Упрощенная схема солнечной лазерной системы с боковой накачкой и четырьмя внеосевыми параболическими зеркалами: (слева) вид спереди и (справа) вид сбоку; (вставка) лазерная головка установлена ​​в общей центральной точке четырех внеосевых параболических зеркал. Авторы и права: Рабех Бутака и др., Journal of Photonics for Energy (2022). DOI: 10.1117/1.JPE.12.038002

Разработка эффективных солнечных элементов, которые используют энергию для производства электроэнергии или водорода путем расщепления воды, привлекла большое внимание во всем мире. Еще один способ использовать обильную бесплатную солнечную энергию: использовать ее в качестве источника накачки для лазеров. Мощные лазеры предназначены для нескольких приложений, включая связь в дальнем космосе, зондирование атмосферы, высокотемпературную обработку материалов и производство водорода. Но они часто дороги и страдают от снижения производительности из-за эффектов теплового стресса.

В недавнем исследовании, опубликованном в Journal of Photonics for Energy, исследователи из Алжира и Португалии сообщают о новой конструкции лазера на солнечной энергии, которая успешно решает эти проблемы. Этот лазер имеет повышенную эффективность преобразования лазера по сравнению с лазерами с накачкой из обычных источников (лампы-вспышки и светодиоды).

«Подход, который мы приняли в этом исследовании, позволил нам разработать мощный лазер на солнечной энергии, работающий в режиме TEM ₀₀ , фундаментальном режиме или режиме низшего порядка», — объясняет доцент Давэй Лян из Universidade Nova de Lisboa в Португалии, автор исследования. «Каждый из этих режимов (наш лазер поддерживает несколько основных режимов) можно точно контролировать с минимальным подводом тепла к полости накачки. Это позволяет нам адаптировать подаваемую энергию к конкретным потребностям применения», — добавляет он.

Исследователи выполнили численное моделирование для оптимизации параметров конструкции солнечного лазерного луча Nd:YAG с модой ТЕМ ₀₀ . Кроме того, они использовали четыре лазерных стержня внутри четырех 2V-образных резонаторов накачки и накачивали их солнечным светом, используя четыре больших внеосевых параболических зеркала с общей площадью сбора 10 м ² .

«Лазерная головка в нашей конструкции также включает в себя четыре вторичных асферических концентратора из плавленого кварца и четыре прямоугольных световода из плавленого кварца. Это обеспечивает равномерное распределение поглощаемой мощности накачки внутри каждого стержня и помогает избежать теплового повреждения в результате теплового линзирования и теплового излучения. напряжения, возникающие в обычных одностержневых солнечных лазерах», — уточняет Лян.

Это привело к улучшению характеристик солнечного лазера. Численные расчеты оценили общую мощность лазера в 155,29 Вт в режиме ТЕМ ₀₀ . Это привело к двукратному повышению эффективности сбора и улучшению эффективности преобразования в 1,24 раза по сравнению с показателями, зарегистрированными для более ранних конструкций с аналогичной конфигурацией.

Одно из основных потенциальных применений этой конструкции касается производства солнечной энергии в космосе. Это включает в себя сбор солнечной энергии в космосе, преобразование ее в лазерный луч и отправку на Землю, где ее можно использовать для выработки электроэнергии с помощью солнечных элементов. Поскольку на этот процесс не влияет атмосфера Земли, он более стабилен и требует меньшего передающего и приемного оборудования, чем те, которые необходимы для передачи микроволновой энергии.

Лян отмечает, что хотя фотоэлектрический лазер с диодной накачкой по-прежнему имеет большую эффективность преобразования солнечной энергии в лазерную, чем у солнечного лазера, он гораздо менее подходит для долгосрочных космических приложений. Это связано с тем, что лазер с диодной накачкой имеет ограниченный срок службы источника диодной накачки и более сложную лазерную систему. Лазер на солнечной энергии отличается гораздо большей простотой системы и преимуществом почти вечного и бесплатного источника накачки.

В целом, это исследование проливает свет на то, как вывести лазеры на солнечной энергии на новую высоту, с четким планом создания высокоэффективных солнечных лазеров, готовых к использованию в космосе.