Een nieuw ontwerp voor een laser die wordt aangedreven door zonlicht is onthuld door onderzoekers in Algerije en Portugal. De zonnelaser, die nog in het laboratorium moet worden gebouwd, zal naar verwachting met een hoger rendement werken dan bestaande systemen en zou talloze toepassingen kunnen hebben, waaronder een systeem in de ruimte voor het oogsten van zonne-energie voor gebruik op aarde.
Het gebruik van zonlicht als pompbron voor het produceren van laserlicht wordt sinds de jaren zestig op grote schaal onderzocht. De huidige technologieën kunnen worden gebruikt om kosteneffectieve lasersystemen met een hoog vermogen en helderheid te produceren.
De afgelopen tien jaar zijn er talloze vorderingen gemaakt op het gebied van zonnelasers, maar bestaande ontwerpen kunnen worden beperkt door het gebruik van één enkele grote laserstaaf. Deze staaf is het versterkingsmateriaal dat laserlicht produceert door de energie die het van de pompbron verkrijgt. Zonnesystemen met één staaf zijn vaak duur en hebben last van ongelijkmatige temperatuurverdelingen binnen de staaf, waardoor de kwaliteit van de straal die ze produceren afneemt.
Numerieke simulaties
Dit laatste werk is gedaan door Rabeh Boutaka van het Centrum voor de Ontwikkeling van Geavanceerde Technologieën in Algiers, Dawei Liang aan de NOVA Universiteit Lissabon en Abdelhamid Kellou aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie Houari Boumediene. Het trio voerde numerieke simulaties uit om hen te helpen een optimalere zonnelaseropstelling te ontwerpen. Hun voorgestelde systeem zou in de TEM werken00 optische modus: de fundamentele lasermodus van de laagste orde, waarbij de intensiteit van het licht rond het midden van de straal een eenvoudige Gaussiaanse verdeling volgt. Het ontwerp van het team verzamelt zonlicht met behulp van vier parabolische spiegels met een totale oppervlakte van 10 mXNUMX2.
Zonnecel gaat door na zonsondergang
Zodra dit licht is geoogst, wordt het naar een laserkop geleid, waar het gelijkmatig wordt verdeeld over vier geconcentreerde silica-concentrators en lichtgeleiders. Ten slotte wordt het licht gebruikt om tegelijkertijd vier laserstaven met een kleine diameter te pompen – waarbij de opstelling ervoor zorgt dat het pompvermogen gelijkmatig over de staven wordt verdeeld. Als resultaat hiervan vermijdt het ontwerp de beperkingen die thermische lensvorming met zich meebrengt – een ongewenst effect waarbij temperatuuronregelmatigheden in een optisch materiaal de banen van het licht beïnvloeden.
Alles bij elkaar berekende het team van Boutaka dat hun wijzigingen de efficiëntie van het opvangen van licht verdubbelden van zonnelasers die in de TEM werken.00 modus, wat resulteert in 1.24 maal de conversie-efficiëntie van zonlicht naar laser ten opzichte van eerdere ontwerpen. De onderzoekers voorzien talloze potentiële toepassingen voor hun ontwerp: inclusief betere methoden voor het monitoren van het aardoppervlak en de atmosfeer met behulp van satellieten; samen met de verwijdering van ruimteschroot en communicatie in de diepe ruimte.
Misschien wel de meest fascinerende toepassing is de ontwikkeling van nieuwe vormen van zonne-energieproductie. Hier stellen Boutaka en collega's voor dat zonnelasers in de ruimte zouden kunnen werken, waar het zonlicht ongeveer twee keer zo sterk is als op aarde. Laserstralen kunnen terug naar de aarde worden afgevuurd en worden opgevangen door geconcentreerde zonnecellen – in een proces dat efficiënter is dan het verzamelen van zonne-energie op de grond.
Het onderzoek staat beschreven in de Journal of Photonics voor energie.
