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1、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 名专 业 电子科学与技术学 号指 导 教 师分 院 光电科学分院2011 年 6 月1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
2、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2ABSTRA
3、CTThe 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 las
4、er 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-s
5、tate 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 conv
6、ersion 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 simu
7、lation 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 ratio3目 录第 1 章
8、绪论.41.1 太阳能直接泵浦固体激光器简介.41.1.1 太阳能激光器的背景.41.1.2 太阳能直接泵浦固体激光器的特点.41.1.3 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.51.3 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2.1 Nd:YAG 晶体的基本特性和主要用途.62.2Nd: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3.1 Nd:YAG 激光振荡的阈值条件. 83.2 聚光比阈值和斜率效率的计算.9
9、3.3.1 聚光比阈值的计算.93.3.2 斜率效率的计算.93.4 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5.1 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. 175.3 旋转抛物面聚光器的分析. 235.4 高聚光比太阳能聚光器的设计. 245
10、.5 本章小结. 24结论. 25参考文献.26致谢.274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
11、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
12、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。51.1.3 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
