2011年6月摘 要第一台激光器问世不久，便有人致力于太阳能激光器的研究工作，鉴于Nd：YAG晶体的特点，所以阳光泵浦Nd：YAG激光器获得了长足发展，其研究和应用均取得了可喜的成绩，太阳能转化为激光的效率不断提高，输出功率逐渐增加，性能不断完善，各种应用构想相继出台。根据空间太阳能具有能流密度大、不受昼夜气候影响等特点，它可以被用于直接或者间接的泵浦固态激光器。在利用间接泵浦固态激光器时，太阳光到激光的能量转换过程比较多，效率较低。在直接泵浦时，由于没有中间环节，因而太阳光到激光转换效率高，且具有结构简单，可靠性好的特点。因此，直接太阳光泵浦实现阳光到激光的转换是有潜在重要性。本论文主要介绍了太阳光直接泵浦 Nd:YAG 激光器主要特点和应用前景。同时对 Nd:YAG 激光晶体的性质、空间太阳光辐射特点做了一下介绍，通过 5800k 时的黑体辐射模拟太阳光对 Nd:YAG 激光晶体吸收光谱与太阳光谱的匹配进行了分析，理论上证明了 Nd:YAG 作为太阳能直接泵浦激光物质的可行性。关键词 复合抛物面聚光器(CPC) 太阳能激光器 斜率效率 聚光比ABSTRACTThe advent of the first laser, it was committed to the solar laser research, given the characteristics of the Nd: YAG crystal, so the sun - pumped Nd: YAG laser to obtain a rapid development, its research and application achieved gratifying results, solar continuously improve the efficiency of laser output power is gradually increased, performance, continuous improvement, and a variety of application ideas were introduced. Space solar energy flux density, from the day and night climate impact, it can be used directly or indirectly-pumped solid state lasers. The use of indirect-pumped solid-state lasers, sunlight to laser energy conversion process are more and less efficient. Directly pumped, in the absence of intermediate links, and thus sunlight to laser conversion efficiency is high, and has a simple structure, good reliability. Therefore, direct sunlight the pump to achieve the conversion of sunlight into laser is potentially important.This paper introduces the main characteristics and prospects of sunlight directly pumped Nd: YAG laser. The characteristics of the Nd: YAG laser crystal nature, space, sunlight radiation introduced sunlight through 5800k blackbody radiation simulation of Nd: YAG laser crystal absorption spectra and the matching of the solar spectrum were analyzed theoretically proved that the Nd: YAG as the feasibility of direct solar-pumped laser material.Keywords: compound parabolic concentrator Solar lasers Slope efficiency Concentration ratio目 录第 1 章 绪论.4 太阳能直接泵浦固体激光器简介.4 太阳能激光器的背景.4太阳能直接泵浦固体激光器的特点.4 太阳能激光器的应用前景. 41.2 太阳能直接泵浦 Nd:YAG 激光器发展的状况.5 本文主要研究内容及意义. 5第2章Nd:YAG 吸收谱与太阳光谱的匹配分析 Nd:YAG 晶体的基本特性和主要用途.6Nd:YAG晶体作为阳光直接泵浦材料的必要性. 