US Patent 3,297,958 for a "Solar pumped laser" issued in 1967

8/17/2019 US Patent 3,297,958 for a "Solar pumped laser" issued in 1967.

1/5

Jan.

10,1967

M , wEmER

3,297,958

SOLAR

PUMPED LASER

Filed

J a n .

2 3 ,

1963

I O

H I ?

HG. \ IMAGE \NONJMAGE

SOLAR

FORMING

‘

FORMING

_

SYSTEM

ENERGY‘ CONVERGENT CONVERGENT

' APPLICATION

LENS

LENS

GA

6 . ;

E / V I / E L OPE

VACUUM

IN

VENTOR.


2/5

United S t a t e s P a t e n t

0

l

3 , 2 9 7 , 9 5 8

SOL R

PUMPED LASER

M e l v i n W e i n e r , 5 4

H a r v a r d A v e . ,

B r o o k l i n e , M a s s . 0 2 1 4 6

F i l e d

J a n .

2 3 ,

1 9 6 3 , S e r . N o . 2 5 3 , 4 6 6

1

C l a i m .

( C l . 3 3 1 — - 9 4 . 5 )

T h i s i n v e n t i o n r e l a t e s t o s o l a r c o n c e n t r a t o r s and t o

s y s t e m s w h i c h u t i l i z e h i g h

i n t e n s i t y

s o l a r e n e r g y . I n

p a r

t i c u l a r ,

t h i s i n v e n t i o n

r e l a t e s

t o

s u c h

s o l a r p o w e r e d s y s

t e m s

a s o p t i c a l m a s e r s ,

h i g h t e m p e r a t u r e f u r n a c e s , a n d

t h e r m i o n i c

c o n v e r t o r s .

The most

c o m m o n t y p e

o f s o l a r c o n c e n t r a t o r s

f o r s u c h

s y s t e m s

c o n s i s t s

o f a p a r a b o l o i d a l r e ? e c t o r w i t h t h e s o l a r

e n e r g y

c o n c e n t r a t e d

a t

t h e f o c a l

p l a n e o f

t h e r e ? e c t o r .

Another

t y p e o f c e n c e nt r a t o r

o f t e n

u s e d

i s a s p h e r i c a l

r e ? e c t o r w h i c h , a l t h o u g h i t h a s l e s s p o t e n t i a l

c o n c e n t r a t

i n g

p o w e r

t h a n

a

p a r a b o l o i d a l

r e ? e c t o r ,

i s

a d v a n t a g e o u s

when t h e

a x i s

o f t h e r e ? e c t o r

i s

n o t

a l w a y s p o i n t e d i n

t h e

d i r e c t i o n o f

t h e

s u n . Other t y p e s o f c o n c e n t r a t o r s may

c o n s i s t

o f m u l t i p l e r e ? e c t o r s

s u c h

a s

i n

a C a s s e g r a i n i a n o r

Newtonian o p t i c a l

s y s t e m a n d e a c h

r e ? e c t o r may

h a v e

a x i a l

c r o s s - s e c t i o n s w h i c h a r e a p p r o x i m a t e l y p a r a b o l i c ,

c y l i n d r i c a l ,

h y p e r b o l i c , e l l i p t i c a l

o r c o m b i n a t i o n s o f t h e s e

s h a p e s . 1 One p a r t i c u l a r l y p r o p e r t y

s h a r e d

b y

t h e s e

c o n

c e n t r a t o r s i s t h a t t h e y a r e a l l i m a g e

f o r m i n g ;

i . e . , e x c e p t

f o r

s p h e r i c a l a b e r r a t i o n

a n d

coma, t h e r e

i s a

one

t o

one

c o r r e s p o n d e n c e between an

o b j e c t

p o i n t on t h e s u n ’ s

s o l a r

d i s k t o a n image p o i n t a t t h e f o c a l p l a n e o f t h e

c o n c e n t r a t o r . T h e r e f o r e , t h e s o l a r

e n e r g y

i n t e n s i t y a t t h e

f o c a l

p l a n e o f t h e s e c o n c e n t r a t o r s i s n o t

u n i f o r m

and i s

u s u a l l y

d e s c r i b e d a s h a v i n g

a “ b e l l - s h a p e d ” d i s t r i b u t i o n

o f

e n e r g y i n t e n s i t y .

S t i l l

o t h e r t y p e s o f s o l a r c o n c e n t r a t o r s a r e n o n - i m a g e

f o r m i n g

a n d h a v e b e e n

r e p o r t e d

p r e v i o u s l y . 2 3 T h e s e

t y p e s

o f c o n c e n t r a t o r s

have c o n s i s t e d

o f t r u n c a t e d

c o n i c a l

r e ? e c t o r s o r t r u n c a t e d p y r a m i d a l r e ? e c t o r s whose r e ? e c t

i n g s i d e s a r e on t h e i n n e r s u r f a c e . A f t e r ma ny

r e ? e c t i o n s ,

t h e

s o l a r

e n e r g y

i s


a t t h e

s m a l l e r b a s e

o f t h e

t r u n c a t e d r e ? e c t o r

and

i s

e s s e n t i a l l y u n i - f o r m

o v e r

i t s

a r e a .

However, a s o l a r

c o n c e n t r a t o r

i s n o t

o n l y c h a r a c t e r

i z e d by t h e

d i s t r i b u t i o n

o f s o l a r e n e r g y a t i t s

f o c a l

p l a n e

b u t a l s o b y t h e m a g n i t u d e o f t h e s o l a r e n e r g y i n t e n s i t y

a t

i t s f o c a l

p l a n e . I f

A I ,

i s t h e

a p e r t u r e a r e a o f

a

s o l a r con

c e n t r a t o r ,

A, i s t h e a r e a o f t h e f o c a l p l a n e i n w h i c h a l l t h e

n o n - a b s o r b e d

i n c i d e n t

e n e r g y

i s

c o n c e n t r a t e d , a n d T

s

t h e f r a c t i o n o f

e n e r g y

n o t

a b s o r b e d

‘ b y

l o s s e s i n

t h e

con

c e n t r a t o r s y s t e m , t h e n i t

can

be show n t h a t t h e concen

t r a t i n g

power

g i v e n b y

Ap-T/At

f o r a n y


c a n

n e v e r v b e mor e t h a n

n2w(1—w/41r)/9

where n i s t h e i n

d e x

o f r e f r a c t i o n o f

t h e

c o n c e n t r a t i n g medium,

t o

i s t h e

s o l i d a n g l e o f

s o l a r

e n e r g y a t t h e

f o c a l p l a n e

o f t h e c o n —

c e n t r a t o r , and Q i s t h e

s o l i d

a n g l e s u b t e n d e d

b y

t h e s u n

a t t h e

a p e r t u r e o f

t h e c o n c e n t r at o r .

