一种太阳能诱发激光装置及方法与流程

本发明属于太阳能利用领域，尤其涉及一种太阳能诱发激光装置及方法。

背景技术：

随着经济的高速发展，人类对能源的需求越来越大。但考虑到限制co2排放等因素，在目前得到利用的能源和能源材料中，即不破坏地球环境又具有高度安全性的能源当属太阳能为主要候选。太阳能是一种自然界的辐射能，属于具有即时性，而且必须即时转换成其它形式能量才能利用或贮存的能源。将太阳能转换成不同形式的能量需要不同的能量转换方式，集热器通过吸收面可以将太阳能转换成热能，利用光伏效应太阳电池可以将太阳能转换成电能，通过光合作用植物可以将太阳能转换成生物质能，等等。原则上，太阳能可以直接或间接转换成任何形式的能量，但转换次数越多，最终太阳能转换的效率便越低。在太阳能利用领域，传统方法主要有光热转换，光电转换和太阳能-氢能转换等技术。在传统的太阳能应用技术中主要都使用低密度太阳能进行转换，但最近采用高密度太阳能进行光-光转换的技术受到重视，这就是通过高密度太阳能诱发激光源的技术。太阳能诱发激光技术最主要的优点就是使用自然能源实现激光技术，既可以在无外界电源情况下广泛应用激光技术，实现不用电力直接将太阳光转化为激光，进而可以在苛刻的环境条件下实现激光测量，激光切割和激光焊接等技术，并可以用于激光通讯，激光加工以及原材料精炼等所有激光应用领域，且没有任何环境污染。

但目前来说，太阳能诱发激光技术仍比较前沿，多由科研院所机构进行研究开发，受限于所采集太阳光的集聚能量密度，普遍存在诱发激光功率较低的问题。另外在集聚太阳光过程中，一些装置部件容易被集聚的热量损伤，因此适宜的冷却措施不可缺少，但常规冷却往往仍然涉及到电力驱动，因而并没做到真正意义上的完全无用电力。

综上，在使用太阳能诱发激光的光-光转换技术中，实现高效聚光提高太阳能集聚密度，以及诱发装置的冷却都很关键。基于此，提出一种新型太阳能诱发激光装置及方法。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种太阳能诱发激光装置及方法，高效地提高太阳能集聚密度和强度，进而提高太阳能诱发激光功率，同时，提供一种不需电力的冷却方法实现诱发装置的冷却。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种太阳能诱发激光装置，包括菲涅尔透光镜、聚光镜、激光晶体、共振器、反射镜、光纤维、冷却器、可移动轨道；

菲涅尔透光镜、聚光镜、激光晶体、共振器、反射镜依次设置在同一光轴上，聚光镜的聚焦面与激光晶体的入射端面接触，聚光镜和激光晶体外部设有冷却器，冷却器通过支架与可移动轨道连接，共振器通过支撑部与可移动轨道连接；

所述的菲涅尔透光镜周边设有太阳光增幅反射板，使投射到增幅反射板的太阳光通过反射也投射到菲涅尔光镜，以增强投射到菲涅尔透光镜的太阳光密度。

所述的聚光镜为抛物线形锥体聚光镜，用于实现太阳光的二次聚集，聚光镜表面包覆有反射箔。

所述的反射箔的材质为具有高反射率的金属材质。

还包括储水罐，储水罐通过上下两个输水管与冷却器相连接。

所述的菲涅尔光镜的焦距大于1米，菲涅尔光镜由数块菲涅尔光镜组合而成，组合后的菲涅尔光镜聚焦的光斑直径为20～60mm。

所述的菲涅尔光镜通过角度可定位的合页或铰链与增幅反射板连接。

所述的激光晶体为圆柱形或长方体形状。

激光晶体的入射端面镀有能吸收390nm至790nm范围内太阳光光谱的薄膜，薄膜厚度在100nm以内；在激光晶体的出射端面镀有只能透过1064nm波长红外激光的选择性反射镀膜，薄膜厚度在100nm以内。

一种太阳能诱发激光的方法，太阳光投射到菲涅尔光镜，而投射到增幅反射板的太阳光通过反射也投射到菲涅尔光镜，增强密度的太阳光再经过菲涅尔光镜的一次聚集投射到表面包覆反射箔的聚光镜，由聚光镜二次聚集后入射到激光晶体内部，从激光晶体中诱发出950～1064nm的红外激光投射到共振器，从共振器射出1064nm红外激光通过反射镜输入进光纤维后输出使用；

激光晶体和聚光镜发热后，外部的冷却器内的冷却水升温造成的密度差产生流动压力，在水压作用下冷水经下方的输水管注入到冷却器中，被加温的水通过上方的输水管回流到储水罐中，形成自循环冷却。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

太阳能诱发激光装置及方法，可在完全不需要任何电力情况下实现太阳能诱发激光，故可以在无电力提供的地区和环境下使用。通过采用太阳光增幅折射板的增幅和聚光镜的二次聚焦，可以更好的提高太阳能集聚密度和强度，增强太阳能诱发激光束功率，同时通过自循环方式冷却，能够不需电力实现诱发装置的冷却。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是冷却器的冷却工作状态图。