72.3Nd:YAG 晶体吸收光谱与太阳光谱的匹配分析. . 72.4 本章小结. 8第3章 Nd:YAG激光振荡的阈值条件. 8 聚光比阈值和斜率效率的计算.9 聚光比阈值的计算.9 斜率效率的计算.9本章小结.9第 4 章 太阳能直泵浦Nd:YAG散热理论研究4.1 工作物质产生热的原因.104.2 热效应的影响因素. 104.3 Nd:YAG激光介质的热效应. 114.4 太阳能激光器的散热. 114.5 阳光泵浦板条Nd:YAG激光器的理论分析. 114.6板条状和棒状激光器的比较分析. 144.7 本章小结.15第 5 章 太阳能聚光器的设计 太阳能聚光器的基本概念及类型. 165.2.复合抛物面聚光器的分析. 17 旋转抛物面聚光器的分析. 23高聚光比太阳能聚光器的设计. 245.5 本章小结. 24结论. 25参考文献.26致谢.27第1章 绪论1.1 太阳能直接泵浦固体激光器简介1.1.1 太阳能激光器的背景把宽波段的太阳光直接转换成相干，窄波段的激光输出的设想几乎和激光概念本身同时出现。任何能够被光泵的激光介质原则上都能被使用来构成太阳激光器。通过直接太阳光泵浦实现阳光到激光的转换是有潜在重要性的，因为太阳光带宽，发散和暂时的连续性，因此它被转换成激光，激光是窄的，准直的、快速的、快脉冲，辐射有可能获得极高的强度。如果在一些光照非常丰富而其它形式的能源十分缺乏的偏远地区需要使用激光，那么太阳激光器是一个很自然的选则。1.1.2 太阳能直接泵浦固体激光器的特点太阳能直接泵浦固体激光器由于是光到光的转换，具有很高的转换效率。因此，受到很大的关注。总结起来它具有如下特点：1、 太阳能到激光的转换效率高这是由于在直接泵浦时，太阳能直接转换成激光，无须中间的复杂转换过程。而在间接泵浦时，太阳光能够照亮太阳能电池产生电流，激励二极管激光器。发射的二极管激光能够泵浦固态激光器。这样太阳光到激光的能量转换过程比较多，效率就较低。通过计算总效率不超过 5%，而直接转换可达到20%。这样就可以得出直接泵浦时可得到更高的转换效率。2、 结构简单，造价便宜，激光器体积小、重量轻由于太阳能间接泵浦时的高功率激光器需要很高的电功率，而太阳能和电能之间的转化效率却很低，所以空间电驱动的高功率激光器泵浦源体积大，造价昂贵。而太阳直接泵浦的固体激光器既不需要庞大电能转换装置，因而太阳直接泵浦的激光器结构简单，造价便宜，激光器体积小、重量轻。3、 可靠性好，寿命长，性能稳定首先，不需要庞大的太阳能到电能的转换装置，就不需要对它进行经常性的维护。其次，在太空中，太阳能是主要能源、同时又是永久能源，可以无限长时间的应用。1.1.3 太阳能激光器的应用前景经过近几年不断的研究，太阳光泵浦激光器获得了较高的总效率和斜率效率，连续输出功率达到了百瓦量级，而且在多种体制中都能正常运转。太阳光泵浦激光器可以应用于太空，也可以应用于地面。太阳光泵浦激光器在空间无线能量传输、空间光电对抗、自由空间光通信、激光动力推进以及光化学领域具有很好的应用前景。早期由于激光技术的不成熟，又由于微波同激光束相比，其穿透大气层的效率远高于激光束，所以无线输电能在大气中的传输主要利用微波传输能量。但是微波束的缺点是把空间直流电转换成地面电力的转换方式复杂。近年来随着激光技术的不断发展，激光效率已明显提高，并且所获得的激光在大气中的穿透能力大大增加。利用太阳能泵浦的激光器可以将太阳能转化为激光能量，然后用所产生的激光进行能量传输。这相对于微波传输能量，减少了能量转化次数，同时可以大大降低系统的重量。其次，激光动力推进。当高功率激光束聚焦在火箭燃烧室内初步形成等离子体时，可达到 20000K 高温。第三，太阳能激光武器。激光武器是一种利用定向发射的激光束直接射击目标使之失效的新概念武器，它的出现是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一个重要的里程碑。例如：高能激光攻击站(简称 HELAS)就是美国所设想的一种空间作战概念，它装有高功率短波长固体激光器的天基作战平台，能削弱乃至摧毁敌方的空间作战能力。第四，空间激光通信。由于人造卫星提供的频带已几乎全被占用，导致无线国际通信遇到了频带宽度应用的限制。另外，一颗人造卫星的能量也是有限的，因此在无线系统中增大频域也增加了运作的成本。在空间光通信中，如果直接将太阳光转化为激光，那么这些问题可以得到解决。第五，太阳能激光化学太阳光泵浦激光器在陆地上可应用于光化学处理与合成。从六十年代开始，激光器已经作为控制化学反应的一种手段，因为它具有适合于具体光化学过程的精细的光谱。另一方面，太阳光泵浦激光器的制造和运转成本相对来说就比较经济了，开创新的光化学应用领域。1.2 太阳能直接泵浦 Nd:YAG 激光器发展的状况1965 年，C. G. Young在Simpson的工作基础上，着重对阳光会聚问题进行了较深入的探讨，将光学领域中的最新成果用于双级式阳光会聚系统的设计，将双曲线圆柱反射器作为阳光会聚系统，对长 30mm，直径 3mm的Nd:YAG晶体进行侧面泵浦，获得了功率为 1W的激光。继Young之后，曾经有许多人开展过阳光泵浦激光器的研究工作，但激光材料基本上都是Nd:YAG。