The

s o l i d

a n g l e 9

i s

approximately 0 . 6 8 X 0 - 4 s t e r a d i a n s f o r a c o n c e n t r a t o r on

t h e

e a r t h ’ s

s u r f a c e .

The m a x i m u m

p o t e n t i a l c o n c e n t r a t

i n g

power t h a t c a n be a t t a i n e d ‘ b y

a n y

s o l a r c o n c e n t r a t o r

on

e a r t h

i s a p p r o x i m a t e l y 4 6 , 0 0 0 n 2 c o r r e s p o n d i n g t o a

s o l i d a n g l e o f ‘ e n e r g y c o l l e c t i o n o f w=21r s t e r a d i a n s .

T h e r e f o r e , i n a d d i t i o n

t o t h e


o f s o l a r e n e r g y

a t i t s

f o c a l p l a n e ,

a s o l a r c o n c e n t r a t o r

i s a l s o

c h a r a c t e r

i z e d

b y

i t s

c o n c e n t r a t i n g

power

o r

i t s


e ? i

c i e n c y g i v e n b y ( A p - T / A t ) / 4 6 , 0 0 0 n 2 ) .

Of t h e image

f o r m i n g

t y p e s o f

s o l a r

c o n c e n t r a t o r s

m e n

t i o n e d a b o v e ,

t h e


r e ? e c t o r

i s

t h e

most com

m o n l y u s e d b e c a u s e o f i t s h i g h p o t e n t i a l c o n c e n t r a t i n g

p o w e r . The

f r a c t i o n

o f

e n e r g y

T r a n s m i t t e d

t o i t s f o c a l

p l a n e

i s a p p r o x i m a t e l y 0 . 9

a s s u m i n g

a n a b s o r p t i o n

l o s s

o f

0 . 1 f o r a s i n g l e r e ? e c t i o n a t i t s r e ? e c t o r s u r f a c e .

For

maximum

c o n c e n t r a t i n g p o w e r ,

d e t e r m i n e d L b y

d e s i g n i n g

1 5

20

30

35

40

45

55

60

65

7 0

3 , 2 9 7 , 9 5 8

P a t e n t e d

J a n . 1 0 ,

i 9 6 7

2

t h e s o l i d

a n g l e

0 1 t o be e q u a l t o 1 1 s t e r a d i a n s

s o

t h a t s p h e r i

c a l

a b e r r a t i o n

and

coma

a r e n o t t o o e x c e s s i v e , t h e c o r r e ~

s p o n d i n g c o n e a n g l e

o f

e n e r g y

c o l l e c t i o n

a t

t h e f o c a l

p l a n e

i s 1 2 0 d e g r e e s . The c o n c e n t r a t i n g p o w e r f o r s u c h

a

p a r a b o l o i d

‘ i s a p p r o x i m a t e l y 1 7 , 5 0 0 w i t h a c o r r e s p o n d

i n g c o n c e n t r a t i n g

e f f i c i e n c y

o f

0 . 3 7 8 .

A t e c h n i q u e

t h a t

h a s

b e e n

u s e d t o i n c r e a s e t h e con

c e n t r a t i n g p o w e r o f i m a g e f o r m i n g t y p e s o f c o n ce n t r a t o r s

h a s

b e e n

t h e

u s e o f

“ i m m e r s i o n o p t i c s ” i n

w h i c h

t h e

t a r g e t

t o

b e

i l l u m i n a t e d

i s

immersed i n a n

a p p r o x i m a t e l y

s p h e r i

c a l s h a p e d t r a n s p a r e n t

medium

o f i n d e x o f r e f r a c t i o n n

g r e a t e r

than o n e . Such

a t e c h n i q u e

a l l o w s t h e

u s e

o f a

p a r a b o l o i d

o f l o n g e r

f o c a l

l e n g t h

w i t h

l e s s

s p h e r i c a l a b e r

r a t i o n a n d coma w i t h o u t r e d u c i n g t h e s o l i d a n g l e o f l i g h t

c o l l e c t i o n 0 : . Immersion o p t i c s a l s o

i n c r e a s e t h e

p o t e n

t i a l c o n c e n t r a t i n g p o w e r b y r e d u c i n g t h e

e f f e c t i v e s o l i d

a n g l e o f

s o l a r

e n e r g y 9 a t t h e a p e r t u r e o f t h e c o n c e n t r a t o r .

I n

c o n t r a s t ,

t h e

n o n - i m a g e f o r m i n g

c o n c e n t r a t o r s r e

p o r t e d

p r e v i o u s l y

2 3 have

v e r y

low


powers

because most o f t h e energy

i s

absorbed a f t e r s e v e r a l r e

? e c t i o n s . Even i f t h e power a b s o r b e d were n e g l i g i b l e ,

t h e

a x i a l l e n g t h o f t h e c o n c e n t r a t o r s r e q u i r e d f o r optimum


p o w e r

i s

t o o

l o n g f o r p r a c t i c a l

c o n s t r u c t i o n .

I n

summary,

t h e

p r i o r

a r t

o f s o l a r

c o n c e n t r a t o r s

h a s

a c h i e v e d e i t h e r h i g h


powers w i t h

a

non

uniform

d i s t r i b u t i o n o f s o l a r e n e r g y a t t h e f o c a l p l a n e o r

l o w

c o n c e n t r a t i n g p o w e r s w i t h a h i g h l y

u n i f o r m d i s t r i b u

t i o n

o f

s o l a r

e n e r g y

t

t h e f o c a l p l a n e .

The c h i e f o b j e c t s o f

t h e

i n v e n t i o n d e s c r i b e d h e r e i n

a r e

A o l a r c o n c e n t r a t o r w i t h s u b s t a n t i a l l y g r e a t e r

c o n c e n

t r a t i n g

p o w e r t h a n t h a t o b t a i n e d b y p a r a b o l o i d a l

r e ? e c

t o r s o f t h e same m e c h a n i c a l

t o l e r a n c e s

o f

c o n s t r u c t i o n ;

A

o l a r


w h i c h

s i m u l t a n e o u s l y p r o v i d e s

a

h i g h l y

u n i f o r m d i s t r i b u t i o n o f

s o l a r

e n e r g y a t

t h e f o c a l

p l a n e ; a n d

A

o l a r

c o n c e n t r a t o r s y s t e m w i t h g r e a t e r o p e r a t i n g

e f

? c i e n c y

d e r i v e d f r o m t h e u t i l i z a t i o n

o f

h i g h e r

i n t e n s i t y ,

more u n i f o r m l y

d i s t r i b u t e d s o l a r e n e r g y

w i t h

p a r t i c u l a r

a p p l i c a t i o n

t o

o p t i c a l m a s e r s ,

h i g h

t e m p e r a t u r e f u r n a c e s ,

and t h e m i o n i c c o n v e r t o r s .

