Nature-通讯物理学 | 丰田研发：新型全平面太阳能泵浦激光器

图片来源：TOYOTA

撰稿 | 胡建

近日，由丰田汽车公司提出一种基于荧光太阳能收集器(luminescent solar collector，LSC)的全平面太阳能泵浦激光（solar-pumped laser, SPL)。

所谓太阳能泵浦激光(SPL)就是将太阳光直接转化为相干性和一定强度的激光束。而通常所需要的是使用大量集中透镜组和精准的太阳能追踪，但是这种模式也就限制潜在使用的价值。

日本丰田汽车公司的研究人员提出了一种全新结构的全平面太阳能泵浦激光系统(Fully planar solar-pumped laser system )，该系统与以往平面太阳能泵浦激光系统的最大区别是：不需要使用聚焦透镜和太阳能追踪系统。

该结构是在Nd³⁺掺杂的二氧化硅光纤卷曲在圆柱型腔体中，并且该腔体充满感光剂溶液。并将他们作为荧光太阳能收集器(LSC)。

腔体本身是高反的。但是顶部窗口是一块二向色镜片，它会透过入射过来的太阳光并且通过感光剂囚禁在腔内产生荧光。

该激光谐振腔的阈值是需要顶部窗口入射自然光照度的60%。计算结果表明将太阳能转换为激光的能量转换效率可以最终达到8%。

这种太阳能激光器（SPL)潜在应用是长期再生能源储能器、分布式充电电动车和物联网设备。

太阳能泵浦激光系统(SPLs)是将太阳光直接转换成激光辐射，它可以应用如：太阳能转换氢气、远程区域通讯、空间推进、空间太阳能系统和高效率的光伏电池转换。

自从第一次太阳能泵浦激光(SPL)被公开以来，科学家进行了很多改进来提高光学增益介质和太阳能收集器的设计。

但是大部分的报道都仍然依赖于透镜组或者聚焦镜集中系统的浓度因子，并将他们的浓度因子提高数千倍从而使得被辐射到的增益介质能充分获得增益。

但这些集中光学系统由于及其昂贵、需要非常精确的太阳能追踪来确保聚焦焦点在激活介质上的误差不超过0.01度，并且面临大风的挑战，从而限制太阳能泵浦激光系统(SPLs)的实际使用。

在成本和使用操作性上的价格也导致目前该系统使用不广泛。

此外，通过透镜或者镜组来实现光学集中，只能对直接入射的太阳光有效；

而对于散射光占比很高的天气是没有用（例如，在阴天情况下）。

由于在散射光在天气晴朗和太阳很大的天气时占比也接近20%，平均情况下散射光占比高于50%。

太阳能转化设备能同时对散射光和直接入射太阳光转化是很有必要的。

减小太阳能泵浦激光系统(SPLs)的尺寸和重量使其能够可以和光伏面板类似，将会为太阳能泵浦激光系统(SPLs)打开一个新的应用空间。

例如平板太阳能泵浦激光（SPL)系统可以用于给电动车和无人驾驶飞行器进行无线充电。

一个串联的感光剂能量转化系统能显著减小激光系统所需要的集中因子，克服传统太阳能泵浦激光系统(SPLs)的缺陷。

尽管这种结构能成功将激光的阈值减小到230Wcm^-2，但是该系统依然需要透镜或者镜组集中器来实现产生激光。

本文中，预先介绍一种太阳能泵浦激光系统(SPLs), 在一个很窄的环型腔中，使用光纤横向激励结构结合串联能量转化，腔体中填充感光液体。

在一个40m长的掺杂铷离子的光纤环型盘绕在高度为1mm，宽度为5mm，直径为300mm的腔内。

太阳光通过外径为580mm环型透镜组聚焦形成一个与光纤盘绕环直径一样的薄环在光纤上。

这种激光可以在自然光和极低的太阳能集中照度1.5Wcm^-2照射到激活介质上产生。

这种系统依然需要透镜组和太阳能追踪系统。

在本研究中，展示了一种全平面太阳能泵浦激光系统不需要使用任何透镜组，只使用荧光太阳能收集器(LSC)并结合在自然光下横向激励结构的光纤激光可以产生激光。

自主开发的类似平板的概念型验证太阳能泵浦激光系统(SPLs)需要太阳光强度为0.06Wcm^-2照射在平面系统的前窗上，在60%标准气团1.5（AM1.5G)全球太阳光强，就可以产生激光。