例如，1976 年J. Walk等人用类似于Young的仪器设备，获得了输出功率为 5.6W的阳光泵浦激光，但最成功的还是H.Arashi等人的工作。1995 年，Krupkin, V建造了单纵模模拟太阳能泵浦Nd:YAG环形和Q开关激光器的模型，并进行了测试。1997 年，美国能源部和芝加哥大学也用高能量日光炉提供阳光泵浦源，对Nd:YAG 晶体进行泵浦，但激光输出功率峰值仅为 57 w，效率为 1%。1999 年，Lando, Mordechai得到两种太阳光泵浦激光器，一个潜在可调范围在 700818nm的红紫翠玉激光器和 532nm的倍频Nd:YAG激光器。2003 年，Lando, Mordechai进行了太阳光侧泵Nd:YAG激光器实验。与国外相比，国内的研究就要滞后很多。国内对于太阳泵浦固体激光器的研究还基本上处于对国外研究的综述阶段，只是有少部分激光领域的研究人员对太阳泵浦固体激光器的发展进行了关注。1.3 本文主要研究内容及意义对太阳能直接泵浦 Nd:YAG 激光器，本论文主要分以下几点进行研究首先，介绍太阳光直接泵浦 Nd:YAG 激光器的发展状况，分析了太阳能激光器的主要特点、应用前景。其次，建立了太阳光直接泵浦 Nd:YAG 激光器的理论模型。对太阳能泵浦Nd:YAG 产生激光的阈值和斜率效率做了计算，得出了可输出的激光功率的大小。并对激光器工作时可能产生的热效应进行了分析，如何能减小补偿产生的热效应，从而对板条激光器可以有效的消除一阶热效应进行了理论分析。如果能够实现太阳光直接泵浦 Nd:YAG 激光器，那么对于激光的空间应用具有重大的意义。很早人们就提出了阳光泵浦激光器建立阳光动力卫星的设想，从重量和效率的角度看，采用阳光直接泵浦Nd:YAG激光器，无疑是此项工程的最佳选择，主要原因在于，它不像微波输能系统那样，需要在地面建立庞大的天线接收系统。阳光直接泵浦Nd:YAG激光器另一个重要应用领域是空间的阳光动力激光通信系统，星载的激光器对于体积和功耗上都有相当高的要求如果能够开发出直接利用太阳光的固体激光器，那么卫星光通信系统将获得一个几乎取之不尽的能源总之，随着激光技术的不断发展，其它能源价格的不断上涨，阳光直接泵浦 Nd:YAG 激光器必将受到广泛应用，尤其是空间应用意义重大。第2章 Nd:YAG 吸收谱与太阳光谱的匹配分析2.1 Nd:YAG 晶体的基本特性和主要用途（1）Nd:YAG晶体（激光晶体）产品名称：化学分子式：Y3-3XNd3xAl5O12 (x为Nd的掺杂浓度) 中文化学名：掺钕钇铝石榴石主要性能指标：晶向 5、5晶体结构 立方晶系激光发射波长 1064nmNd离子浓度 0.12.0at%折射率 1.8169（=1064 nm）熔点 1970密度 4.55 g/cm3热导率（20热膨胀系数： 8.2X10-6K-1 7.7X10-6 K-1主要用途：由于YAG晶体具有光学均匀性好、机械性能好、物化稳定性高、热导性好等优点，目前仍是固体激光器的首选材料，因此广泛用于工业、医疗、科研、通讯和军事等领域。如激光武器、激光测距、激光目标指示、激光探测、激光打标、激光加工（包括切割、打孔、焊接以及内雕等）、激光医疗、激光美容等等。2.2 Nd:YAG晶体作为阳光直接泵浦材料的必要性从以一台太阳能激光器开始，人们就一直在寻找适合于阳光泵浦的激光材料，曾经作为候选者的材料有红宝石，玻璃，碘，镓钙长石等等，但到目前为止，综合性最好的仍是Nd:YAG晶体，其原因如下：1，红宝石虽然是首种开发的激光晶体，但是它以三能及的方式运转，激光阀值极高，发射截面低，故难以有效提取能量。反之Nd:YAG晶体以四能级方式运转，激光阀值低，且有较大的发射截面，所以卡相当邮箱提取能量。2，由于太阳能辐射频带较宽，泵浦能量极高，有相当一部分不在吸收带附近，且能量即使在吸收带附近，现有的激光材料的吸收效率也均不高，相当一部分能量对泵浦无直接贡献，他们一热能形式沉积下来因此，除高能量效率外，太阳能激光材料还应具有足够好的抗热冲击能力和高平均功率的特点，Nd:YAG晶体正好具备这些条件，不过它比较脆。近几年虽然发现了其他提取效率，但抗热冲击性能均不及Nd:YAG晶体。3，Nd:YAG晶体对连续波操作具有较好的稳定性，且产生高质量的激光束。2.3 Nd:YAG 晶体吸收光谱与太阳光谱的匹配分析Nd:YAG 晶体吸收光谱与太阳光谱的匹配分析因为太阳辐射能随波长的具体分布无法用一个具体函数表示出来，经分析表明，太阳能的波长分布可以用一个黑体辐射来等效，黑体温度为 5800K。由普朗克黑体辐射定律可知：黑体的光谱辐出度和波长、温度有如下关系：其中， 为第一辐射常数，公式为为第二辐射常数，公式为当波长值以 m 作为单位时，可以写成:计算时，不界定激光介质的尺寸，假设处于介质吸收带内的入射太阳光全部被吸收Nd:YAG晶体中Nd3+原子百分比为 1%。Nd3+浓度为NNd:YAG 晶体主要的泵浦带，按照吸收从强到弱排列为：810nm ，750nm，580nm，530nm，870nm。每个泵浦带宽大约 2030nm。