高效率太阳光泵浦的固体激光器理论和技术研究

太阳光直接泵浦的固体激光器在空间应用中具有明显的优势，从太阳光到激光的转换效率国际上已经达到可以与以太阳电池供电的激光二极管泵浦固体激光器（DPL）相比拟的水平，本项目组在上一个自然科学基金小额资助支持下在国内率先获得了太阳光泵浦的激光输出，建成了较好的研究条件。.本项目计划建立太阳光泵浦固体激光器的能量转换模型，研究提高太阳光泵浦固体激光器的转换效率涉及的各项技术，具体研究选择适合太阳光泵浦的固体激光材料、研究大口径高效率聚光光学元件的设计制作、研究高效率三维复合抛物面聚光器（CPC）的设计和加工、研究聚光光学系统与激光材料的高效耦合技术，最终实现太阳光泵浦固体激光器的高效率输出。

太阳光直接泵浦的固体激光器因其能量转换环节最少，结构简单，具备实现高效率把太阳光转换到激光的潜力，并且具有高可靠性。在空间太阳能电站、空间无线能量传输、星间激光通信、空间光电对抗、空间激光雷达等空间应用方面具有潜在的优势。.国际上太阳光直接泵浦的固体激光器研究以日本的东京理工大学、葡萄牙里斯本新大学和以色列威兹曼研究所最为领先；国内北京理工大学本项目组率先开展了研究工作，并且截止目前只有本项目组实现了太阳光泵浦激光输出。.在国家自然科学基金支持下，经过三年时间的研究，本项目实现了太阳光泵浦激光器最高14W的激光输出，单位接收太阳光面积上获得的激光输出与日本东京理工大学2009年的实验结果相近。.理论研究方面，建立了太阳光直接泵浦固体激光器的能量转换理论模型，研究了从太阳光到激光输出的各个能量转换环节的效率及其影响因素；研究了常见激光工作物质的光谱特性，并综合各种因素后，筛选出几种适合太阳光泵浦的激光材料；研究了菲涅尔透镜的设计方法和汇聚效果；研制了金属镜面反射式锥形腔和陶瓷漫反射锥形腔，并采用Tracepro软件建立了整体泵浦模型，对泵浦系统进行了设计和优化。.实验研究方面，对原有实验系统进行了大幅度改进，研制了基于四象限探测原理的太阳光自动跟踪装置，能够实时准确跟踪太阳光，保证试验系统的光路准直。实验研究了Nd：YAG和Cr，Nd：YAG两种激光工作物质的激光输出特性，并通过改变激光工作物质尺寸、锥形聚光腔腔型和结构参数、以及激光谐振腔参数和输出镜透过率进行优化。最终使用φ30×100mm的陶瓷腔，输出镜曲率900mm、透过率3%时，泵浦φ8×115mm的Nd:YAG晶体获得了14W的最大激光功率输出，太阳光到激光转化效率达到4.24%。