图中：1-菲涅尔透光镜2-增幅反射板3-聚光镜4-反射箔5-冷却器一6-冷却器二7-激光晶体8-共振器9-反射镜10-光纤维11-支撑部12-可移动轨道13-支架14-输水管15-输水管16-储水罐。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1，一种太阳能诱发激光装置，包括菲涅尔透光镜1、聚光镜3、激光晶体7、共振器8、反射镜9、光纤维10、冷却器、可移动轨道12；菲涅尔透光镜1、聚光镜3、激光晶体7、共振器8、反射镜9依次设置在同一光轴上，聚光镜3的聚焦面与激光晶体7的入射端面接触，聚光镜3和激光晶体7外部设有冷却器，冷却器通过支架13与可移动轨道12连接，共振器8通过支撑部11与可移动轨道12连接；菲涅尔透光镜1周边设有太阳光增幅反射板2，使投射到增幅反射板2的太阳光通过反射也投射到菲涅尔光镜，以增强投射到菲涅尔透光镜1的太阳光密度及强度。实际使用时，为方便调整，菲涅尔光镜通过角度可定位的合页或铰链与增幅反射板2连接，使增幅反射板2可以改变角度，在不同的日照时间和经纬度可通过改变角度有效地把照射在增幅反射板2上的太阳光折射到菲涅尔透光镜，以降低设备的成本。

其中，聚光镜3为抛物线形锥体聚光镜3，用于实现太阳光的二次聚集，聚光镜3表面包覆有反射箔4，用于使聚光镜3内部分入射到聚光镜3锥体表面的太阳光也反射到聚光镜3的聚焦面。反射箔4的材质为具有高反射率的金属材质，如：au、ag、al、cu和不锈钢均可，较为常用的为ag箔。

见图1、图2，激光晶体7和聚光镜3都采用自循环冷却方式，因为将太阳光集聚到聚光镜3和激光晶体7时还会产生大量热量，太阳光入射到激光晶体7之后反复振荡还会产生热量。而聚光镜3和激光晶体7都是脆性材料制作，受热膨胀时容易脆断，因此必须对聚光镜3和激光晶体7进行冷却。采用冷却器对二者进行冷却，冷却器一5设置在聚光镜3外部，用于对聚光镜3进行冷却，冷却器二6设置在激光晶体7外部，用于对激光晶体7进行冷却，冷却器一5与冷却器二6可单独与两个储水罐16连接形成两个相互不联系的冷却系统；也可采用冷却器一5、冷却器二6通过同一储水罐16相互连通的方式进行连接。

见图1、图2，以激光晶体7为例，储水罐16和上方的输水管15及下方的输水管14相连接，冷却器二6与两个输水管连接。储水罐16中储满冷却水，储水罐16的最高水位的二分之一高度高于激光晶体7的冷却器二6，由于本技术方案不用任何外部动力(电力)对激光晶体7冷却，因此必须具有一定的水压保证水能够进入冷却器二6，并与激光晶体7工作时发出的热形成自然对流，把激光晶体内的热量传到储水罐中，所以限定在二分之一这个高度最佳。

工作时激光晶体7发热后，冷却水升温造成的密度差产生流动压力，在水压作用下冷水经下方的输水管14注入到冷却器二6中，被加温的水通过上方的输水管15回流到储水罐16中，通过形成这样的自循环实现冷却。聚光镜3也采用相同的方式进行冷却。利用上述方法保证了激光晶体7和聚光镜3温度始终在100摄氏度以下。

见图1，菲涅尔光镜的焦距大于1米，菲涅尔光镜由数块菲涅尔光镜组合而成，组合后的菲涅尔光镜聚焦的光斑直径为20～60mm。

见图1，激光晶体7为圆柱形或长方体形状。激光晶体7的入射端面镀有能吸收390nm至790nm范围内太阳光光谱的薄膜，薄膜厚度在100nm以内；在激光晶体7的出射端面镀有只能透过1064nm波长红外激光的选择性反射镀膜，薄膜厚度在100nm以内。

见图1，基于上述装置实现的太阳能诱发激光的方法，太阳光投射到菲涅尔光镜，而投射到增幅反射板2的太阳光通过反射也投射到菲涅尔光镜，增强密度的太阳光再经过菲涅尔光镜的一次聚集投射到表面包覆反射箔4的聚光镜3，由聚光镜3二次聚集后入射到激光晶体7内部，在镀膜作用下，集聚的太阳光入射到激光晶体7内部后只有红外波长的激光可从左侧的出射端面射出，另外太阳光从激光晶体7右侧的入射端面只能射入不能射出。致使太阳光进入激光晶体7后除红外线光谱以外的光波在激光晶体7内多次反射和振荡，其中一部分能量转换成热量，另一部分能量诱发光谱整合为红外光谱，诱发的红外激光经过在激光晶体7内的整合最终从左侧出光端面射出，从激光晶体7中诱发出接近1064nm的红外激光投射到共振器8，从共振器8射出1064nm红外激光通过反射镜9输入进光纤维10后输出使用。