利用黑体（5800k）辐射公式计算 Nd:YAG 晶体各个吸收带吸收能量的百分比，通过上面的光谱匹配分析，黑体在 5800k 时，在 Nd:YAG 各吸收带的吸收能量的百分比已得出，因为太阳光辐射可以用 5800k 时的黑体等效，这样利用此百分比可以算出 Nd:YAG 在太阳辐射中吸收的能量。计算结果如下表所示：表 2-2 Nd:YAG 在强吸收波段的吸收能量激光介质吸收谱带（nm）吸收能量（w/m2)吸收总能量总能量占太阳常数的百分比 （%）Nd:YAG530 550570 600750 775800 820860 880从上表可以看出，Nd:YAG 晶体作为四能级泵浦系统，从太阳中吸收的能量同其它晶体相比，比较适合作太阳能泵浦的激光物质。2.4 本章小结本章首先介绍了 Nd:YAG 晶体的物理和光学性质，以及太阳辐射光谱的特点，在此基础上简要的说明了 Nd:YAG 晶体作为太阳能直接泵浦材料的必要性。从而对 Nd:YAG 晶体的吸收光谱与太阳辐射光谱进行了分析和计算，得出了在强吸收带所吸收的太阳辐射能的总量，和其所占太阳常数的百分比第3章 太阳能直接泵浦 Nd:YAG 基本理论本章主要是建立太阳能直接泵浦 Nd:YAG 激光器理论模型，得出阈值和斜率效率公式，计算出不同尺寸的 Nd:YAG 晶体输出功率的大小。3.1 Nd:YAG 激光振荡的阈值条件增益系数是描写激活介质对光的放大能力，它是衡量激光器能否振荡、振荡强弱以及设计激光器具体结构所依据的一个重要参数。增益系数 G 定义为光通过单位长度增益介质后增加的相对光强，其表达式为：而当激光器内光强达到一定值时，激光介质内的上、下能级间的反转粒子数密度 n 将随光强之增大而减小，这种现象叫增益饱和。激光振荡一经形成之后，增益现象一定要出现，其物理原因是，在 n 大于零情况下，光的放大是以消耗上能级粒子数为代价的。激光介质的饱和光强公式：其中32A 为自发发射系数 ，表达式， 为受激发射截面当I与sI 可以比拟或者大于sI 时，增益系数将随 I的增大而减小，从而出现增益饱和，这时激光介质不再有放大作用。其中对于Nd:YAG激光上能级寿命 为 230s，受激发射截面3210-19cm2。将各个参数代入，可计算出Nd:YAG的饱和光强sI 大小为 2320w/cm23.2 聚光比阈值和斜率效率的计算对于棒状 Nd:YAG，根据四能级聚光比阈值公式: ，式中的参数在前面已经给出，在计算中，我们取长度为 75mm，直径分别为4mm，5mm，10mm 激光棒。经计算得，对于直径为 4mm，5mm，10mm 的棒聚光比阈值分别为 277.7AMO.S.C.，308.6AMO.S.C.，427.2AMO.S.C.。 同理，板条状 Nd:YAG 与棒状相似，在计算中，我们取长度为 75mm，宽度为 10mm，厚度为 3mm，4mm，6mm 的板条。经计算得，对于厚度为3mm ， 4mm ， 6mm 的 板 条 聚 光 比 阈 值 分 别 为 617.1AMO.S.C. ，3.3 斜率效率的计算首先计算棒状，根据斜率效率公式：输出镜反射率取为 94%，其它参数前面已给出。经计算得，对于直径为4mm，5mm，10mm 的棒斜率效率分别为 2.5%，3.5%，3.9% 。板条状同理，斜率效率公式经计算得，对于厚度为 3mm，4mm，6mm 的板条斜率效率分别为 3.4%，3.0%，2.3%。从上面的计算结果可以看出，Nd:YAG作为四能级系统，阈值很低，斜率效率高，吸收太阳能同其它晶体比较大。本章首先对 Nd:YAG 激光振荡的阈值条件进行了分析，得出它的阈值泵浦能量密度，阈值泵浦功率密度的数值，适合与太阳能直接泵浦激光材料的要求。然后针对对给定形状棒状的 Nd:YAG 晶体做了聚光比阈值和斜率效率的计算。第 4 章 太阳能直泵浦Nd:YAG散热理论研究4.1 工作物质产生热的原因在激光器的工作过程中，输入的能量只有部分转变为光能输出，其余能量中有相当多的都转变为了热能。固体激光器工作物质产生热的原因主要有：1、泵浦带和激光上能级并不完全匹配，它们之间的光子能差会造成所谓的量子亏损发热;同理，下激光能级与基能态之间的能差也会转化成热能;2、激光跃迁内的荧光过程量子效率小于 1，会由于猝灭机制而产生热能;3、作为泵浦源的弧光灯或者闪光灯光谱很宽，紫外和红外谱带的成分被基质材料吸收转变成热。根据电泵浦 Nd:YAG 激光器的能量转化效率，比较得出太阳能激光器的基本能量转换过程如下：图 4-1 太阳光泵浦激光器的能量分配4.2 热效应的影响因素影响激光热效应的因素有很多，主要因素有三个:泵浦光源、工作物质几何形状、泵浦(工作)方式以及冷却方式。首先，对于泵浦光源，因为空间只能利用太阳能直接或间接泵浦 Nd:YAG激光器，所以在泵浦源方面只能选太阳光。只是在阳光泵浦方式上作一下选择，这是由于在直接泵浦时，太阳能直接转换成激光，无须中间的复杂转换过程。而在间接泵浦时，太阳光能够照亮太阳能电池产生电流，激励二极管激光器。发射的二极管激光能够泵浦固态激光器。这样太阳光到激光能量转换过程比较多，效率就较低。通过计算总效率不超过 5%，而直接转换可达到 20%。