Solarbetriebene Laser mit Vier-Spiegel-Pumpen auf neue Höhen bringen

Das Design effizienter Solarzellen, die Energie nutzen, um Strom zu erzeugen oder durch Aufspaltung von Wasser Wasserstoff zu produzieren, hat weltweit viel Aufmerksamkeit erhalten. Ein weiterer Weg, um die reichlich vorhandene, kostenlose Sonnenenergie zu nutzen: sie als Pumpquelle für Laser zu nutzen. Hochleistungslaser sind für mehrere Anwendungen vorgesehen, darunter Weltraumkommunikation, Atmosphärensensorik, Hochtemperatur-Materialverarbeitung und Wasserstoffproduktion. Sie sind jedoch oft teuer und leiden unter Leistungseinbußen, die durch thermische Belastungseffekte entstehen.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Zeitschrift für Photonik für Energie, berichten Forscher aus Algerien und Portugal über ein neues solarbetriebenes Laserdesign, das diese Probleme erfolgreich angeht. Dieser Laser hat eine verbesserte Laserumwandlungseffizienz im Vergleich zu solchen, die mit herkömmlichen Quellen (wie Blitzlampen und LEDs) gepumpt werden.

„Der Ansatz, den wir in dieser Studie gewählt haben, ermöglichte es uns, einen leistungsstarken solarbetriebenen Laser zu entwickeln, der im TEM00-Modus arbeitet, dem Grundmodus oder Modus niedrigster Ordnung“, erklärt außerordentlicher Professor Dawei Liang von der Universidade Nova de Lisboa in Portugal, der korrespondierende Autor der lernen. „Jeder dieser Moden (unser Laser unterstützt mehrere Grundmoden) kann mit minimaler Wärmezufuhr zum Pumphohlraum präzise gesteuert werden. Dadurch können wir die zugeführte Energie an die spezifischen Anforderungen einer Anwendung anpassen“, fügt er hinzu.

Die Forscher führten numerische Simulationen durch, um die Designparameter eines Nd:YAG-Solarlaserstrahls im TEM00-Modus zu optimieren. Außerdem verwendeten sie vier Laserstäbe in vier 2V-förmigen Pumphohlräumen und pumpten sie mit Sonnenlicht unter Verwendung von vier großen außeraxialen Parabolspiegeln mit einer Gesamtsammelfläche von 10 m2.

„Der Laserkopf in unserem Design umfasst auch vier sekundäre asphärische Konzentratoren aus Quarzglas und vier rechteckige Lichtleiter aus Quarzglas. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der absorbierten Pumpleistung innerhalb jedes Stabs und hilft, Hitzeschäden durch thermische Linsenbildung und Thermik zu vermeiden Belastungen, die bei konventionellen Einstab-Solarlasern auftreten“, führt Liang aus.

Dies führte zu einer verbesserten Leistung des Solarlasers. Die numerischen Berechnungen schätzten eine Gesamtlaserleistung von 155,29 Watt im TEM00-Modus. Dies führte zu einer zweifachen Verbesserung der Sammeleffizienz und einer 1,24-fachen Verbesserung der Umwandlungseffizienz im Vergleich zu denen, die für frühere Konstruktionen mit ähnlicher Konfiguration aufgezeichnet wurden.

Eine der wichtigsten potenziellen Anwendungen dieses Designs betrifft die weltraumgestützte Solarstromerzeugung. Dabei wird Sonnenenergie im Weltraum gesammelt, in einen Laserstrahl umgewandelt und zur Erde geschickt, wo sie mithilfe von Solarzellen zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Da dieser Prozess nicht von der Erdatmosphäre beeinflusst wird, ist er stabiler und erfordert kleinere Sende- und Empfangsgeräte als bei der Mikrowellen-Leistungsübertragung.

Liang merkt an, dass ein photovoltaisch betriebener diodengepumpter Laser zwar immer noch eine höhere Solar-zu-Laser-Umwandlungseffizienz als ein Solarlaser hat, aber für langfristige Weltraumanwendungen viel weniger geeignet ist. Dies liegt daran, dass ein diodengepumpter Laser eine begrenzte Lebensdauer der Diodenpumpquelle und ein komplexeres Lasersystem hat. Ein solarbetriebener Laser genießt eine viel größere Systemeinfachheit und profitiert von einer nahezu ewigen und kostenlosen Pumpquelle.

Insgesamt beleuchtet diese Studie einen Weg, um solarbetriebene Laser zu neuen Höhen zu führen, mit einem klaren Entwurf für hocheffiziente, weltraumtaugliche Solarlaser.