The

a b o v e o b j e c t s a r e r e a l i z e d i n an embodiment

o f

t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n ,

w h e r e i n

i n c i d e n t

s o l a r e n e r g y i s con

c e n t r a t e d b y a compound o p t i c a l s y s t e m c o n s i s t i n g o f a n

i m a g e

f o r m i n g c o n v e r g e n t l e n s o f medium f /

number

a n d

a n o n - i m a g e

f o r m i n g

c o n v e r g e n t

l e n s o f l o w f / n u m b e r .

The i m a g e f o r m i n g l e n s

c o n c e n t r a t e s

t h e s o l a r e n e r g y

t o a small area

with

l i t t l e s p h e r i c a l

a b e r r a t i o n

or coma.

T h e

n o n - i m a g e f o r m i n g

l e n s ,

\ w h o s e a p e r t u r e

i s

l o c a t e d

a t

t h e f o c a l

p l a n e o f

t h e i m a g e f o r m i n g

l e n s ,

c o n c e n

t r a t e s

t h e


s o l a r energy t o a s t i l l s m a l l e r

a r e a r

b y

a

p r o c e s s o f

m u l t i p l e r e ? e c t i o n s

w i t h

l i t t l e

t r a n s m i s s i o n

l o s s . The r e s u l t i n g s o l a r

e n e r g y a t

t h e f o c a l p l a n e o f t h e

n o n - i m a g e f o r m i n g l e n s

i s

t h e n u t i l i z e d f o r

s u c h

s o l a r

p o w e r e d a p p l i c a t i o n s a s o p t i c a l

m a s e r s , h i g h

t e m p e r a t u r e

f u r n a c e s ,

a n d

t h e m i o n i c

c o n v e r t e r s .

More

p a r t i c u l a r l y , o n e

s p e c i ? c embodiment

o f

t h e

p r e s —

e n t

i n v e n t i o n

c o n s i s t s

o f a p a r a b o l o i d a l r e ? e c t o r

s e r v i n g

a s

t h e i m a g e

f o r m i n g l e n s w i t h a n a p p r o x i m a t e f/number

o f ( f / 1 . 0 ) ,

a t r u n c a t e d

c o n e o f t r a n s p a r e n t d i e l e c t r i c

m a t e r i a l s u c h

a s

s a p p h i r e s e r v i n g a s

t h e n o n - i m a g e

form

i n g l e n s w i t h a n a p p r o x i m a t e f / n u m b e r

o f ( f / 0 . 3 5 ) , a n d

t h e s y s t e m u t i l i z a t i o n o f

t h e

r e s u l t i n g c o n c e n t r a t e d

s o l a r

e n e r g y

a t

t h e s m a l l e r

end

o f t h e t r u n c a t e d c o n e .

The

a b o v e s p e c i ? c i l l u s t r a t i v e e m b o d i m e n t o f

t h e

p r e s

e n t i n v e n t i o n i s p a r t i c u l a r l y w e l l

s u i t e d

f o r

o p t i c a l

m a s e r

( l a s e r ) a p p l i c a t i o n .

For

o p t i c a l

m a s e r a p p l i c a t i o n ,

a

n e g a t i v e

t e m p e r a t u r e medium i n w h i c h s t i m u l a t e d e m i s

1 W .

A .

Baum a n d J .

P .

S t r o n g ,

S o l a r

Furnace Support

S t u d i e s , AFMDC TR 58-7 ( a l s o AD

8 5 0 1 4 ) ,

p p . - 5 7 — 8 8 , 1 - 9 5 8 .

2 W.

C u l v e r , US. Patent

2 9 4 , 1 1 7 , F e b .

2 6 , 1 8 8 4 .

1 9 7 3 ? . G . E n e a s , U . S . P a t e n t s ‘ 6 7 0 , 9 1 6 a n d 6 7 0 , 9 1 7 , M a r . 2 6 ,


3/5

3 , 2 9 7 , 9 5 8

3

s i o n

o f

r a d i a t i o n

can

o c c u r ,

s u c h a s chromium doped

s a p p h i r e ( r u b y ) , i s mated t o t h e s m a l l e r end o f t h e t r u n

c a t e d cone

s o t h a t t h e


s o l a r e n e r g y i s t r a n s

r n i t t e d t o

t h e n e g a t i v e

t e m p e r a t u r e medium.

The

g e o

m e t r i c a l

c o n ? g u r a t i o n

o f t h e n e g a t i v e

t e m p e r a t u r e m e d i

um,

a mon g

o t h e r

p o s s i b l e

c o n ? g u r a t i o n s ,

c a n b e w a f e r

s h a p e d

w i t h ? a t t e n e d

p a i r s

o f

p a r a l l e l

e d g e s s o

t h a t h i g h l y

c o h e r e n t

and d i r e c t i o n a l

l i g h t beams

a r e

e m i t t e d

i n a

p l a n e p e r p e n d i c u l a r t o t h e a x i s o f t h e

compound

o p t i c a l

s y s t e m

o r

t h e m e d i u m can be

rod

shaped s o t h a t a

h i g h l y

c o h e r e n t and d i r e c t i o n a l l i g h t

b eam

i s e m i t t e d a l o n g t h e

a x i s o f t h e compound o p t i c a l s y s t e m . The a b o v e i l l u s

t r a t i v e

embodiment

o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n a c h ie v e s

a n

o p t i c a l pumping

power

o f h i g h e r i n t e n s i t y

a n d

g r e a t e r

u n i f o r m i t y

t h a n

p r e v i o u s l y a c h i e v e d a n d a l l o w s f o r

e f

? c i e n t

c o n t i n u o u s

w a v e

o p e r a t i o n o f

an o p t i c a l m a s e r .

O p t i c a l

m a s e r a p p l i c a t i o n i s p a r t i c u l a r l y w e l l s u i t e d t o

t h e

a b o v e embodiment b e c a u s e , i n

t h e

p r o c e s s o f a m p l i

? c a t i o n b y

s t i m u l a t e d

e m i s s i o n ,

v e r y l i t t l e o f

t h e i n c i d e n t

s o l a r e n e r g y i s c o n v e r t e d

t o

h e a t which i f e x c e s s i v e c o u l d

c a u s e

d e t e r i o r a t i o n

o f

t h e

m e c h a n i c a l

and

o p t i c a l

prop

e r t i e s o f t h e t r u n c a t e d

c o n e .

D e t e r i o r a t i o n o f t h e m e c h a n i c a l

a n d

o p t i c a l p r o p e r t i e s

o f t h e t r u n c a t e d c o n e , c a u s e d b y e x c e s s i v e h e a t i n g , i s

a

p o t e n t i a l l y s e r i o u s l i m i t a t i o n

o f

t h e above

s p e c i ? c

em

b o d i m e n t f o r

a p p l i c a t i o n s i n

w h i c h

h i g h

t e m p e r a t u r e s

a r e generated

such

a s i n f u r n a c e s and

thermionic

con

v e r t o r s .