这样就可以得出直接泵浦时可得到更高的转换效率。其次，泵浦过程中产生的热被激光介质吸收，造成了激光材料温度的上升，但是激光材料中的温度分布，与工作物质本身的几何形状也有关系，经分析板条状晶体要明显好于棒状，具体分析见 4.6 节。第三，激光材料中特定的温度分布，很大程度上取决于泵浦方式，由于激光脉冲在每个泵浦脉冲结束时发射;对于连续泵浦激光器，激光束为连续输出。因此不同的泵浦方式对应不同的工作方式。连续工作或高重复频率脉冲泵浦下，工作物质不断发热和不断冷却，形成稳定的温度场分布:而脉冲泵浦系统中，热效应只出现在泵浦脉冲期间或其后一瞬间。4.3 Nd:YAG 激光介质的热效应Nd:YAG吸收的阳光一部分产生激光输出，另一部分将引起Nd:YAG温度升高，由于泵浦和吸收的不均匀以及冷却的不均匀使Nd:YAG内温度分布不均匀，形成热流，进而形成热效应。温度升高后将严重导致激活离子的荧光谱加宽和量子效率降低，从而使激光器的阈值升高、效率降低。而温度分布不均匀，会导致折射率分布不均匀，产生光学畸变，严重裂化光束质量。由于温度分布不均匀在激光棒中出现的光学畸变有:热应力、热透镜和应力双折射等。4.4 太阳能激光器的散热总结了固体激光介质中的热效应以及热管理技术。分析了影响激光介质中温度分布的几个因素，以及介质中的热应力、热致双折射、热透镜效应以及对热效应的相应补偿措施。由以上分析可以看出，激光介质中的温度梯度是产生热效应的一个主要直接原因，如果减小温度梯度，激光介质中的热效应必然会相应的减小，光束质量也会相应改善。从而可以增大泵浦功率，从而得到高功率、高光束质量的光束。对于激光器常见的冷却方式有气体、液体、混和液、高速湍流、热管、传导冷却、微通道冷却结构等。但由于太阳能激光器在空间运行，如果用气体、液体、混和液、高速湍流、热管来冷却，会很不方便，相对比较热辐射冷却却是一种非常适用的技术。而且在很多民用或军用系统中，激光晶体直接安装在散热器上。激光元件良好的热辐射冷却要求在激光晶体和散热器之间有良好的热接触，激光晶体固定在散热器上的方式有机械夹固、焊接或粘接。而以机械方式固定在散热器上，在晶体与夹具的接合面将出现温度梯度，不宜考虑。其它两种可以考虑。因此，在空间运用太阳能直接泵浦Nd:YAG激光系统中，可以将其直接焊到热膨胀系数与Nd:YAG的非常匹配纯铌的支架结构上，在接触表面镀金后，把晶体用铟焊在散热器上。用热管散掉底座结构中的热，热管冷凝端的叶片型辐射制冷器把热量辐射到空间.4.5 阳光泵浦板条 Nd:YAG 激光器的理论分析太阳光直接泵浦 Nd:YAG 激光器的一个主要的问题是 Nd:YAG 的光泵浦热效应。Nd:YAG 吸收泵浦源辐射而产生的热，和由冷却过程造成的热流结合起来构成了 Nd:YAG 的各种热效应。随着泵浦功率增加，热效应随之加剧，使激光器阈值升高、效率降低、并导致折射率分布不均，产生光学畸变，严重劣化光学质量。因此 Nd:YAG 激光器热效应问题的研究，是一个十分重要而有意义的问题。传统的Nd:YAG激光器采用圆棒状增益介质，这种式样的介质在运转期间，由于圆棒状激光介质表面冷却，在泵浦状态下，径向温度梯度使棒状呈现出热透镜效应、应力感生双轴聚焦效应和应力感生双折射效应。这些效应严重地影响激光器的输出功率和光束质量。1969 年美国通用电器公司提出板条激光器的概念，他们使用面抽运的板条状几何结构，通过合理设计的之字形光路，消除一阶热聚焦、应力双折射和热退偏效应，从而得到比棒状工作物质作为固体激光器更好的光束质量和更高的平均输出功率。另外，板条Nd:YAG激光器理论上限仅受限于激光介质的应力断裂极限，从而可以开发出一些因有很大的热透镜效应而不宜做棒状的激光晶体介质. 影响 Nd:YAG 激光热效应的因素如上面介绍，主要因素有三个:泵浦光源、工作物质几何形状、泵浦(工作)方式以及冷却方式。而工作物质几何形状又可分为棒状、板条状、管状等。下面针对板条状 Nd:YAG 激光器做一下介绍。板条状Nd:YAG的设计，一般应使平行于泵浦面的入射光线在端面的入射角为布儒斯特角，这样起振的偏振光在端面处就没有反射损耗，也可以保证光线在板条内的全内反射条件。光线在板条内全内反射次数应为偶数，这样可以保证在另一端的出射光束为平行于入射光束。泵浦面及两端面成一斜角，在晶体中的光路为锯齿形，并要保证光线在晶体泵浦面上全内反射。晶体截面是一矩形，晶体两侧面是绝热面，使板条中形成一维对称的热分布。由此当光束在板条的两个全反射面之间作锯齿形传输时，热畸变可以得到充分补偿。通过对板条内温度分布和应力分布作了研究，特别对晶体端头温度分布做了分析研究。假设板条状介质受到均匀泵浦，板条的两个全反射面的冷却是均匀的，侧面的绝热是良好的，并假设板条长是无限长。对于理想的假设边界条件，温度梯度是一维的，并且关于板条中心平面对称。光线从一个泵浦面到另一个泵浦面，就经过一个温度梯度大小相等、方向相反的过程。这样就补偿板条的热效应，而且光线呈锯齿形，每一光线都经过相同的位相延迟，从而可以减少和补偿热畸变，改善光束质量。由于激活介质内光路为锯齿形也增加了光束的增益长度，提高激活介质的利用率。使板条的提取效率提高。