申请/专利权人：天水师范学院

申请日：2016-12-13

公开（公告）日：2024-05-07

公开（公告）号：CN106532418B

主分类号：H01S3/09

分类号：H01S3/09;H01S3/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.07#授权;2017.04.19#实质审查的生效;2017.03.22#公开

摘要：本发明公开了一种太阳能电池板驱动的低阈值Nd：YAG激光器，设置有：太阳能光伏发电系统和低阈值Nd：YAG激光器。本发明采用太阳能电池板为激光器供电，使激光器可以在没有交流市电的环境中，利用太阳能来工作，激光器谐振腔为两镜腔，腔型简单且易于调节，出光阈值非常低，无需水冷系统，成本低廉，并且该激光器既可以直接通过太阳光发电，也可在光照不足的实验室中通过卤钨灯阵列模拟太阳光进行发电，满足了室内实验室教学需求且利于激光器相关知识的普及。利用太阳能来工作，从而有效解决了激光器应用的地域限制，并且响应了国家倡导的可持续发展的环保理念，具有重要的意义。

主权项：1.一种太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器，其特征在于，所述太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器包括：用于代替太阳光的卤钨灯阵列以及为卤钨灯降温的风扇；用于产生电能的太阳能电池板；用于固定太阳能电池板的太阳能电池板架，调节太阳能电池板架使太阳能电池板接收的太阳光最强；用于保证蓄电池工作在最佳的状态，延长蓄电池使用寿命的太阳能充电控制器；用于储存和释放太阳能电池板产生的电能的蓄电池；DCDC电源模块，将太阳能光伏系统产生的不稳定直流电能转换为激光器LD泵浦源所需的稳定直流电能；用于产生波长为808nm激光的LD泵浦源；用于对泵浦光808nm高透，将泵浦光聚焦到晶体中的准直镜和聚焦透镜系统；用于对808nm高透，对1064nm光高反的平凹泵浦镜；用于将LD泵浦源提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的Nd:YAG激光晶体；用于对1064nm的光部分输出，镀有对1064nm光透过率为5％和对808nm光反射率大于99.9％的介质膜的平面输出镜；用于将1064nm不可见光倍频为532nm可见绿光的KTP晶体；所述LD泵浦源是波长为808nm的光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦功率最高为2W；准直透镜的焦距为50mm，聚焦透镜的焦距为100mm；平凹泵浦镜的凹面曲率半径R＝150mm，镀有对808nm光高透，透过率大于95％，对1064nm光高反，反射率大于99.8％的介质膜；平面输出镜镀有对1064nm光透过率为5％的介质膜。