N e v e r t h e l e s s , a t

t e m p e r a t u r e s below t h e m e l t

i n g p o i n t o f t h e t r u n c a t e d c o n e ,

o n e

a d v a n t a g e o f t h e

a b o v e s p e c i ? c

embodiment

i s

t h a t l a r g e r m e c h a n i c a l

t o l

e r a n c e s can b e

t o l e r a t e d

i n t h e p a r a b o l o i d a l r e ? e c t o r t o

a t t a i n t h e

same

t e m p e r a t u r e a s t h a t o f a s o l e p a r a b o l o i d a l

r e ? e c t o r

o f

c l o s e r

m e c h a n i c a l

t o l e r a n c e s . A e c o n d a d

v a n t a g e

i s t h e

h i g h l y

u n i f o r m

d i s t r i b u t i o n o f t e m p e r a t u r e

a t

t h e

h e a t e d

t a r g e t . For t e m p e r a t u r e s t o a p p r o x i m a t e l y

3 5 0 0

d e g r e e s

c e n t i g r a d e ,

t h e

a b o v e

s p e c i ? c

e m b o d i m e n t

can be

modi?ed

t o u t i l i z e a t r u n c a t e d

c o n i c a l

m e t a l l i c

r e ? e c t o r i n s t e a d

o f a t r u n c a t e d

d i e l e c t r i c cone s o t h a t

t h e

h e a t e d m a t e r i a l need

n o t

come i n p h y s i c a l c o n t a c t

with

t h e c o n i c a l r e ? e c t o r . T h i s m o d i ? e d e m b o d i m e n t , d e s p i t e

i t s g r e a t e r s o l i d a n g l e o f e n e r g y c o l l e c t i o n and

l e s s

a b e r

r a t i o n , i s l i m i t e d t o

a t t a i n i n g

t h e same

a p p r o x i m a t e

tem

p e r a t u r e a s

t h a t o f

a

s o l e

p a r a b o l o i d a l c o n c e n t r a t o r b e

c a u s e o f l a r g e r r e ? e c t i o n l o s s e s . However, u n l i k e

t h e

s o l e p a r a b o l o i d a l

c o n c e n t r a t o r ,

t h e modi?ed embodiment

o f

t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n

p r o d u c e s a

h i g h l y

u n i f o r m d i s

t r i b u t i o n

o f t e m p e r a t u r e a t

t h e h e a t e d

t a r g e t .

For

t e m _

p e r a t u r e s

s u b s t a n t i a l l y

g r e a t e r t h a n

3 5 0 0

d e g r e e s

c e n t i

g r a d e , t h e unmodi?ed s p e c i ? c e m b o d i m e n t o f t h e p r e s e n t

i n v e n t i o n ,

c a n

b e u t i l i z e d b u t w i t h r e s t r i c t e d

o p e r a t i o n .

F u r n a c e s

and t h e r m i o n i c c o n v e r t o r s o p e r a t i n g a t t h e s e

h i g h

i n s t a nt a n e o u s t e m p e r a t u r e s a r e r e s t r i c t e d t o o p e r a t e

o v e r s h o r t

i n t e r v a l s o f

t i m e s o

t h a t t h e a v e r a g e

h e a t i n g

d o e s n o t c a u s e

e x c e s s i v e d e t e r i o r a t i o n o f

t h e t r u n c a t e d

cone .

For some a p p l i c a t i o n s s u c h a s

t h e m o e l e c t r i c

g e n e r

a t o r s , p h o t o e l e c t r o - g e n e r a t o r s , a n d h e a t e x c h a n g e r s ,

t h e

d e s i r e d

c o n c e n t r a t i n g power may

b e d i f f e r e n t

f o r

e a c h o f

t h e

two c r o s s - s e c t i o n s .

For s u c h

a p p l i c a t i o n s ,

t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n n e e d

n o t

h a v e

g e o m e t r i c

symmetry a b o u t i t s

l o n g i t u d i n a l a x i s b u t may

h a v e

c o r r e s p o n d i n g l y d i f f e r e n t

c r o s s - s e c t i o n s .

F u r t h e r m o r e ,

t h e i m a g e f o r m i n g l e n s o f t h e p r e s e n t i n

v e n t i o n need

n o t

b e r e s t r i c t e d t o a

p a r a b o l i c r e ? e c t o r b u t

may b e a n y

i m a g e

f o r m i n g c o n v e r g e n t l e n s p o s s e s s i n g me

dium f / number w i t h m i n i m a l

s p h e r i c a l a b e r r a t i o n ,

c o m a ,

and t r a n s m i s s i o n

l o s s .

F u r t h e r m o r e , t h e n o n - i m a g e f o r m i n g l e n s

o f t h e p r e s e n t

i n v e n t i o n

need n o t have a

t r u n c a t e d

c o n i c a l c r o s s - s e c t i o n

b u t c a n h a v e a n y

monotonic

d e c r e a s i n g

c r o s s - s e c t i o n

w i t h

an a x i a l l e n g t h

a t

l e a s t a s long a s t h a t o f a t r u n c a t e d c o n e .

The

f e a t u r e s

o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n a r e

v b e t t e r

under

s t o o d from t h e f o l l o w i n g

more

d e t a i l e d d i s c u s s i o n

t a k e n

i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e a c c o m p a n y i n g d r a w i n g ,

i n w h i c h :

FIG.

1 i s a

b l o c k diagram o f a s o l a r

c o n c e n t r a t o r s y s

10

1 5

25

30

35

4 - 0

45

50

55

60

7 0

7 5

4

t e r n i l l u s t r a t i v e l y

e m b o d y i n g

a s p e c t s

o f t h e p r i n c i p l e s o f

t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n ;

FIG. 2

i s an

a x i a l

c r o s s - s e c t i o n o f

a

s o l a r


s y s t e m made i n a c c o r d a n c e w i t h p r i n c i p l e s o f t h e p r e s e n t

i n v e n t i o n ;

FIG.

3 a i s

an

a x i a l


o f a

s o l a r powered o p

t i c a l m a s e r , u t i l i z i n g w a f e r s h a p e d n e g a t i v e t e m p e r a t u r e

m a t e r i a l ,

made

i n a c c o r d a n c e w i t h

p r i n c i p l e s

o f t h i s i n

v e n t i o n ;

FIG. 3 b i s a p e r s p e c t i v e v i e w o f t h e

w a f e r

s h a p e d ma

t e r i a l o f

F I G . 3 a ;

FIG. 4a i s a n a x i a l c r o s s - s e c t i o n o f

a

s o l a r powered op

t i c a l m a s e r ,

u t i l i z i n g a r o d

s h a p e d n e g a t i v e


m a t e r i a l , made

i n a c c o r d a n c e w i t h p r i n c i p l e s o f t h i s i n

v e n t i o n ;

FIG.