对于 Nd:YAG 激光器，如果要散去激光棒中热量，就会产生温度梯度，因此在实际当中会受到一些限制。热负载的圆柱激光介质会表现出光学畸变，如热聚焦、应力诱发的双轴聚焦和双折射等，这些热致效应对激光束的光束质量有严重的影响，使光束不符合要求或者棒在热应力作用下破裂，总之这些缺陷都会限制输出的激光功率。而对于板条 Nd:YAG 激光器会有效的减少这些问题的产生。板条 Nd:YAG 激光器的冷却表面大，在板条厚度内基本是一维温度梯度，下图为板条激光器的几何结构，其 z 轴与板条的光轴重合。图 4-2 矩形激光板条的几何结构板的厚度为 t，宽度为 w，长度为 L，由于表面冷却，所以上、下表面维持在恒温，但其侧面没有被冷却。如果板上、下表面之间的泵浦是均匀的，就可以忽略 x 与 z 方向上的热梯度，只需进行一维热分布，即应力和温度值随 y变化。当然这对 x、y 值无限大、泵浦和冷却都很均匀的板条才有效。在这些条件下的温度分布呈抛物线。板条（y=t/z）表面与中心之间的最高温差为:式中Q为板条吸收的热，t为板条的厚度，K为板条的热导率，如果吸收的热为 2w/cm3，则在 1cm厚的板条（K=0.01 w/cm3）中，冷却表面与中心之间的温差将达到 250C。在;板条中，温升产生的应力为:式中， 为板条的表面应力。说明板条的表面受到张力作用，而同时中心又处于压缩之中。利用热冲击波参量，就能计算在出现热裂纹之前，表面与中心之间所能允许的最大温差，,限制了板条的单位表面积所吸收的总热量。如果板条的宽度 w 为有限值，则在应力裂纹极限值时，单位长度吸收的功率为: 为有限板的纵横比，如果单位长度的棒与板条吸收的热功率相同，比较它们的表面应力就会得到感兴趣的结果因此，如果要使板条吸收热量的能力优于棒，其纵横比就一定大于 2。温度和应力分布导致双折射的热透镜效应，对于小 x,y 轴的偏振光，双折射透镜的焦距为:参量 N 表示热聚焦的影响，为,参量 与热聚焦感生的应力有关， ,通过比较 Q 值相同的棒与板条的焦距，发现板条的光学功率是棒的两倍。在板条中，如果在 x，y 方向上有偏振的入射辐射，应力感生的退偏振就为 0。 考虑到板条可承受的机械强度，光学加工的困难以及泵浦效率等，Nd:YAG厚度不应太小，一般选 6mm到 7mm。使光线沿着 Z 形光路传播，就可以消除板条中的圆柱聚焦。在 Z 形结构中，光束的传播方向并不是像直线传播的一样与 z 轴平行。如图 4-3 示出了 Z形光路板条激光器的结构。激光束借助恰当的进、出光学器件通过板，通常与表面成布儒斯特，见图4-4，为了维持所需光路长度的内部总反射，两相对表面必须要有好的抛光度和平行度。图 4-3 布儒斯特角入口的示意图图 4-4 布儒斯特角入口的详图在理想的状态中，该结构产生垂直于光学面的一维温度梯度和平行于光学面的热应力。由于在板的中心面上，热分布是对称的，所以板条光学表面之间的热应力达到平衡值 0。因此，当光束从一个表面射到另一表面时，在很大程度上补偿了应力光学畸变。又由于光束波前的所有部分都通过渡越表面之间的相同温度梯度，所以与温度有关的折射率变化不会引起光学畸变，因此在理想的条件下，热畸变效应将在基质材料内得到充分补偿。该结构的优点有二：矩形结构消除了应力感生双折射；光沿着 z 形路径传播，消除了热感生的聚焦和应力感生的聚焦。虽然 Z 形板设计解决了所有固体激光器自身的热畸变问题，但它们的性能却比预期的差的多。实践中的板条激光器还只是理想的无限板。端面效应与在板的宽度内泵浦或冷却感生的温度梯度，通常使得板结构的光学性能令人失望。畸变只可能在均匀和冷却的无限板中消失。对于有限宽度和长度的板条，边缘效应和端面效应都会产生畸变。Z 形板在克服棒激光器的热极限方面至少有其理论上的优势，但是，对这种系统得认可程度仍很低。这既有成本因素的问题，又有很多工程上的问题，只有首先解决了这些工程上的问题，才能使 Z 形板条相对于棒结构激光器的优势成为现实。这些问题包括：首先，低效率，在大多数应用中，都要求将比较难处理的矩形光束变换成圆形光束；而板的边缘有畸变，不能充分利用其宽度，所以已泵浦部分的利用率差。因此，时至今日板条激光器的效率仍很低;其次，残余畸变，热应变使板的端面和泵浦面发生形变，使光束质量明显低于预期的。最后，生产成本高，板的光学生产成本高，对于激光头的要求很严格，机械组装和焊封很复杂，增大了激光头的设计难度；泵浦和冷却条件也很苛刻，这些妨碍了该技术的推广应用。图 4-5 在激光板条的内部光路如图 4-5 所示，为光路在板条内的立体图，光线在板条内是锯齿形，对于无限宽理想板条，温度梯度是一维的，且关于板条中心平面对称，（沿 y 方向，而沿 x，z 方向温度是均匀的）光线从一个泵浦面到另一个泵浦面就经过一个温度梯度大小相等、方向相反的过程，这样就可以补偿板条的热效应，而且光线呈锯齿形，每一光线都经过相同的位相延迟，所以就不会产生热透镜效应。激光介质内光路为锯齿形也增加了光束的增益长度，提高了增益介质的利用率，使板条的提取率增高，光线在泵浦面的全反射也存在位相共轭的特性，可以减少由于介质的热和应力引起的光束畸变。