Планарный лазер с солнечной накачкой

Планарный лазер с солнечной накачкой

Лазер с солнечной накачкой, действие которого заключается в преобразовании солнечного света в когерентный и интенсивный лазерный пучок, обычно содержит в своей схеме большую концентрирующую линзу. Помимо этого, в лазере содержится большое количество оптики, рассеяние на которой снижает полезный сигнал. В статье демонстрируется работа планарного лазера с солнечной накачкой без объектива с использованием люминесцентного солнечного коллектора (LSC) в сочетании с волоконным лазером с поперечной геометрией возбуждения при естественном солнечном свете.

Кремниевое волокно, легированное ионами неодима, сворачивается в цилиндрическую камеру, заполненную раствором сенсибилизатора, действующего как люминесцентный солнечный коллектор. Корпус камеры обладает высокой отражающей способностью, верхнее окно представляет собой дихроичное зеркало, которое пропускает поступающий солнечный свет и улавливает флуоресценцию, излучаемую сенсибилизатором. Расчеты показали, что эффективность преобразования солнечной энергии в лазерную в конечном итоге может достигать 8%. Такой лазер может найти применение в долгосрочном хранении возобновляемых источников энергии или децентрализованной энергетике для электромобилей, интернета вещей.

Результаты апробации

Измерения коэффициента усиления малого сигнала

Принципиальная схема волоконного лазера показана на рис. 1-а, фотография лазера показана на рис. 1-б. Краситель (родамин 6G: R6G), растворенный в растворе метанола, сильно поглощает солнечный свет в диапазоне от 450 до 550 нм, и его люминесценция с центром в спектре ~590 нм хорошо соответствует полосе поглощения 4G5/2-4G7/2 ионов Nd3+ сердцевины волокна. Фотолюминесценция от родамина ограничивается стенкой с высокой отражающей способностью и передним дихроичным окном, в результате чего захваченный свет со сдвигом Стокса отражается взад и вперед внутри камеры. В камере находится активное оптическое волокно. Планарный лазер охлаждается до температуры ниже -25 °C, чтобы избежать потерь, вызванных термически возбужденными состояниями в Nd3+.

Рисунок 1. Планарный лазер с солнечной накачкой без линзового/зеркального концентратора и системы отслеживания пучка.

Люминесцентный солнечный коллектор позволяет увеличить коэффициент усиления малого сигнала более чем в 30 раз по сравнению с системой без коллектора. Основываясь на предыдущих результатах, опубликованных в литературе, это усиление подходит для реализации генерации солнечной энергии без объектива или зеркального концентратора.

Измеренный коэффициент усиления малого сигнала за проход в зависимости от интенсивности солнечного излучения приведен на рис. 2-а. Интенсивность солнечного излучения изменялась путем затенения коллектора, освещенного естественным солнечным светом, радужной оболочкой, состоящей из черных пластин в форме круга. Видно, что наблюдаемое усиление малого сигнала пропорционально интенсивности солнечного излучения. На рисунке 2-б показан измеренный спектр усиления малого сигнала при естественном солнечном свете без радужной оболочки, демонстрирующий очень широкий диапазон полосы пропускания усиления от 1050 до 1130 нм. Измеренный пиковый коэффициент усиления малого сигнала составлял 44% за проход волокна длиной 190 м при 1064 нм.

Рисунок 2. а) Измеренный коэффициент усиления малого сигнала за проход в зависимости от интенсивности солнечного излучения при λ = 1064 нм. Б) Измеренный спектр усиления малого сигнала, показывающий пик при 1064 нм. Диапазон длин волн излучения суперлюминесцентного излучения составлял от 1045 до 1170 нм.

Измерения лазерных характеристик

На рисунке 3-б показан измеренный спектр выходного излучения лазера с коэффициентом отражения 90%. Несколько пиков появляются между 1085 и 1100 нм, которые не зависели от значений коэффициента отражения.

Рисунок 3. Результаты измерения производительности лазера при -45 °C. а) Измеренная выходная мощность в зависимости от интенсивности солнечного излучения. б) Измеренный выходной спектр волоконного лазера с солнечной накачкой.

Результаты впервые демонстрируют спектр излучения лазера, который работает без системы концентраторов на основе объектива или зеркал. Поскольку мощность излучения передней поверхности лазера составляла ~70 Вт, эффективность преобразования солнечного излучения в лазере составляла всего 1,8 × 10-5.