4 b i s

a

p e r s p e c t i v e

v i e w o f

t h e

r o d

s h a p e d

ma

t e r i a l

o f

F I G .

4 a ;

FIG.

5

i s an

a x i a l


o f a

modi?ed s o l a r con

c e n t r a t o r s y s t e m made i n

a c c o r d a n c e

w i t h

p r i n c i p l e s

o f

t h i s i n v e n t i o n ;

a n d

FIG.

6

i s an a x i a l c r o s s - s e c t i o n o f

a s o l a r t h e r m i o n i c

c o n v e r t o r

m ad e

i n a c c o r d a n c e w i t h p r i n c i p l e s o f

t h i s

i n

v e n t i o n .

R e f e r r i n g n o w t o

FIG. 1 ,

a

s o l a r c o n c e n t r a t o r

system

i s

shown

i n which s o l a r

e n e r g y

i s

i n c i d e n t

on

t h e a p e r t u r e o f

an image f o r m i n g c o n v e r g e n t l e n s 1 0 and i s c o n c e n t r a t e d

b y s a i d l e n s t o a s m a l l

a r e a

i n i t s f o c a l p l a n e . A

on

i m a g e

f o r m i n g

c o n v e r g e n t l e n s 1 1 ,

l o c a t e d

a t

t h e

f o c a l

p l a n e o f l e n s 1 0 ,

c o n c e n t r a t e s t h e

s a i d s o l a r e n e r g y by

a

p r o c e s s o f m u l t i p l e r e ? e c t i o n s t o a s t i l l s m a l l e r

a r e a

i n i t s

o w n

f o c a l p l a n e .

The

s o l a r e n e r g y , i n

? n a l c o n c e n t r a t e d

f o r m , i s

t h e n

u t i l i z e d b y t h e d e s i r e d s y s t e m a p p l i c a t i o n

1 2

a t

t h e

f o c a l

p l a n e o f

l e n s 1 1 .

An

i m a g e

f o r m i n g c o n v e r g e n t

l e n s ,

w h i c h i s

c o n s i s t e n t

w i t h

t h e p r i n c i p l e s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , i s shown

i n

FIG. 2 . The s a i d l e n s c o n s i s t s o f

a r e ? e c t o r i t } o f p a r a

b o l i c

c r o s s - s e c t i o n ,

a p e r t u r e

d i a m e t e r

D

q u a l

t o

a p p r o x i

m a t e l y

o n e

m e t e r , f /

number e q u a l

t o


( f / 1 . 0 ) , f o c a l l e n g t h “ L ” e q u a l t o a p p r o x i m a t e l y o n e

m e t e r , h a l f - a n g l e 0 o f s o l a r

e n e r g y c o n c e n t r a t i o n e q u a l

t o a p p r o x i m a t e l y

t h i r t y

d e g r e e s , i m a g e

a r e a

i n

i t s

f o c a l

p l a n e o f d i a m e t e r a e q u a l

t o

a p p r o x i m a t e l y one

c e n t i m e t e r ,

a n d

s u r f a c e

r e ? e c t i v i t y R q u a l t o a p p r o x i m a t e l y 0 . 9 . The

r e ? e c t i n g s u r f a c e

can

c o n s i s t o f

such

m a t e r i a l s a s s i l v e r

o r

aluminum

s u p p o r t e d

b y t h e s u r f a c e 1 3 o f p a r a b o l i c

c r o s s - s e c t i o n . The

s u r f a c e 13

can be r i g i d ,

o r

i t can

be

e l a s t i c , such a s m y l a r ,

s o t h a t i t

can

be i n ? a t e d f o r o u t e r

s p a c e a p p l i c a t i o n s . I t i s

u n d e r s t o o d

t h a t c r o s s - s e c t i o n s

o t h e r than

p a r a b o l i c ,

such

a s

c i r c u l a r , a r e

a p p l i c a b l e a s

a r e r e f r a c t i v e l e n s e s

p r o v i d e d

t h a t

s p h e r i c a l

a b e r r a t i o n s a n d

coma

do

not

c a u s e a


g r e a t e r image

d i a m e t e r

a

f o r t h e

same

f /

number.

I t

i s

f u r t h e r

u n d e r s t o o d

t h a t

t h e

diameter

D

an be

l a r g e r o r s m a l l e r

than

one meter

w i t h co r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n t h e d i m e n s i o n s

L

and a .

An

f / n u m b e r

e q u a l t o a p p r o x i m a t e l y 7 ‘ / 1 . 0 ) i s c h o s e n

f o r l e n s 10 a s a compromise between t o l e r a b l e a b e r r a t i o n s

from

l e n s 10 and t o l e r a b l e t r a n s m i s s i o n l o s s e s i n

l e n s

1 1 .

I f l e n s 1 1 i s m a d e o f m a t e r i a l s

W i t h

s u b s t a n t i a l l y l e s s

a b

s o r p t i o n

l o s s t h a n

t h a t o f s a p p h i r e , t h e

f / n u r n b e r o f

l e n s

1 0 can b e d e s i g n e d t o b e l a r g e r .

For

a

s o l a r

c o n c e n t r a t

i n g

s y s t e m

o f

m a x i m u m


p o w e r , t h e m e c h a n i

c a l t o l e r a n c e s

i n

t h e

c r o s s - s e c t i o n a l s h a p e o f l e n s 1 0 s h o u l d

b e m i n i m i z e d .

However,

a n i m p o r t a n t a d v a n t a g e o f

t h i s

i n v e n t i o n i s t h a t i t

can a t t a i n

t h e same c o n c e n t r a t i n g

power,

u t i l i z i n g

a

l e n s 1 0 ‘ o f m e d i u m f/number

and

l a r g e me

c h a n i c a l t o l e r a n c e s , a s t h a t

o f

a s o l a r

concentrator

con

s i s t i n g

o f

a

s o l e

p a r a b o l i c r e ? e c t o r o f

l o w e r

f /

number

a n d

s m a l l e r

m e c h a n i c a l

t o l e r a n c e s .

A o n - i m a g e f o r m i n g c o n v e r g e n t l e n s , w h i c h i s

c o n s i s

t e n t w i t h t h e

p r i n c i p l e s

o f t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n , i s shown

i n

FIG.

2 . The s a i d

l e n s c o n s i s t s

o f a

t r a n s p a r e n t

d i e l e c

t r i c m a t e r i a l 1 1 o f

t r u n c a t e d c o n i c a l

c r o s s - s e c t i o n .