综上所述，对于阳光泵浦板条 Nd:YAG 激光器散热问题，一方面通过合理的设计尺寸结构（如前所述），另一方面可根据空间的情况，以热辐射的方式进行散热。4.6 板条状和棒状激光器的比较分析从以上分析可以看出，圆棒状激光介质表面冷却，在泵浦状态下，径向温度梯度使棒状呈现出热透镜效应、应力感生双轴聚焦效应和应力感生双折射效应。这些效应严重地影响激光器的输出功率和光束质量。而对于板条状激光器通过合理设计的之字形光路，可以有效的消除一阶热聚焦、应力双折射和热退偏效应，从而得到比棒状工作物质作为固体激光器更好的光束质量和更高的平均输出功率。4.7 本章小结本章通过分析激光工作物质产生热效应的原因，具体说明了如何减少和消除工作期间所产生的热效应方法。且具体分析了通过改变晶体的几何形状可以有效补偿热效应。其中，对板条状激光器做了详细的分析，说明了通过合理的设计，可以有效的消除一阶热聚焦、应力双折射和热退偏效应，从而得到比棒状工作物质作为固体激光器更好的光束质量和更高的平均输出功率。第 5 章 太阳能聚光器的设计太阳能资源非常广泛，但在地球表而和地球附近的空间中，太阳能是一种低密度性能源，要实现太阳能的有效利用，特别是为获得有实用价值的太阳能激光输出功率，首先所面临的问题就是太阳能的集聚问题。从早期的太阳能激光器开始，人们就一直在探索太阳能的集聚向题。在本章我们将讨论用于太阳光直接泵浦激光器的太阳光聚光器。5.1 太阳能聚光器的基本概念及类型108km)，所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓 “太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为 1353w/m2。2、太阳张角，太阳是直径为 139 万公里的炽热气体球，太阳表面的有效温度为 5762K，它的热量主要来源于氢聚变成氦的聚合反应。从传热学角度来看，可以把太阳作为 5800K，波长在 0.33m的黑体辐射。太阳张角决定了聚光器的最大理想聚光比，飞行器空间飞行时，根据飞行器与太阳的距离可以计算出当地的太阳张角。在地球上或空间地球范围附近，尽管日地距离很远，但对地球来说，太阳并非点光源，而是日轮。入射的太阳光之间具有一个很小的夹角 ，利用式sin =R/S计算得 值约为 32。3、聚光比，它是衡量聚光器性能的重要参数，分为几何聚光比和能量聚光比两种。几何聚光比定义为接受自然光的开口面积和吸收体面积之比值。它可以粗略估计聚焦可能达到的最大温度。能量聚光比定义为吸收体上的平均能流密度与入射的太阳辐射强度之比。以后的聚光比(C)均是指几何聚光比。工程上常用的太阳能聚光器类型包括：旋转抛物面型、球面型、复合抛物面型、塔式聚光型、菲涅耳透镜型等多种。其聚光性能见表 5-1。表51聚光器性能比较聚光器类型聚光比范围最高运行温度/球面50150300500菲尼尔透镜10010003001000塔式100030005002000复合抛物面310100150抛物面1550200300旋转抛物面50030005002000复合抛物面聚光器(CPC)是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器,入射阳光在CPC中通过几次反射到达接收表面,流失较少,还可对斜入射的太阳光进行有效收集,达到最大理论聚光比,性能非常接近于理想聚光器。CPC的运行不需要随时跟踪太阳位置,只需根据季节调节方位,结构简单,操作控制方便。非成像的CPC聚光比一般不超过15 ,工作温度范围为80250,是具有一定特色的中温聚光集热器。对CPC的研究是在20世纪60年代开始的,最初的研究重点是对二维和三维复合抛物面聚光器的几何结构和原理进行探讨,在应用上除了收集太阳能外还涉及到其他领域,例如用三维复合抛物面聚光器对红外线进行收集等。70年代末期,研究工作有很大进展,内容包括CPC与不同形式的接收的结合和CPC的设计研究,对CPC的光学性能和热性能进行系统的分析研究等。但是在这些研究中, CPC的接收器大部分为平板接收器,只有少量非真空圆管接收器和极少的真空圆管接收器,而且以小聚光型为主,主要用于太阳能热水器或热水系统,经济性和实用性都不强。近10年来CPC的研究重点为圆管型(包括非真空圆管和真空管),目的是为了得到较高温度的热载体,甚至是得到蒸汽。例如文献用圆管型CPC系统产生蒸汽,可供烹饪;湘潭大学袁胜利等提到用太阳能热与管集热器与CPC系统结合,生产采用几何聚光比为5的CPC系统,最终得到的160饱和水蒸气,流量为2. 85 kg/ h。随着人们对应用中经济性的考虑,最近的研究中关于截取比也是一个热点,部分学者还对非对称型CPC系统进行了研究。本文准备简单介绍复合抛物面聚光器(CPC)与不同接收器的结合形式。主要介绍平板型CPC和圆管型CPC的设计方法和对相关量的计算公式进行推导。最后重点分析研究截取比在CPC系统中对系统效率和系统的经济性的影响。1. 1聚光原理CPC的主体部分为两片抛物面反射板,纵切面如图1。图中AC和BD为抛物线,关于中心轴对称;AD和BC为CPC的入射限制线,分别与抛物线图1CPC剖面图的主轴平行 (或为CPC的主轴);入射限制线与对称轴夹角称为接收半角。