En ny design för en laser som drivs av solljus har avslöjats av forskare i Algeriet och Portugal. Sollasern, som ännu inte har byggts i labbet, förutspås fungera med en högre effektivitet än befintliga system och kan ha många tillämpningar – inklusive ett rymdburet system för att skörda solenergi för användning på jorden.
Användningen av solljus som en pumpkälla för att producera laserljus har undersökts mycket sedan 1960-talet. Nuvarande teknologier kan användas för att producera kostnadseffektiva lasersystem med hög effekt och ljusstyrka.
Många framsteg inom sollasrar har gjorts under det senaste decenniet - men befintliga konstruktioner kan begränsas av deras användning av en enda stor laserstav. Denna stav är förstärkningsmaterialet som producerar laserljus genom energin den får från pumpkällan. Enstavs solsystem tenderar att vara dyra och lider av ojämna temperaturfördelningar i staven, vilket försämrar kvaliteten på strålen den producerar.
Numeriska simuleringar
Detta senaste arbete gjordes av Rabeh Boutaka vid Center for the Development of Advanced Technologies i Alger, Dawei Liang vid NOVA University Lissabon och Abdelhamid Kellou vid University of Science and Technology Houari Boumediene. Trion gjorde numeriska simuleringar för att hjälpa dem att designa en mer optimal sollaseruppställning. Deras föreslagna system skulle fungera i TEM00 optiskt läge: det grundläggande, lägsta ordningens laserläget, där ljusintensiteten som omger strålens centrum följer en enkel Gaussisk fördelning. Teamets design samlar in solljus med hjälp av fyra paraboliska speglar med en total yta på 10 m2.
Solcell fortsätter efter solnedgången
När detta ljus har skördats, riktas det till ett laserhuvud, där det fördelas jämnt mellan fyra sammansmälta kiseldioxidkoncentratorer och ljusledare. Slutligen används ljuset för att samtidigt pumpa fyra laserstavar med liten diameter – med uppställningen som säkerställer att pumpkraften fördelas jämnt mellan stavarna. Som ett resultat undviker designen de begränsningar som termisk linsning ger – en oönskad effekt där temperaturoregelbundenheter i ett optiskt material påverkar ljusets vägar.
Sammantaget beräknade Boutakas team att deras ändringar fördubblade ljusinsamlingseffektiviteten för sollasrar som arbetar i TEM00 läge, vilket resulterar i 1.24 gånger omvandlingseffektiviteten från solljus till laser jämfört med tidigare konstruktioner. Forskarna föreställer sig många potentiella tillämpningar för deras design: inklusive bättre metoder för att övervaka jordens yta och atmosfär med hjälp av satelliter; tillsammans med avlägsnande av rymdskräp och kommunikation i djupa rymden.
Den kanske mest fascinerande tillämpningen är utvecklingen av nya former av solenergiproduktion. Här föreslår Boutaka och kollegor att sollasrar kan fungera i rymden, där solljuset är ungefär dubbelt så starkt som det är på jorden. Laserstrålar skulle kunna avfyras tillbaka till jorden och samlas in av koncentrerade solceller – i en process som är mer effektiv än markbaserad solenergiinsamling.
Forskningen beskrivs i Journal of Photonics for Energy.
