Tar solcelledrevne lasere til nye høyder med firespeilpumping

Utformingen av effektive solceller, som utnytter energi til å generere elektrisitet eller produsere hydrogen ved å spalte vann, har fått mye oppmerksomhet globalt. En annen vei for å utnytte rikelig, gratis solenergi: bruke den som en pumpekilde for lasere. Høyeffektlasere er øremerket for flere bruksområder, inkludert dypromskommunikasjon, atmosfærisk sensing, høytemperaturmaterialebehandling og hydrogenproduksjon. Men de er ofte dyre og lider av ytelsesbakslag som følge av termiske stresseffekter.

I en fersk studie publisert i Journal of Photonics for Energy, rapporterer forskere fra Algerie og Portugal om et nytt solcelledrevet laserdesign som lykkes med å løse disse problemene. Denne laseren har en forbedret laserkonverteringseffektivitet sammenlignet med de som pumpes med konvensjonelle kilder (som blitslamper og LED).

“Tilnærmingen vi tok i bruk i denne studien tillot oss å utvikle en kraftig solcelledrevet laser som opererer i TEM₀₀ modus, den grunnleggende eller laveste ordens modus,” forklarer førsteamanuensis Dawei Liang fra Universidade Nova de Lisboa i Portugal, den tilsvarende forfatteren av studien. “Hver av disse modusene (laseren vår opprettholder flere grunnleggende moduser) kan kontrolleres nøyaktig med minimalt varmetilførsel til pumpehulrommet. Dette gjør oss i stand til å skreddersy den anvendte energien til de spesifikke behovene til en applikasjon,” legger han til.

Forskerne utførte numeriske simuleringer for å optimalisere designparametrene til en TEM₀₀-modus Nd:YAG solar laserstråle. Videre brukte de fire laserstaver inne i fire 2V-formede pumpehulrom, og pumpet dem med sollys ved hjelp av fire store off-akse parabolske speil med et samlet oppsamlingsområde på 10 m².

“Laserhodet i vår design inkluderer også fire sekundære asfæriske konsentratorer av smeltet silika, og fire rektangulære lysledere av smeltet silika. Dette sikrer en jevn fordeling av den absorberte pumpekraften i hver stang og bidrar til å unngå varmeskader som følge av termisk linse og termisk spenninger som oppstår i konvensjonelle solcellelasere med én stang,” utdyper Liang.

Dette resulterte i en forbedret ytelse for sollaseren. De numeriske beregningene estimerte en total lasereffekt på 155,29 watt i TEM₀₀ modus. Dette resulterte i en dobbel forbedring av innsamlingseffektiviteten og en forbedring på 1,24 ganger i konverteringseffektiviteten sammenlignet med de registrert for tidligere design med lignende konfigurasjon.

En av de største potensielle bruksområdene for denne designen gjelder rombasert solenergiproduksjon. Dette innebærer innsamling av solenergi energi i verdensrommet, konverterer den til en laserstråle, og sender den ned til jorden hvor den kan brukes til å generere elektrisitet ved hjelp av solceller. Siden denne prosessen ikke er påvirket av jordatmosfæren, er den mer stabil og krever mindre overførings- og mottaksutstyr enn det som trengs i mikrobølgekraftoverføring.

Liang bemerker at mens en fotovoltaisk drevet diodepumpet laser fortsatt har større sol-til-laser-konverteringseffektivitet enn en sollaser, er den mye mindre egnet for langsiktige romapplikasjoner. Dette er fordi en diodepumpet laser har en begrenset diodepumpekildelevetid og et mer komplekst lasersystem. En solcelledrevet laser nyter langt større systemenkelhet, og drar nytte av en nesten evig og gratis pumpekilde.

Samlet sett viser denne studien en måte å ta solcelledrevne lasere til nye høyder, med en klar plan for høyeffektive, plassklare solcellelasere.

---

---