当从CPC上端开口入射的光线入射角小于或等于时,可直接或者经过反射最终从CPC的下端开口射出被利用,而当入射角大于时,光线经过多次反射从的上端口射出不能被利用。所以在CPC中是一个关键的参数,它的大小直接决定了CPC的几何聚光比:C = 1/ sin图1CPC刨面图1. 2CPC与接收器的结合CPC可以和不同的接收器相结合,比较常见的有4种 16217 ,这些接收器在CPC中的位置不同,要求CPC的焦点位置也不同,如图2。(1)平板型接收器 接收器为CPC下端长度为d2的平板; CPC的焦点在抛物线的下端;右抛物线的主轴过左抛物线下端点并平行于左抛物线的上端点与右抛物线的下端点的连线。(2)竖板型接收器 接收器为长度为d2的双面接收的竖直板;两条抛物线的焦点重合在竖直板的上端点;抛物线的主为图上的虚线; CPC两侧为两条抛物线,下端是一条以抛物线焦点为圆心以接收器高度d2为半径的圆弧。(3)三角型接收器 接收器为由长度分别为d2,夹角为2的两条半抛物线组成;两条抛物线的焦点重合在两板的交点上。(4)圆管型接收器 接收器为圆管;CPC反光板由圆(半径为r)的渐开线和焦点为圆的上顶点的两段抛物线组成,AC和BD为抛物线,CE和D E为圆的渐开线,点F (圆的上顶点) 为两抛物线共同的焦点。h为从圆心算起的CPC的高度。图2CPC与不同形状的接收器相结合2典型的CPC系统CPC可以有不同形式,其中对称的平板型和圆管型CPC系统研究得比较多。2. 1平板型CPC系统平板型CPC系统主要由两个部分组成:抛物形反光板和平板接收器。文献给出一些关于平板型CPC的相关量的计算公式。聚光器的焦距:聚光器的高度:根据这些公式,进一步计算可以推导得出抛物线的弧长(抛物线先转换成标准形式) 接收器的长度为L ,则整个反光板的面积为：2. 2圆管型CPC系统圆管型CPC系统的底部具有渐开线形状,进入CPC下端,落在渐开线上的光线最终都能反射到圆管接收器上。2. 2. 1系统方程左渐开线： 右渐开线： 式中： 左抛物线：右抛物线：2. 2. 2相关量的计算公式通过计算推导,得出以下相关量的计算公式：根据以上介绍的CPC的特征画出的CPC反光板的实际几何聚光比比理论几何聚光比小,即C实际小于1/ sin,而且随着的减小,偏离越大。表1列出了理论几何聚光比为25时画图出来的实际情况:包括开口宽度、CPC从圆的圆心到开口的高度、实际几何聚光比和理论与实际的几何聚光比之差。从表上可以看出画图出来的实际几何聚光比偏离理论聚光比比较大,从为30时偏离5. 25 %到11. 5时9. 506 %。造成较大偏差的原因主要是计算时四舍五入以及画图的程序采用由小段线连接成整个抛物线,而且这个描叙本身与理想情况存在一定偏差。不过由于抛物线的定义很明确,抛物线部分容易转换成标准的抛物线方程形式,便于计算抛物线部分的弧长和整个反光板的面积,这对于了解用材量和系统的经济性分析还是很有帮助的。表1根据C理论绘图的圆管型CPC的参数C理论宽/ mm高/ mmC实际2305.250%36.997%49.775%54,52749.506%3截取比与其他的聚光器相比, CPC的反光板面积较大,但是反光板的上部聚光效果较差,因此随着反光板高度的增加聚光比增加很小,特别在聚光比较高的CPC中表现得更加明显。实际应用时适当截去上面低效部分,可以减少用材降低成本,使性价比提高。平板型CPC经过截取后的高度与原高度的比值,圆管型CPC经过截取后开口到圆管接收器圆心间的距离与原来的距离之比,称之为截取比。截取比减小会造成聚光比减小,因开口和半角增大所增加的光线虽然部分会从上下端口射出,但还可以起到一定的补偿效果,还可延长运行时间。图3表示了3种平板型CPC的截取比和聚光比之间的关系。可以看到当截取比较大(即截去的部分较少)时,聚光比的减小很少,一般截取比大于1/ 2时聚光比减小的很缓慢;只有当截取比小于1/ 2时聚光比才迅速减小。合考虑系统效率和它的经济性,选择截取比为2/ 31/ 2时是比较理想的。图4显示了平板型CPC的实际聚光比与开口角度之间的关系。可以看出:经过截取后的CPC开口半角增大。为了获得同样的聚光比,经过截取后的CPC开口半角也要大些。例如C理论为3的CPC的开口半角为19. 5, C理论为4的CPC经截取的开口半角为36. 74； C理论为5的CPC经过截取开口半角为41. 36,三者得到的实际聚光比相同。令光线入射角为t ,截取后CPC开口半角增大。为了获得同样的聚光比,经过截取后的CPC开口半角也要大些。例如C理论为3的CPC的开口半角为19. 5, C理论为4的CPC经截取的开口半角为36. 74; C理论为5的CPC经过截取开口半角为41. 36,三者得到的实际聚光比相同。令光线入射角为t ,截取后CPC开口半角为d,CPC接收器上接收到的光线数量与从上端开口射入的光线数量之比为F( t) ,那么对于未截取的CPC的F( t)可表示为:图3截取比和C实际的关系图 图4C实际与开口半角关系图从公式可以看出:截取后的CPC在t时,入射光线仍旧被反射到接收器上;而当 t