For

a

m a t e r i a l

such a s s a p p h i r e , t h e

a p e r t u r e

diameter

a

i s

e q u a l

t o


o n e c e n t i m e t e r ,

t h e f o c a l p l a n e

a r e a

o f

d i a m e t e r b i s e q u a l

t o


0 . 4 c e n t i


4/5

3 , 2 9 7 , 9 5 8

5

m e t e r ,

t h e

a x i a l l e n g t h 0 i s e q u a l t o


t e n

c e n t i m e t e r s , t h e

c o n e

h a l f - a n g l e , 8 i s e q u a l t o a p p r o x i m a t e

l y

t w o d e g r e e s ,

t h e

f / number i s

e q u a l

t o a p p r o x i m a t e l y

( f / 0 . 4 ) ,

t h e

i n d e x

o f r e f r a o t o r

n i s e q u a l t o a p p r o x i m a t e l y

1 . 7 5 , a n d t h e t r a n s m i s s i v i t y i s a p p r o x i m a t e l y 75 .

The o p t i c a l p r o p e r t i e s o f l e n s 1 1 a r e i l l u s t r a t e d

b y s o l a r

r a y s

1 4 a n d 1 5 . Ray 1 4

o r i g i n a t e s

from

t h e c e n t e r o f

t h e s o l a r d i s k and i s p a r a l l e l

t o

t h e a x i s

o f t h e

s o l a r con

c e n t r at o r s y s t e m .

Ray 1 4

i s r e ? e c t e d by

l e n s 1 0 t o

t h e

c e n t e r

o f t h e a p e r t u r e o f

l e n s 1 1 . I n a c c o r d a n c e

w i t h

S n e l l ’ s l a w , t h e r a y

i s

b e n t

t o w a r d

t h e a p e r t u r e n o r m a l

and

t r a v e l s i n a

s t r a i g h t l i n e

u n t i l i t r e a c h e s t h e

boundary

b e t w e e n l e n s 1 1

a n d

s p a c e .

I f t h e a n g l e

o f i n c i d e n c e w i t h

t h e normal

t o

t h e

t a p e r e d

s u r f a c e i s g r e a t e r t h a n a c r i t i c a l

a n g l e

9 0

d e t e r m i n e d b y t h e r e l a t i o n 9 c = a r c s i n ( l / n ) , t h e

r a y

w i l l

b e t o t a l l y r e ? e c t e d a t

a n

a n g l e e q u a l t o t h e a n g l e

o f i n c i d e n c e . A f t e r s e v e r a l s u c h r e ? e c t i o n s , r a y 1 4

w i l l

r e a c h

t h e f o c a l p l a n e o f d i a m e t e r 1 2 p r o v i d e d t h e

c o n e

h a l f

a n g l e , 8

i s

s u ? i c i e n t l y

s m a l l a s

d e t e r m i n e d

b y

w e l l known

r a y t r a c i n g t e c h n i q u e s . O t h e r w i s e , r a y 1 4 w i l l b e r e ? e c t e d

back o u t o f t h e a p e r t u r e

o r

b e

r e f r a c t e d

o u t o f t h e t a p e r e d

s u r f a c e .

I t

s h o u l d b e

n o t e d t h a t

r a y 1 4 d o e s n o t g e n e r

a l l y

end up

a t t h e c e n t e r o f t h e f o c a l

p l a n e

o f

l e n s

1 1

b u t

a t

a random p o i n t i n t h e

f o c a l p l a n e .

Ray 1 5 o r i g

i n a t e s from t h e e d g e o f

t h e

s o l a r d i s k and makes a n a n g l e

o f

3 2

m i n u t e s w i t h

t h e a x i s

o f

a s o l a r c o n c e n t r a t o r s y s t e m

l o c a t e d o n t h e e a r t h ’ s s u r f a c e .

Ray

1 5

i s r e ? e c t e d by

l e n s

1 0 t o t h e e d g e o f t h e

a p e r t u r e o f

l e n s 1 1 . A f t e r a p r o c e s s

o f r e f r a c t i o n

a n d

m u l t i p l e r e ? e c t i o n s , r a y 1 5 e n d s up

i n

t h e

f o c a l p l a n e a t

a n

a r b i t r a r y p o i n t r e l a t i v e t o t h a t o f

r a y

1 4 .

An d v a n t a g e o f t h i s i n v e n t i o n i s i t s c a p a b i l i t y t o

e f f e c

t i v e l y

s c r a m b l e

i n c i d e n t

s o l a r

e n e r g y

t o c r e a t e

a uniform


i n

i t s f o c a l p l a n e . With t h e a b o v e n u m e r i c a l

v a l u e s f o r t h e

p a r a m e t e r s

o f

l e n s 1 0 a n d l e n s 1 1 ,

a n o t h e r

a d v a n t a g e i s t h e i n v e n t i o n ’ s c o n c e n t r a t i n g p o w e r

o f

4 2 , 0 0 0

a s

compared

w i t h

a

maximum o f 1 7 , 5 0 0

f o r

a

s o l e


r e ? e c t o r . I t

i s a l s o s i g n i ? c a n t

t h a t

b o t h

a d

v a n t a g e s

o c c u r

s i m u l t a n e o u s l y r a t h e r

t h a n

one o c c u r r i n g

a t t h e e x p e n s e o f t h e o t h e r .

L e n s

1 1 ,

b e i n g o f

r e l a t i v e l y

s m a l l d i m e n s i o n s ,

c a n b e

c o n t r o l l e d t o h a v e a h i g h d e g r e e o f o p t i c a l h o m o g e n e i t y ,

p r e c i s i o n , a n d t r a n s m i s s i v i t y . I t

i s u n d e r s t o o d

t h a t s a i d

l e n s need n o t b e

s a p p h i r e b u t

a n y

m a t e r i a l

o f s u ? l c i e n t

t r a n s p a r e n c y and i n d e x o f r e f r a c t i o n ,

s u c h

a s crown g l a s s ,

r o c k

s a l t , s y l v i t e , ? o u r i t e , o r q u a r t z ,

d e p e n d i n g upon t h e

p a r t i c u l a r s y s t e m a p p l i c a t i o n 1 2 . I t i s f u r t h e r u n d e r s t o o d

than l e n s 11

need

n o t

have

a t r u n c a t e d c o n i c a l c r o s s - s e c ~

t i o n b u t

c a n h a v e

any

monotonic

d e c r e a s i n g c r o s s - s e c t i o n

p r o v i d e d t h a t end

d i a m e t e r s a

and

b a r e

r e s p e c t i v e l y e q u a l

t o t h o s e o f a t r u n c a t e d cone and t h a t t h e

a x i a l

l e n g t h c

i s ‘ n o s h o r t e r

than

t h a t

o f

a

truncated

c o n e .