全文数据：太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器技术领域[0001] 本发明涉及光伏技术和激光技术领域，尤其涉及一种太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器。背景技术[0002] 近年来，激光器技术得到了空前的发展，随之在工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域中激光的应用也越来越多。供电系统是激光器的心脏，而一般的激光器栗浦源供电都采用室内的交流电，由于这种设计，使得激光器的工作范围受到很大的限制，尤其在野外，如戈壁滩、沙漠等一些环境恶劣的无人区域，激光器的供电系统将显得尤为困难。由于太阳能光伏技术的逐步成熟，并且随着地球资源的日益贫乏，太阳能作为一种安全、无污染、零空气废气排放、可持续发展的新能源越来越受到重视。在高校中，激光器相关的教学越来越受到老师们的关注和重视，而激光器由于其本身成本昂贵，调节难度较高，一般只用于相关的科研方面，远离大学生的基础实验，使得大学生能接触的激光器实验少之又少，从而无形中增加了激光器在学生心中的神秘感，阻碍了学生对激光器的了解，滞缓了激光器的发展。[0003]综上所述，现有的激光器的供电存在工作范围受到很大的限制，教学方面，激光器由于其本身成本昂贵，调节难度较高，从而与普通学生产生了一定的距离，滞缓了激光器的发展。发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种太阳能电池板驱动的低阈值NcUYAG激光器，旨在解决现有激光器在供电方式和范围上受到交流电限制的问题，激光器出光阈值低，操作简单，成本低廉，并且该激光器即可以直接通过太阳光发电，也可在光照不足的实验室中通过卤钨灯阵列模拟太阳光进行发电，满足老师教学和学生实验的需求。[0005] 本发明提供的太阳能电池板驱动的低阈值NcUYAG激光器，采用额定输出值为50W18V的单晶硅太阳能电池板作为电能来源，利用导线将太阳能电池板的输出端连接到太阳能充电控制模块的输入端，再经由导线将太阳能充电控制模块的输出端连接到10Ah12V太阳能专用胶体蓄电池和DCDC电源模块输入端上，DCDC电源模块输出的标称电压经过导线连接到激光器LD栗浦源的驱动电路板上，为激光器的提供稳定的电能来源，使激光器可以在没有交流市电的环境中，利用太阳能来工作，从而有效解决了激光器应用的地域限制，并且响应了国家倡导的可持续发展的环保理念。接着由LD栗浦源产生808nm2W的连续光，通过准直、聚焦透镜聚焦到NcUYAG激光晶体中，平凹栗浦镜、平面输出镜构成直线型两境腔，通过调节光路中各个元件从而输出1064nm近红外激光。将1064nm光经KTP晶体倍频便可得到532nm可见绿光。[0006] 进一步，当太阳光充足时，太阳能电池板被固定在太阳能电池板架上，调节太阳能电池板架达到接受的太阳光最强。当在室内时，将太阳能电池板放在卤钨灯阵列正下方，通过卤钨灯发出的光代替太阳光为太阳能电池板提供光能。太阳能充电控制器、蓄电池、DCDC电源模块三者共同被包装在盒子中。LD栗浦激光器光纤头通过法兰盘固定在二维可调镜架上，准直透镜、聚焦透镜、平凹栗浦镜和平面输出镜固定在二维可调镜架上。二维可调镜架通过支杆和套筒被固定在滑台上，通过支杆可调节各个元件的高度，Nd:YAG激光晶体和KTP倍频晶体通过25*20*5mm长*宽*高的平台连接支杆和套筒被固定在滑台上，滑台被装在精密滑轨上，通过前后滑动可调节各个元件之间的距离。[0007] 本发明提供的太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器控制系统，包含太阳能光伏系统和低阈值激光器系统两大部分;太阳能光伏系统将交流市电供电系统换为太阳能供电系统;低阈值激光器系统是国际上阈值最低，造价成本低廉，调节方式简单，特别适用于教学和学生基础实验方面。[0008] 本发明采用太阳能电池板为电能来源，并经过电能储存和电压变换电路来为激光器供电，使激光器可以在没有交流市电的环境中，利用太阳能来工作，从而有效解决了激光器应用的地域限制，并且响应了国家倡导的可持续发展的环保理念，具有重要的意义。本发明公开了用于激光器相关的教学、学生实验、新能源利用等方面的太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器;激光器无需水冷系统，腔型简单且易于调节，出光阈值低，成本低廉，通过倍频晶体可使不可见的1064nm光转换成可见的532nm可见绿光，使得实验现象更加明显和有趣。并且激光器既可以直接通过太阳光发电，也可在光照不足的实验室中通过卤钨灯阵列模拟太阳光进行发电，满足了老师教学的要求、学生动手的需求且利于激光器相关知识的普及。旨在低阈值、高效率、腔型简单且易于调节、无需水冷系统、成本低廉、安全，通过倍频晶体可使不可见的1064nm光转换成可见的532nm可见绿光，使得实验现象更加明显和有趣。并且本发明的激光器即可以直接通过太阳光发电，也可在光照不足的实验室中通过卤钨灯阵列模拟太阳光进行发电；同时为解决激光器应用的地域限制，响应国家倡导的可持续发展的环保理念提供了一种简单且实用的技术。