Дискуссия

Спектр лазерного излучения, показанный на рис. 3-б, колеблется в диапазоне от 1085 до 1100 нм. Коэффициент усиления малого сигнала, показанный на рис. 2-а,б, является дифференциальным коэффициентом усиления, определяемым как разница между коэффициентами усиления, измеренными при солнечном освещении и без него. Спектр усиления γ(λ) задается следующим уравнением:

где N₁ и N₂-населенность нижнего (4I_11/2) и верхнего (4F_3/2) лазерных уровней в системе Nd³⁺ соответственно; σ_e(λ) и σ_a(λ)-эффективные сечения излучения и поглощения Nd³⁺ соответственно; a_BG представляет фоновые потери. Сигнал, показанный на рис. 2-а, пропорционален σ_e(λ). Для спектра усиления γ(λ), рассчитанного с использованием измеренных спектров σ_e(λ) и σ_a(λ), пороговое усиление достигается при ~1090 нм, хотя σe максимален при 1064 нм, поскольку σa больше к концу спектра с более короткой длиной волны. Рассчитанные кривые усиления приведены на дополнительных рис. 3 и 4. Ожидается, что при охлаждении среды произойдет синее смещение; однако исследовательская группа определила, что спектр выходного излучения не зависит от температуры. Это можно объяснить тем фактом, что плотность населенности на верхнем лазерном уровне была недостаточно высокой, чтобы можно было наблюдать синее смещение.

При рассмотрении одномерного оптического резонатора вдоль оси z односторонняя оптическая интенсивность при любом z подчиняется следующему обыкновенному дифференциальному уравнению:

где β₊ = I₊(z)/I_s и β₋ = I₋(z)/I_s - нормализованная оптическая интенсивность в направлениях +z и −z соответственно по отношению к интенсивности насыщения I_s; и β₀ = β₊β₋ не зависит от z.

Хотя уравнение (2) может быть интегрировано аналитически, результат не позволяет получить выходную интенсивность лазера напрямую, поскольку он содержит β₀. Вместо этого использовали β₀ = β₁₂/r₁, где β₁-нормализованная прямая интенсивность при z = 0, а r₁-отражательная способность зеркала резонатора, расположенного при z = 0. Подставляя это в уравнение, выходная мощность удается выразить в следующем виде:

где β₂-нормализованная прямая интенсивность на правом конце среды; r₂-отражательная способность зеркала с правой стороны; а-потеря отражения в зеркале. Более подробная информация приведена в литературе.

Рисунок 4. Результаты измерения выходной мощности лазера в зависимости от коэффициента пропускания выходных ответвителей при плотности мощности 100 МВт/см2 (красный кружок).

Полноразмерное изображение

Были рассчитаны физические свойства разработанного планарного лазера, позволяющие оценить достижимую эффективность преобразования разработанной системы с помощью разработанного кода моделирования Монте-Карло. Код имитирует структуру, в которой волокно намотано вблизи окружности цилиндрического корпуса, верхняя поверхность представляет собой дихроичное зеркало (DM), а нижняя поверхность представляет собой стенку из высокоотражающего материала, как показано на рис. 5.

Рассчитанные коэффициенты усиления малого сигнала хорошо согласуются с экспериментальными результатами, когда значение отражения боковой стенки установлено равным 45%, как показано на рис. 7.

Рисунок 5. Принципиальная схема моделирования полностью планарного лазера с солнечной накачкой методом Монте-Карло.

В предлагаемом прототипе лазера только 0,04% падающих фотонов поглощаются ионами Nd³⁺ в пучке волокон с сердечником. Самым большим каналом потерь в текущей настройке является боковая стенка (55% на отражение). Выходная мощность лазера логарифмически увеличивается при увеличении отражательной способности боковой стенки.

Кроме того, перемещение длины волны пикового излучения сенсибилизатора из видимой области в ближнюю инфракрасную (вблизи полосы поглощения 4F_5/2 Nd³⁺) и увеличение его квантового выхода до 100% может привести к дополнительному семикратному увеличению эффективности преобразования солнечного излучения в лазер. Такой сенсибилизатор, а именно формамид-иодид свинца перовскитной квантовой точки (QD), недавно был успешно синтезирован в лаборатории.

Предлагаемая конструкция значительно проще, так как позволяет не использовать крупногабаритные фотогальванические панели или лазерные диоды. Простое увеличение отражательной способности боковой стенки и длины активного волокна с помощью квантовых точек имеет потенциал прорывной технологии.

Группе ученых удалось достичь генерации излучения в планарном лазере с солнечной накачкой, используя лазерный солнечный коллектор в сочетании с волоконным лазером с геометрией поперечного возбуждения. Интенсивность солнечного света накачки поддреживалась на уровне 0,06 Вт/см², освещение подается на переднее окно планарной системы, что составляет 60% от стандартной интенсивности солнечного света AM1.5 G. Максимальная выходная мощность составляла 1,3 МВт при выходном соединителе с 80% -ной отражательной способностью. Численные расчеты показывают, что эффективность преобразования солнечной энергии в лазере на основе предложенной геометрии может достигать 8% при простых модификациях и использовании перовскитного сенсибилизатора, который сопоставим с коммерчески доступным волоконным лазером, работающим на фотоэлектрических панелях. Кроме того, геометрия поперечной накачки обеспечивает непревзойденную масштабируемость потенциальной мощности. Как только значение коэффициента усиления на единицу длины превышает потери, выходная мощность линейно увеличивается с длиной волокна с увеличением предельных затрат.