Lens

1 1

can

c o n v e n i e n t l y b e

s u p p o r t e d

b y a t r i p o d a t t a c h m e n t t o l e n s

1 0 o r

may

b e s u p p o r t e d

b y t h e

s y s t e m

a p p l i c a t i o n 1 2 .

The c o n c e n t r a t e d

s o l a r

e n e r g y

i l l u m i n a t e s

a m a t e r i a l

body

1 2 ,

shown

i n

F I G .

2 ,

l o c a t e d a t t h e f o c a l p l a n e o f

l e n s

1 1

and i n c l o s e p h y s i c a l c o n t a c t

w i t h

l e n s 1 1 . The na

t u r e

o f t h e

m a t e r i a l b o d y 1 2 d e p e n d s upon t h e p a r t i c u l a r

s y s t e m a p p l i c a t i o n .

The

m a t e r i a l body

1 2

m u s t b e

i n

c l o s e p h y s i c a l c o n t a c t

w i t h

l e n s

1 1 s o t h a t

s o l a r

e n e r g y

w i l l

n o t b e

i n t e r n a l l y

r e f l e c t e d back o u t t h e

a p e r t u r e

b e

cause

of

a n a i r

or

v a c u u m

i n t e r f a c e

b e t we e n

l e n s

1 1 a n d

m a t e r i a l 1 2 . A l s o t o p r e v e n t i n t e r n a l r e ? e c t i o n a t t h e i n

t e r f a c e , m a t e r i a l 1 2 s h o u l d p r e f e r a b l y

h a v e a n

i n d e x o f

r e f r a c t i o n a t l e a s t a s l a r g e

a s t h a t

o f l e n s 1 1 f o r a p p l i c a

t i o n s

n o t

r e q u i r i n g h e a t i n g o r s h o u l d h a v e

a l a r g e e m i s

s i v i t y

c o e ? i c i e n t f o r a p p l i c a t i o n s

r e q u i r i n g

h e a t i n g .

For s o l a r f u r n a c e a p p l i c a t i o n , m a t e r i a l 1 2 s h o u l d p r e f

e r a b l y h a v e a

l a r g e e m i s s i v i t y c o e ? i c i e n t o r

b e c o a t e d w i t h

a m a t e r i a l o f h i g h e m i s s i v i t y , s u c h a s carbon b l a c k , t o con

v e r t

t h e i n c i d e n t

e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y

t o h e a t . One a d

v a n t a g e

o f

t h i s i n v e n t i o n f o r s o l a r f u r n a c e a p p l i c a t i o n i s

t h e h i g h u n i f o r m i t y o f t e m p e r a t u r e a t t h e s u r f a c e o f

mate

r i a l

1 2 .

I n

a d d i t i o n ,

t h e

s o l a r

c o n c e n t r a t o r s y s t e m o f

F I G .

2 ,

w i t h t h e

a b o v e

n u m e r i c a l v a l u e s f o r t h e s y s t e m

1 0

15

20

30

40

45

55

60

65

7 0

7 5

6

p a r a m e t e r s ,

c a n a t t a i n i n s t a n t a n e o u s t e m p e r a t u r e s

i n

e x

c e s s o f

90

o f t h e s u n ’ s

nominal

s u r f a c e


compared

w i t h

t e m p e r a t u r e s o f

l e s s

t h a n 6 0 f o r t h a t o f

a s o l e

p a r a b o l o i d a l r e ? e c t o r . However,

a t

s u c h

h i g h tem

p e r a t u r e s , a s h u t t e r must

b e p l a c e d i n

f r o n t

o f

l e n s 1 1

f o r

i n t e r m i t t e n t o p e r a t i o n t o p r e v e n t d e t e r i o r a t i o n

o f t h e

o p t i c a l

a n d m e c h a n i c a l

p r o p e r t i e s

o f

l e n s 1 1 .

For

c o n

t i n u o u s o p e r a t i o n a t t e m p e r a t u r e s a b o v e t h e m e l t i n g p o i n t

o f

s u i t a b l e m a t e r i a l s f o r l e n s

1 1 ,

FIG. 5 shows a n a l t e r

n a t e c o n ? g u r a t i o n o f l e n s

1 1 .

A i g h l y r e ? e c t i n g

m e t a l

1 1 , such

a s

s i l v e r or

al umi num,

c o v e r s t h e i n s i d e s u r

f a c e o f a

r i g i d s u p p o r t 1 6 i n

t h e

s h a p e

o f a

t r u n c a t e d c o n e

w i t h

a

t a p e r i n g a n g l e 5

a

l i t t l e l a r g e r

t h a n

t h a t o f a n

i n

t e r n a l l y r e ? e c t i n g t r u n c a t e d

c o n e .

The m a t e r i a l

body

1 2

t o be

h e a t e d

i s

a t

t h e s m a l l e r end

o f

t h e t r u n c a t e d cone

b u t n o t i n

p h y s i c a l

c o n t a c t w i t h

i t .

The c o n c e n t r a t i o n e f f i

c i e n c y o f t h i s modi?ed c o n ? g u r a t i o n i s l e s s

t h a n

t h a t

o f

a

d i e l e c t r i c

t r u n c a t e d

cone because m e t a l l i c r e ? e c t i o n

l o s s e s a r e g r e a t e r t h a n d i e l e c t r i c a b s o r p t i o n l o s s e s and b e

c a u s e t h e i n c r e a s e

i n s o l i d a n g l e

o f l i g h t .

c o l l e c t i o n

d o e s

n o t compensate f o r

t h e l o s s

o f t h e

r e f r a c t i v e r e d u c t i o n

o f

t h e s o l i d

a n g l e

o f i n c i d e n t s o l a r

e n e r g y .

For t h e r m i o n i c co n v e r t e r a p p l i c a t i o n , t h e

m a t e r i a l

b o d y

1 2

i s o f low p h o t o e l e c t r i c work f u n c t i o n

and f o r m s

t h e

cathode 17 o f a v a c u u m tube

a s shown

i n

FIG.

6 .

An

a n o d e 1 8

w h i c h

i s

c l o s e l y

s p a c e d t o t h e

c a t h o d e ,

a g l a s s

envelope which

a l s o

s e r v e s a s a s e a l t o t h e d i e l e c t r i c

l e n s

1 1 ,

and m e t a l l i c l e a d s from t h e c a t h o d e and anode com

p l e t e

t h e o t h e r c o m p o n e n t s o f t h e

t u b e .