附图说明[0009]图1是本发明实施例提供的太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器装置框架图。[0010]图2是本发明实施例提供的太阳光驱动的低阈值NcUYAG激光器原理框架图。[0011]图3是本发明实施例提供的卤钨灯阵列代替太阳光驱动的低阈值NcUYAG激光器原理框架图。[0012]图4是本发明实施例提供的太阳能驱动电路模块。[0013]图5是本发明实施例提供的卤钨灯阵列代替太阳光驱动电路模块。[0014]图1中:1、卤钨灯阵列;2、太阳能电池板;3、风扇;4、太阳能充电控制器;5、蓄电池；6、DCDC电源模块;7、导线;8、LD栗浦源;9、准直透镜；1、聚焦透镜；11、平凹栗浦镜；12、Nd:YAG激光晶体;13、平面输出镜；14、KTP倍频晶体。具体实施方式[0015] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0016]下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。[0017] 如图1所示，本发明实施例的太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器包括:太阳能光伏发电系统:太阳能电池板，用于产生电能；卤钨灯阵列，在没有太阳光的室内代替太阳光给太阳能电池板充电，主要用于实验、教学;风扇，对卤钨灯进行降温;充电控制器，保证蓄电池工作在最佳的状态，大大延长蓄电池的使用寿命;蓄电池，用于储存和释放太阳能电池板产生的电能;DCDC电源模块，将太阳能光伏系统产生的不稳定直流电能转换为激光器LD栗浦源所需的稳定直流电能。低阈值NcUYAG激光器系统:由栗浦源、准直镜、聚焦镜、平凹栗浦镜、激光晶体、平面输出耦合镜和KTP倍频晶体组成。[0018] 元件的具体参数如下:太阳能电池板为50W18V输出单晶硅，尺寸530*350*22mm，正常工作电压为17.2V，工作电流为1.16A，开路电压可达22.2V，短路电流为1.24A，转换效率为18%。太阳能充电控制器可以自动识别12V或24V，充电电流和负载电流可达10A，具有过载保护、输出短路保护等功能。蓄电池为10Ah12V的太阳能专用胶体蓄电池，实际应用中为保证蓄电池不受损坏，蓄电池充电电压不可超过24V，放电电压不可低于8V，在本系统功率要求下，蓄电池满容量时可连续使用3小时而输出电压不低于8VACDC电源模块输入电压范围为直流5V—30V，输出电压为1.25V—28V可调，在5V电压输出条件下，最大输出电流可达8A，效率可达91%，满足激光器最大功率5V4A20W的要求，具有过载、过压、短路、欠压保护。LD激光器驱动电路板供电电压范围为:4.5V—5.5V，最大功率时电流为4A。准直透镜的焦距为50mm，聚焦透镜的焦距为100mm;平凹栗浦镜的凹面曲率半径为150mm。栗浦源是波长为808nm的光纤耦合输出的半导体激光器，栗浦功率最高为2W。平凹栗浦镜对808nm光高透，透过率大于95%，对1064nm光高反，反射率大于99.8%0Nd:YAG激光晶体尺寸为4*4*5mm，Nd掺杂为1.1%。平面输出镜对1064nm光的透过率为5ITP倍频晶体尺寸为4*4*5mm。[0019]具体安装要求如下:当太阳光充足时，太阳能电池板被固定在太阳能电池板架上，当在室内时，将太阳能电池板放在卤钨灯阵列正下方。太阳能充电控制器、蓄电池、DCDC电源模块和LD激光器驱动电路板四者共同被包装在盒子中。LD栗浦激光器光纤头通过法兰盘固定在二维可调镜架上，准直透镜、聚焦透镜、平凹栗浦镜和平面输出镜固定在二维可调镜架上。二维可调镜架通过支杆和套筒被固定在滑台上，通过支杆可调节各个元件的高度，Nd:YAG激光晶体和KTP倍频晶体通过25*20*5mm长*宽*高的平台连接支杆和套筒被固定在滑台上，滑台被装在精密滑轨上，通过前后滑动可调节各个元件之间的距离。[0020]具体调节如下:采用额定输出值为50W18V的单晶硅太阳能电池板为电能来源，并经过太阳能充电控制器为10Ah12V太阳能专用胶体蓄电池充电，再经过DCDC电源模块和LD激光器驱动电路板，变换为所需要的5V电源，为LD栗浦源提供所需要的电功率，该部分属于电路自己控制模块，工作时只需打开开关即可。接着由LD栗浦源产生808nm2W的连续光，通过准直透镜将光束准直、接着通过聚焦透镜将808nm栗浦光聚焦到Nd:YAG激光晶体中心，激光晶体中心距聚焦透镜的距离大约为100mm，平凹栗浦镜、平面输出镜构成直线型两境腔，两面镜子相距60mm左右，激光晶体放在两镜腔中心位置附近，仔细调节光路中各个元件从而输出1064nm近红外激光。将1064nm光经KTP晶体倍频便可得到532nm可见绿光。[0021]下面结合具体实施例对本发明的应用原理作详细的描述。[0022] 本发明的实施例1如图2所示，由太阳能电池板2、太阳能充电控制器4、蓄电池5、DCDC电源模块6、导线7、LD栗浦源8、准直透镜9、聚焦透镜10、平凹栗浦镜11、Nd:YAG激光晶体12、平面输出镜13、KTP倍频晶体14组成太阳光照射的太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器。