Методы

Планарный лазер с солнечной накачкой

В прототипе планарной системы в качестве активной среды использовалось легированное Nd³⁺ кремнеземное волокно с сердечником диаметром 16 мкм и числовой апертурой 0,18. Концентрация легирующей примеси составляла 0,5% (самая высокая), что позволяет сохранить низкие внутренние потери в волокне; таким образом, это значение на порядок больше, чем у типичных волоконных лазеров. Спектр поглощения активного волокна показан на рис. 6. Измеренный пиковый коэффициент поглощения волокна при 582 нм составляет 1700 дБ/м. Волокно длиной 190 м, свернутое в дугу, было помещено в камеру цилиндрической формы, которая выполняла функцию люминесцентного солнечного коллектора (LSC). LSC (высота: 1,5 мм; диаметр: 300 мм) заполняли раствором, содержащим 0,3 ммоль/л R6G в метаноле. Связанное волокно было расположено у боковой стенки камеры. Боковая стенка имела радиус кривизны 2,9 мм. LSC охлаждался до температуры ниже -25 °C с помощью медной охлаждающей пластины с хладагентом из сухого льда и метанола, который был прикреплен к нижней поверхности камеры, чтобы уменьшить потери, возникающие из-за тепловозбуждения нижнего лазерного уровня.

Рисунок 6. Важные данные, относящиеся к коду моделирования люминесцентного солнечного коллектора. Спектр отражения дихроичного зеркала, спектры поглощения и излучения R6G (произвольная единица измерения) и коэффициент поглощения волокна.

Раствор «пираньи» (H2SO4 и H2O2) использовался для удаления полимерного покрытия активного волокна, чтобы обеспечить более эффективное поперечное оптическое возбуждение. На рисунке 6 показаны спектры излучения и поглощения красителя, используемого в люминесцентном солнечном коллекторе. Пик излучения красителя составляет ~590 нм, что соответствует полосе поглощения 4G5/2-2G7/2 иона Nd3+. На верхнем окне камеры, как показано на рис. 6, был нанесен высокочастотное дихроичное зеркало с длиной волны среза 570 нм, а боковые и нижние стенки были покрыты широкополосным диэлектрическим зеркалом. Поскольку диэлектрические слои, нанесенные на боковую стенку, имели толщину, отличную от толщины слоев на нижней грани из-за радиуса кривизны, отражение боковой стенки было меньше, чем отражение нижней грани. Свет, испускаемый красителем, направлялся к боковой стенке камеры, обычно подвергаясь в среднем взаимодействию с красителем, что приводило к небольшому красному смещению (~40 нм) пика излучения R6G. В целом, коэффициент усиления на единицу длины был увеличен в 30 раз по сравнению с коэффициентом усиления, полученным без сенсибилизатора.

Активное волокно было вытянуто за пределы плоской цилиндрической камеры на 2 м в двух направлениях. Два конца активного волокна были соединены с использованием комплекта для соединения и полировки концов волокон FiberLabs и связаны с объемным зеркалом с диэлектрическим покрытием. Со стороны выходного ответвителя (зеркало 1) для исследования характеристик лазера было использовано несколько зеркал со значениями коэффициента отражения, варьирующимися от 99% до 50%, предназначенных для лазеров Nd:YAG с диодной накачкой. Металлические зеркала Layertec применяют, когда необходимо высокое отражение в широком спектральном диапазоне. Коэффициент отражения металлических зеркал, в отличие от диэлектрических, мало меняется с изменением поляризации или угла падения света.

Измерение и анализ данных

Для измерения дифференциального усиления малого сигнала использовался суперлюминесцентный диод, излучающий широкополосный свет в диапазоне от 950 до 1170 нм с центром 1050 нм. Измерение пика выходного излучения проводилось спектрометром ближнего инфракрасного диапазона с волоконной связью с разрешением 0,65 нм Avantes, а выходная мощность лазера измерялась оптическим измерителем мощности (название). Для измерения солнечного излучения, освещенного на переднем окне планарной системы, использовался пиранометр. Измеренная солнечная освещенность естественным солнечным светом составляла ~100 МВт/см².

Коэффициент дифференциального усиления малого сигнала γ(λ) был рассчитан следующим образом:

где T₁(λ) и T₂(λ) - измеренные переданные спектры суперлюминесцентного диода с солнечным освещением и без него, соответственно; и L-длина волокна. Значительное количество люминесценции создавалось возбужденными ионами Nd³⁺, которые маскировали сигнал суперлюминесцентного диода T₁. Этот сигнал люминесценции был вычтен в расчетах после отдельного измерения при выключенном диоде.

© Communication physics 60, 2020

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs, FiberLabs, Avantes на территории РФ