Một thiết kế mới cho tia laser chạy bằng ánh sáng mặt trời đã được các nhà nghiên cứu ở Algeria và Bồ Đào Nha công bố. Tia laser mặt trời, vẫn chưa được chế tạo trong phòng thí nghiệm, được dự đoán sẽ hoạt động với hiệu suất cao hơn các hệ thống hiện có và có thể có nhiều ứng dụng – bao gồm cả hệ thống sinh ra trong không gian để thu năng lượng mặt trời để sử dụng trên Trái đất.

Việc sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn bơm để tạo ra ánh sáng laser đã được khám phá rộng rãi từ những năm 1960. Các công nghệ hiện tại có thể được sử dụng để sản xuất các hệ thống laser tiết kiệm chi phí với công suất và độ sáng cao.

Nhiều tiến bộ trong laser mặt trời đã được thực hiện trong thập kỷ qua – nhưng các thiết kế hiện tại có thể bị hạn chế do sử dụng một thanh laser lớn duy nhất. Thanh này là vật liệu khuếch đại tạo ra ánh sáng laze thông qua năng lượng mà nó thu được từ nguồn bơm. Các hệ thống năng lượng mặt trời một thanh có xu hướng đắt tiền và chịu sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong thanh, điều này làm giảm chất lượng của chùm tia mà nó tạo ra.

Mô phỏng số

Công việc mới nhất này được thực hiện bởi Rabeh Boutaka tại Trung tâm Phát triển Công nghệ Tiên tiến ở Algiers, Đại Vĩ Lương tại Đại học NOVA Lisbon và Abdelhamid Kellou tại Đại học Khoa học và Công nghệ Houari Boumediene. Bộ ba đã thực hiện các mô phỏng số để giúp họ thiết kế một hệ thống laser mặt trời tối ưu hơn. Hệ thống đề xuất của họ sẽ hoạt động trong TEM₀₀ chế độ quang học: chế độ laser cơ bản, bậc thấp nhất, trong đó cường độ ánh sáng bao quanh tâm chùm tia tuân theo phân bố Gaussian đơn giản. Thiết kế của nhóm thu thập ánh sáng mặt trời bằng bốn gương parabol với tổng diện tích 10 m².

Khi ánh sáng này đã được thu hoạch, nó sẽ được dẫn tới một đầu laze, nơi nó được phân bố đều giữa bốn bộ tập trung silica nung chảy và các thanh dẫn ánh sáng. Cuối cùng, ánh sáng được sử dụng để bơm đồng thời bốn thanh laser có đường kính nhỏ – với cách thiết lập đảm bảo rằng công suất bơm được phân bổ đều giữa các thanh. Do đó, thiết kế tránh được những hạn chế do thấu kính nhiệt gây ra – một hiệu ứng không mong muốn theo đó sự bất thường về nhiệt độ trong vật liệu quang học ảnh hưởng đến đường đi của ánh sáng.

Nhìn chung, nhóm của Boutaka đã tính toán rằng những thay đổi của họ đã tăng gấp đôi hiệu suất thu ánh sáng của các tia laser mặt trời hoạt động trong TEM₀₀ dẫn đến hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành tia laser cao gấp 1.24 lần so với các thiết kế trước đó. Các nhà nghiên cứu dự kiến ​​nhiều ứng dụng tiềm năng cho thiết kế của họ: bao gồm các phương pháp tốt hơn để theo dõi bề mặt và bầu khí quyển của Trái đất bằng vệ tinh; cùng với việc loại bỏ các mảnh vỡ không gian và thông tin liên lạc trong không gian sâu.

Có lẽ ứng dụng hấp dẫn nhất là sự phát triển của các hình thức sản xuất năng lượng mặt trời mới. Ở đây, Boutaka và các đồng nghiệp đề xuất rằng tia laser mặt trời có thể hoạt động trong không gian, nơi ánh sáng mặt trời mạnh gấp đôi so với trên Trái đất. Các chùm tia laser có thể được bắn trở lại Trái đất và được thu thập bởi các tế bào năng lượng mặt trời tập trung – trong một quy trình hiệu quả hơn so với việc thu thập năng lượng mặt trời trên mặt đất.

Nghiên cứu được mô tả trong Tạp chí Photonics cho năng lượng.