通过太阳光为太阳能电池板供电，并经过太阳能充电控制器为蓄电池充电，再经过DCDC电源模块和LD激光器驱动电路板，变换为所需要的5V电源，为LD栗浦源提供所需要的电功率。接着由LD栗浦源产生808nm2W的连续光，栗浦方式为端面栗浦，通过准直、聚焦透镜聚焦到NcUYAG激光晶体中，平凹栗浦镜、平面输出镜构成直线型两境腔，通过调节光路中各个元件从而输出1064nm近红外激光。将1064nm光经KTP晶体倍频便可得到532nm可见绿光。[0023] 试验中，用太阳光照射50W18V太阳能电池板，在天水秦州区地带下午12点到4点光照充足时，最大输出功率可达35W，电流2.3A，电压15V。经电路模块为LD栗浦源供电，仔细调节光路测得该激光器对164nm光的输出阈值为4OOmW，相对于输入栗浦的斜效率为29.65%,最高2W抽运功率输出475mW激光。经KTP晶体倍频，最高可获得385mW的532nm可见绿光，光-光转化效率为76%，无光照条件下，充满电的蓄电池可保证激光器正常工作在3个小时左右，在此期间激光器功率稳定，性能良好。[0024] 实施例2:[0025] 本发明的实施例2如图5所示，由卤钨灯阵列、风扇、太阳能电池板1、太阳能电池板架2、电路模块3、导线4、LD栗浦源5、准直透镜6、聚焦透镜7、平凹栗浦镜8、Nd:YAG激光晶体9、平面输出镜10、KTP倍频晶体11组成卤钨灯阵列照射的太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器。通过卤钨灯阵列代替太阳光为太阳能电池板供电，其他步骤遵照实施例1中的调节方法便可得到1064nm的不可见光和倍频的532nm可见绿光。[0026] 单晶硅太阳能电池板对光吸收效率最高的波长为95Onm，有效范围为3OOnm-llOOnm，卤钨灯发光光谱效率最大的波长为lOOOnm，有效范围为500—2500nm，和单晶硅太阳能电池板的有效吸收范围比较接近，光能吸收效率相比较氙灯和卤素灯要好高。卤钨灯阵列由9只卤钨灯组成，采用3行、3列方式排列，照射面积500*500mm，足够满足太阳能电池板所需光能的要求。[0027] 试验中，9只卤钨灯组成的阵列照射20W18V太阳能电池板，太阳能电池板放在9只卤钨灯组成的阵列正下方，最大输出功率可达14W，电流IA，电压14V，并设计有大功率散热风扇，防止电池板温度过高而损坏，卤钨灯和散热风扇供电为220V交流市电，风扇的风速可调，一般调节到最大充分散热，20W18V太阳能电池板需放置于卤钨灯的正下方。经电路模块为LD栗浦源供电，仔细调节光路测得该激光器对1064nm光的输出阈值为400mW，相对于输入栗浦的斜效率为29.65%,最高2W抽运功率输出475mW激光。经KTP晶体倍频，最高可获得385mW的532nm可见绿光，光-光转化效率为76%，无光照条件下，充满电的蓄电池可保证激光器正常工作在3个小时左右，在此期间激光器功率稳定，性能良好。[0028]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器，其特征在于，所述太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器的光伏发电系统包括:太阳能光伏发电系统和低阈值Nd:YAG激光器；所述太阳能光伏发电系统包括:用于产生电能的太阳能电池板；用于保证蓄电池工作在最佳的状态，延长蓄电池使用寿命的太阳能充电控制器；用于储存和释放太阳能电池板产生的电能的蓄电池；用于将太能电池板产生的不稳定直流电压转换成LD栗浦源所需的稳定直流电压的DCDC电源模块；所述低阈值Nd:YAG激光器包括:用于产生波长为808nm激光的LD栗浦源；用于对栗浦光808nm高透，将栗浦光聚焦到晶体中的准直镜和聚焦透镜系统；用于对808nm高透，对1064nm光高反的平凹栗浦镜；用于将LD栗浦源提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的Nd:YAG激光晶体；用于对1064nm的光部分输出，镀有对1064nm光透过率为5%和对808nm光反射率大于99.9%的介质膜的平面输出镜；用于将1064nm不可见光倍频为532nm可见绿光的KTP晶体。2.如权利要求1所述的太阳能电池板驱动的低阈值NcUYAG激光器，其特征在于，特征在于，所述太阳能电池板设置有卤钨灯阵列；卤钨灯阵列由9只卤钨灯组成，采用3行、3列方式排列。3.如权利要求1所述的太阳能电池板驱动的低阈值Nd:YAG激光器，所述LD栗浦源是波长为808nm光纤耦合输出的半导体激光器；准直透镜的焦距为50mm，聚焦透镜的焦距为10mm;平凹栗浦镜的凹面曲率半径R=150mm，镀有对808nm光高透，透过率大于95%，对1064nm光高反，反射率大于99.8%的介质膜;平面输出镜镀有对106411111光透过率为5%的介质膜。

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