当输出耦合镜为80%反射时，可以得最大输出功率为1.3mW。

在理论上太阳能转化为激光的能量转化效率可以到达8%。

此外，横向泵浦的几何结构给予了太阳能泵浦激光系统(SPLs)无与伦比的功率扩展潜力：一旦激光谐振腔的阈值超过损耗，每个单位长度上的增益值超过损耗，输出功率会随着光纤长度而线性增加但是只会增加微小的成本。

与传统使用透镜组或镜组集中器的太阳能泵浦激光系统(SPLs)，必要光学系统的增加，会导致成本随着尺寸增加而显著增加。

相信目前开发的这种装置对于太阳能泵浦激光系统(SPLs)应用前景广阔。

这种装置是平面和被动的，可以很容易的通过串联模块的来扩展同时不会损失任何光束质量。

图1 不带透镜组/镜组集中器和追踪系统的全平面太阳能泵浦激光几何结构图

a 带有荧光收集器的太阳能泵浦光纤激光的截面原理图，b 太阳能泵浦的光纤激光器实物照片图

图1是全平面太阳能泵浦激光器系统的原理图和是实物照片图。

平面太阳能泵浦激光系统模型是使用掺杂铷离子二氧化硅光纤，光纤芯径为16um，NA=0.18作为激光介质。

铷离子掺杂浓度为0.5 at%。一根190m长的光纤，环线盘绕放在圆柱形腔内，并把它作为荧光太阳能收集器(LSC)。

它(高度1.5mm，直径300mm）中间填充浓度为0.3mmolL^-1的感光剂，感光剂溶解在甲醇中。

光纤束排放在腔体的侧壁附近，侧壁的曲率半径为2.9m。

荧光太阳能收集器( LSC)冷却温度维持为低于-25度。

顶部表面是二向色镜（DM)，底部表面是HR面。由于侧面的反射光具有低的反射率。

图2 蒙特卡洛模拟的全平面太阳能泵浦激光器原理图。计算区域的形状是平面柱体，它的顶部和底部表面分别表示二向色镜（DM) 和高反（HR)镜

将该开发的平面太阳能泵浦激光器系统，使用蒙特卡洛方法模拟，模拟原理图见图2。

太阳光经过顶部的二向色镜透射到腔体内部的感光剂上，感光剂通过中心辐射，产生对应的近红外波段的泵浦光，并与底部的高反射镜一起组成谐振腔，不断的对侧壁边缘的光纤进行泵浦。

由于侧壁的反射率无法测量，只能通过实验的方法进行数值验证。

实验结果显示，当侧壁反射率达到99%，泵浦光纤长度为12km时，太阳能的转换效率可以达到1.1% 或者11W m^-2。

进一步实验研究，改变感光剂（甲酰胺钙钛矿量子点）的峰值辐射波长，从可见光区域到近红外波段，可以使量子效率接近100%，从而使太阳光的转换效率增加7倍，达到8%。

这种简单增加泵浦光纤长度、侧壁反射率并结合使用量子点感光剂 ，为我们被动太阳能泵浦激光潜在应用带了突破性的进展。

作者在本文中提出一种不带透镜组/镜组集中器和追踪太阳光系统的全平面太阳能激光器系统。

该激光具有无与伦比的功率可扩展性，通过同时提高卷曲增益介质光纤长度和荧光太阳能收集器(LSC)的面积。

在扩展功率的同时还能保持良好的光束质量，而成本却增加很少。

通过本文提出的几何结构加以简单的修改和结合使用钙钛矿量子点，商业上的价值会与光伏面板类似。

这些都更加有利于太阳能泵浦激光器(SPL)应用到太阳能转化氢气和电动汽车的无线充电中。