为了实现高效的太阳光泵浦系统,有必要设计一种兼具低热冲击和高聚光量的泵浦腔。利用TracePro软件建立菲涅耳透镜、瓶形泵浦腔二级系统,通过优化确定了最佳入窗口径、入窗位置、出窗口径、瓶腰直径、瓶腰位置、晶体棒长。通过理论计算得出了长度为60 mm晶体棒的泵浦阈值功率为4.568 W/m ²,最佳系统结构的输出功率为18.21 W,热透镜焦距为31.0 cm。在与锥形腔的比较中计算得出两种腔形下晶体棒的轴向温度分布曲线,通过对比表明,瓶形腔在减少热冲击和提高抽运光均匀性上具有明显的优势。本文的优化设计为后续实验提供了新思路。

设计了一种阈值较低的太阳光直接抽运的Nd∶YAG固体激光器,采用有效面积为1.03 m ²、焦距为1.2 m的菲涅耳透镜为第1级太阳光会聚装置,分腔水冷型镀金锥形腔为第2级太阳光会聚装置。在液体导光透镜和镀金锥形腔的共同作用下,通过端面、侧面同时抽运直径为5 mm、长度为75 mm的Nd∶YAG螺纹晶体棒,获得了连续稳定的1064 nm激光输出。利用光学设计软件ZEMAX和激光谐振腔仿真软件LASCAD建立理论模型,通过数值模拟验证实验结果并优化系统设计。该太阳光抽运Nd∶YAG固体激光器的激光输出功率最高为31.5 W,收集效率为30.58 W/m ²,激光器阈值功率为102 W,斜率效率为4.25%,太阳光到激光的能量转换效率为3.2%。

设计了太阳光直接抽运1064 nm激光放大器，并实现了太阳光抽运下的激光放大。该激光放大器采用菲涅耳透镜和金属锥型腔相结合的太阳光会聚系统，增益介质为圆盘状Nd∶YAG和Nd/Cr∶YAG晶体。分析了固体激光放大的原理。通过tracePro仿真太阳光会聚系统，计算了增益介质表面的抽运光功率密度。基于Nd∶YAG与Nd/Cr∶YAG的光学与物理参数，用LASCAD仿真了增益介质内部的温度分布，验证了设计的可行性。在太阳辐射功率密度为900 W/m2和种子光最大功率为300 mW的实验条件下，最大激光输出为475.1 mW。对比分析了不同的太阳光会聚系统和不同增益介质的放大实验数据，探讨了后续改进的方向。

为了实现太阳光向激光的转化，设计并搭建了采用两级汇聚系统的实验系统。用菲涅耳透镜作为第1级汇聚系统，以漫反射锥型腔作为第2级汇聚系统，采用Nd∶YAG作为工作物质。在太阳光的入射功率密度大约为950W/m2时，实验最高可得到13.3W的功率输出。用LASCAD软件对谐振腔进行模拟，得到了晶体棒工作时的温度分布和折射率分布；通过改变参量，对系统进行优化，得到了输出功率随腔长和输出镜反射率的变化规律，找到了最佳腔长为142mm，最佳输出镜反射率为91%。结果表明，通过调整腔长和输出镜反射率的大小，找到最佳值，可有效地提高太阳光直接抽运激光器的输出功率。

太阳光抽运激光器中，抽运系统提供的太阳抽运光与激活晶体之间的耦合决定了激光输出的总体效率。使用Tracepro软件，建立了菲涅耳透镜、锥形抽运腔二级抽运系统模型，并对该系统进行优化。通过分析菲涅耳透镜焦斑能量沿轴线的分布，得到了锥形腔入射窗口的口径和窗口距菲涅耳透镜的距离。通过改变锥形抽运腔的腔长和锥度，分析晶体棒轴向抽运功率密度分布，得到了锥形腔的最佳结构，并对镜面反射腔和陶瓷腔进行了详细的介绍。

太阳能是规模最大的可再生能源，为充分利用这一资源，太阳光直接抽运激光器是一种明智的选择。提出并搭建了采用两级会聚系统的太阳光抽运激光器系统。使用菲涅耳透镜作为大口径成像型第一级会聚系统，漫反射锥形聚光腔作为非成像型第二级会聚系统提高入射太阳光到工作物质的耦合效率。采用Nd:YAG晶体作为工作物质，获得了2.85 W的激光输出，从太阳光到激光的转换效率为0.43%。从菲涅耳透镜会聚效率、聚光腔内激光棒轴线上的功率分布等会聚系统方面和激光输出特性方面分析了该太阳光抽运激光器的性能；探讨了转换效率低的原因，并提出了相应的改进措施。

为了研究Cr, Nd∶YAG陶瓷作为太阳光抽运材料的可行性, 采用光纤光谱仪实际测量了太阳光谱及其吸收光谱, 计算了吸收系数曲线, 以及Cr, Nd∶YAG陶瓷吸收谱与太阳光谱的匹配程度, 并在一定假设条件下, 计算了介质的阈值抽运功率密度。结果表明, Cr, Nd∶YAG陶瓷在可见光和近红外波段具有较宽的吸收带, 其各个吸收带的总能量占太阳常数的38-44%, 达到了很高的光谱匹配程度, 证实了Cr, Nd∶YAG陶瓷是太阳光抽运激光器工作物质的理想选择。

太阳光直接抽运的激光器以太阳光为抽运源, 直接将太阳光转化为激光。介绍了国内外太阳光直接抽运激光器的研究状况。从太阳光到激光的转换效率论述了太阳光直接抽运激光器的应用优势; 回顾了太阳光直接抽运的各类激光器的研究历史, 按太阳光汇聚方式对太阳光直接抽运的固体激光器进行了归类分析, 对太阳光直接抽运的激光器发展进行了预测。

探讨了适合太阳光抽运的固体激光器工作物质的选择方法,并分析了几种备选工作物质的性质。用Matlab对太阳光谱的现有数据进行了三次样条插值运算,建立了太阳光谱的局部精细离散化模型,并结合红宝石、Nd∶YAG、Yb∶YAG、Nd∶YVO4、Cr∶Nd∶GSGG、掺Nd3+的光学陶瓷和掺Yb3+的石英光纤等激光介质的吸收光谱,进行了太阳光谱与激光介质吸收谱的匹配分析。得出各激光介质所吸收的能量占太阳常量的百分比分别为24.51%,15.98%,2.35%,6.46%,43.91%,15.98%,7.63%。并在一定假设条件下,计算了各介质的阈值抽运功率体密度。综合以上激光介质的材料热特性,选取对太阳光吸收较多,阈值低且热特性好的Nd∶YAG,掺Nd3+光学陶瓷,Cr∶Nd∶GSGG为较适合的太阳光抽运激光工作物质。

分析了光抽运(其中包括太阳光抽运)富勒烯-氧碘激光器(FOIL)的可行性.分子氧与三重亚稳态富勒烯(低阶和高阶的)混合物相互作用形成单态氧.而三重亚稳态是光照射富勒烯时产生的.光动力学模型评估结果表明,太阳光抽运的富勒烯-氧碘激光器效率可达百分之几十.报导了光抽运与溶液中的富勒烯相互作用时单态氧产额的实验和理论研究结果.使用波长532nm的激光和模拟太阳光的氙灯宽带辐射作为光抽运源.