Влияние особенностей структуры боковой поверхности активной среды на эффективность солнечного лазера

ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ АКТИВНОЙ СРЕДЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНОГО ЛАЗЕРА

Ф. М. Камолиддинов, А.А. Шерниёзов, А.Г. Каххоров, Ф. А. Шерматова, А.Г. Алибоев, Ш.А. Бегимкулов

Институт ионно-плазменных и лазерных технологий АН РУз, 100125, Дурмон йули -33, Ташкент, Узбекистан

[e-mail]

Аннотация: Численной симуляцией на основе методов трассировки фотонов и Монте-Карло исследованы влияние особенностей структуры боковой поверхности активной среды на основе кристалла Nd:YAG на эффективность солнечного лазера. Проведенные исследования показали, использование активных сред с гравированной боковой поверхностью увеличивает эффективность солнечных лазеров на 30%.
Ключевые слова: Nd:YAG, солнечный лазер, линза Френеля, гравированная боковая поверхность


Введение
Одной из областей использования солнечной энергии является преобразование солнечного излучения в лазерное излучение с помощью солнечных лазеров. В ряде исследований эффективности солнечных лазеров не превышала 5%, что, в свою очередь, препятствует их широкому практическому применению.
Общая эффективность зависит от ряда параметров и факторов, которые представляют практические и фундаментальные проблемы, связанные с оптическими свойствами, типом, формой и структурой поверхности активной среды лазера, системы охлаждения, первичного концентратора, вторичных концентраторов в солнечных лазерах.
В экспериментальной работе [1] утверждается, общая эффективность для трех кристаллов с различной структурой поверхности составила 3,96%, 6,13% и 8,34% соответственно. На основании своих результатов авторы заявляют, поверхность с рифленой формой работает лучше, чем полированная. Они объясняют, поверхность с рифленой формой может очень эффективно охлаждаться, следовательно, работает лучше. Однако мы полагаем, объяснение того, что только эффективное охлаждение и/или низкая тепловая нагрузка на лазерный стержень является причиной значительного улучшения характеристик, не является полной картиной.
В данной работе мы исследовали влияние структуры боковой поверхности лазерного стержня в солнечных лазерах на Nd: YAG с торцевой накачкой. Боковая поверхность первого кристалла отполирована, а второго - гравирована. В качестве первичного концентратора использовалась линза Френеля [2]. Модель солнечного лазера для двух случаев была разработана на основе методов трассировки фотонов и Монте-Карло [3].


Результаты и обсуждения
Использованная в исследованиях схема лазерной установки показана на рисунке 1. Площадь поверхности первичного концентратора составляет 1 м².



Рисунок 1. 1-Общий вид лазерной системы, 2-Увеличенный вид вторичного концентратора в виде усеченного конуса с кварцевым входным окном

Длина вторичного концентратора 40 мм, диаметр входной апертуры 15 мм, выходной 7 мм, а внутри вторичного конического концентратора находится активная среда с размерами 5 мм в диаметре и 5 см в длину. Предполагалась, что активная среда охлаждается дистиллированной водой. На следующем рисунке показаны два типа активных сред.

Рисунок 2. Расположение и внешний вид двух типов активных сред

Солнечный фотон, исходящий от линзы Френеля, может многократно отражаться внутри вторичного концентратора и поглощаться в активной среде. Поскольку боковая поверхность второй активной среды выгравирована, внутри нее проходит больше солнечного света, чем в первой активной среде (рис. 2).

Проведенные симуляционные исследования показали, что эффективность поглощения первой активной среды с гладкой боковой поверхностью составляет 9,5%, а второй активной среды с гравированной – 12%, что в 1.4 раза превышает результаты [1]. На рисунке 3 представлены полученные зависимости выходной лазерной мощности от мощности солнечного излучения, падающего на поверхность концентратора на основе линзы Френеля. Как видно из рисунка, использование активных сред с гравированной поверхностью может увеличить эффективность лазера с солнечной накачкой примерно на 30% по сравнению с активной средой с гладкой поверхностью.

Рисунок 3. Зависимость выходной мощности от падающей мощности солнечного излучения


Заключение
Методом моделирования исследованы влияние особенностей структуры боковых поверхностей активных сред для двух типов поверхности кристалла Nd:YAG на эффективность солнечного лазера. Разработана симуляционная модель на основе методов трассировки фотонов и Монте-Карло. В результате проведенных исследований показано, что использование активных сред с гравированной боковой поверхностью может увеличить эффективность лазера с солнечной накачкой примерно на 30% по сравнению с активной средой с гладкой поверхностью. Этот результат демонстрирует, что рифленые или гравированные поверхности не только обеспечивают эффективное охлаждение, как заявлено в [1], они также улучшают эффективность поглощения, увеличивая общую эффективность преобразования мощности солнечных лазеров.
Литература

1. 
   Xu, P., Yang, S., Zhao, C., Guan, Z., Wang, H., Zhang, Y., Zhang, H. and He, T., 2014. High-efficiency solar-pumped laser with a grooved Nd: YAG rod. Applied optics, 53(18), pp.3941-3944.
   
2. 
   Sherniyozov, A., & Payziyev, S. (2019). Focal spot structure of fresnel lens and its homogenization. “Uzbek Journal of Physics”, 21(4), 245–249. Retrieved from http://ufj.uz/index.php/ufj/article/view/113
   
3. 
   Sh. Payziyev, Kh. Makhmudov, “Solar pumped Nd:YAG laser efficiency enhancement using Cr:LiCAF frequency down-shifter”, Optics Communications 380 (2016) 57–60.