Solar-pumped laser technology

Abstract

In this dissertation are reported technological advancements in solar-pumped lasers and solar energy collection and concentration systems. New insights to improve the overall efficiency and the tracking error stability of solar lasers are presented, demonstrating new possibilities towards a sustainable energy generation and a low carbon industry as a solution for new segments of technology innovation. Significant progresses in solar laser efficiency and tracking error stability were obtained with numerical analysis. ZEMAX© non-sequential ray-tracing and LASCAD© resonant cavity analysis were used to optimize the optical designs and the laser cavity parameters. 38.2 W/m2 multimode solar laser in end-side-pumping configuration was achieved by using a ring-array concentrator (RAC). Dual-rod side-pumping scheme increased the multimode collection efficiency and the solar-to-laser power conversion efficiency to 24.18 W/m2 and 2.88%, respectively. Through the RAC primary concentrator and the dual-rod scheme, 29.06 W/m2 in multimode collection efficiency and 3.06% solar-to-laser power conversion efficiency were obtained. Also, TEM00-mode solar laser was improved with the novel three-folding-mirror laser beam merging technique, reaching 16.10 W/m2 of collection efficiency. Finally, a Nd:YAG dual-rod solar laser prototype was designed and built based on the numerical calculations. Experimental advancements were achieved regarding the solar tracking stability of the solar laser emission, reducing the eventual costs of future solar laser systems. The improvement in solar tracking error width at 10% laser power loss was 3.5 times and 1.5 times in its vertical and horizontal solar laser setups, respectively. Compared with the most efficient experimental single-rod solar laser, tracking error enhancement attained with the dual-rod in its vertical and horizontal setups was 23.3 and 10.0 times, respectively. The solar laser beam merging technique is also presented. The research work performed along this thesis and its results are discussed and future perspectives are finally proposed.

Nesta dissertação são reportados os avanços tecnológicos em lasers de bombeamento solar e coleção e concentração de energia solar. Novos conhecimentos para melhorar a eficiência geral e a estabilidade de seguimento solar de lasers solares são apresentados, demonstrando novas possibilidades em direção à uma geração de energia sustentável e a uma industria de baixo carbono como uma solução para novos segmentos de inovação tecnológica. Progressos significantes em eficiência de laser solar e estabilidade de seguimento solar foram obtidos com análise numérica. ZEMAX© em modo não-sequencial para o traçado de raios e LASCAD© para análise da cavidade ressonante foram usados para otimizar o design ótico e os parâmetros da cavidade ressonante. 38.2 W/m2 de laser solar multimodo com configuração de bombeamento longitudinal-lateral foi conseguido utilizando um concentrador de anéis (CA). O esquema de dois-cristais com bombeamento lateral aumentou a eficiência de coleção e a eficiência de conversão de potência solar-para-laser multimodo para 24.18 W/m2 e 2.88%, respectivamente. Através do CA como concentrador primário e do esquema de dois-cristais, 29.06 W/m2 em eficiência de coleção em multimodo e 3.06% de eficiência de conversão de potência solar-para-laser foram obtidos. Também o laser solar em modo fundamental foi melhorado com a nova técnica de fusão de feixes laser com três-espelhos, atingindo 16.10 W/m2 de eficiência de coleção. Finalmente, um protótipo de laser solar Nd:YAG de dois-cristais foi desenhado e construído baseado nas simulações numéricas. Avanços experimentais foram atingidos em relação à estabilidade de seguimento solar da emissão de laser solar, reduzindo os eventuais custos de futuros sistemas de laser solar. O melhoramento na largura de erro de seguimento solar a 10% de perda de potência laser foi 3.5 vezes e 1.5 vezes nos seus esquemas vertical e horizontal, respectivamente. Comparado com o mais eficiente laser solar experimental de um cristal, a melhoria conseguida no erro de seguimento com o dois-cristais nos seus esquemas vertical e horizontal foi de 23.3 e 10.0 vezes, respectivamente. A técnica de fusão de feixes laser com três espelhos também é apresentada. O trabalho de pesquisa feito ao longo desta tese e os seus resultados são discutidos e futuras perspectivas são finalmente propostas.