The e t ? c i e n c y

o f d e l i v e r i n g e l e c t r i c power t o an e x t e r n a l l o a d RL i n

c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e o f t h e c a t h o d e . The

p r e s e n t

i n v e n t i o n i s p a r t i c u l a r l y

a d v a n t a g e o u s

f o r o u t e r

s p a c e a p p l i c a t i o n s r e q u i r i n g a t h e r m i o n i c c o n v e r t o r b e

c a u s e i t a l l o w s f o r an i n ? a t a b l e l e n s 10 with l a r g e r me

c h a n i c a l

t o l e r a n c e s t h a n c o u l d b e a l l o w e d i n a s o l e p a r a

b o l o i d a l

r e ? e c t o r

c r e a t i n g t h e same


a t t h e

c a t h o d e .

For

o p t i c a l maser a p p l i c a t i o n , m a t e r i a l 1 2 i s

a

n e g a t i v e

t e m p e r a t u r e medium s u c h a s chromium d o p e d

s a p p h i r e

and

may

have a wafer shaped


a s

shown

i n

FIG.

3 a

o r a

rod shaped c o n ? g u r a t i o n a s shown

i n

FIG.

4 a . M a t e r i a l 1 2

c a n

b e

cemented t o l e n s

1 1

b y a thermo

s e t t i n g

r e s i n o r

i t

may be

grow n a s

p a r t o f t h e

same

c r y s t a l

a s

l e n s

1 1 .

The

wafer shaped con?guration i s

a n o v e l

con

? g u r a t i o n

t o t h e o p t i c a l m a s e r

a r t w i t h

p a r t i c u l a r l y

u n i q u e

c h a r a c t e r i s t i c s and i t s t h e r e f o r e d i s c u s s e d i n some d e t a i l .

The w a f e r

t h i c k n e s s

t i s a p p r o x i m a t e l y 0 . 4

m i l l i m e t e r , a s

suming

t h e

a b o v e n u m e r i c a l

v a l u e s f o r t h e

s y s t e m pa r am

e t e r s

o f

FIG.

2 ,

s o

t h a t

o p t i c a l

modes i n t h e p l a n e o f

t h e

wafer

f a c e a r e r e i n f o r c e d a t t h e

expense

o f modes

i n

t h e d i r e c t i o n o f t h e

w a f e r t h i c k n e s s .

The

end

f a c e

o f

t h e

w a f e r

i s

c o a t e d w i t h

a r e ? e c t i n g

m a t e r i a l . 1 9 ,

s u c h

a s

g o l d

o r s i l v e r , t o

d o u b l e

t h e a b s o r p t i o n p a t h . o f t h e pumping

s o u r c e .

The f a c e

o f

t h e

wafer i s

i n t h e

shape

o f

an even

s i d e d

p o l y g o n

w i t h d i r e c t l y o p p o s i t e

e d g e s p o l i s h e d

p a r a l ~

l e l

t o e a c h o t h e r . Each

p a i r

o f p a r a l l e l

e d g e s ,

s u c h

a s

20 and 2 1 , a r e m a d e a t l e a s t 97 r e ? e c t i n g b u t

w i t h

one

e d g e o f e a c h p a i r , s u c h a s 2 0 , ma de t o t r a n s m i t 1—2

o f

t h e i n c i d e n t e n e r g y . The e d g e s

can be c o a t e d w i t h

a

metal o f h i g h r e ? e c t i v i t y ,

such

a s

g o l d

o r s i l v e r ,

o r

w i t h a

m u l t i l a y e r d i e l e c t r i c ?lm t o a c h i e v e t h e d e s i r e d r e ? e c t i v i t y .

The number o f s i d e s

t o

t h e

p o l y g o n

i s

d e t e r m i n e d

b y

t h e

n u mbe r

o f o u t p u t

beams d e s i r e d and

t h e b e a m w i d t h s

t h a t c a n b e t o l e r a t e d . As t h e n um b e r o f o u t p u t beams

a r e

i n c r e a s e d , t h e i r c o r r e s p o n d i n g o u t p u t power

l e v e l s

a r e

reduced

t o

a p o i n t where t h e r e i s

z e r o

c o h e r e n t o u t p u t

pow er

b e c a u s e

t h e

n u m b e r

o f

e x c i t e d

atoms

t h a t a r e

s t i m

u l a t e d

t o

r a d i a t e i n a g i v e n b e a m

d i r e c t i o n

a r e n o t

s u ? i

c i e n t

t o compensate f o r t h e l o s s e s s u s t a i n e d on each p a s s

b e t w e e n p a r a l l e l e d g e s .

A l s o ,

a s t h e

number

o f

o u t p u t

b e a m s

a r e i n c r e a s e d , t h e

o u t p u t b e a m w i d t h s

a r e

c o r r e

s p o n d i n g l y

r e d u c e d . S i n c e t h e a b s o r p t i o n p a t h o f t h e

o p t i c a l pumping

power i s a p p r o x i m a t e l y o n e

h u n d r e d

t i m e s s m a l l e r t h a n i n

t h e

c o n v e n t i o n a l

r o d s h a p e d

con

? g u r a t i o n ,

t h e

chromuim

d o p i n g

o f

t h e

s a p p h i r e f o r

t h e


5/5

3 , 2 9 7 , 9 5 8

7

w a f e r c o n ? g u r a t i o n c a n b e o n e

h u n d r e d t i m e s

l a r g e r

t h a n

i n

t h e r o d s h a p e d

c o n ? g u r a t i o n .

I t s h o u l d

b e

n o t e d ,

how

e v e r , t h a t

t h e

p a t h l e n g t h

f o r

s t i m u l a t e d

r a d i a t i o n i s

i n a

d i f f e r e n t

d i r e c t i o - n

t o

t h e

p a t h

l e n g t h

f o r o p t i c a l

pumping

and i s

o n l y

r e d u c e d by a f a c t o r o f a p p r o x i m a t e l y

t e n

compared

t o t h a t

o f a r o d s h a p e d

c o n ? g u r a t i o n . S i n c e

t h e

i n t e n s i t y

o f

s o l a r

p u m p

e n e r g y ,

m ad e

p o s s i b l e

by

t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n ,

p r o v i d e s

more t h a n t h e m i n i m u m

pumping

power

d e n s i t y n e e d e d

f o r

c o n t i n u o u s

o p e r a t i o n

a n d s i n c e t h e

a b s o r p t i o n

p a t h l e n g t h o f

s t i m u l a t e d

r a d i a

t i o n by e x c i t e d atoms may be

a s

much

a s

approximately

t e n t i m e s t h e minimum a b s o r p t i o n p a t h l e n g t h r e q u i r e d

t o s u s t a i n a m p l i ? c a t i o n , t h e w a f e r s h a p e d c o n ? g u r a t i o n

can support a s

many

s ten

continuous

w a v e outpu t

b e a m s

r a d i a t i n g s i m u l t a n e o u s l y i n e q u a l l y

s p a c e d

d i r e c t i o n s e n

compassing

a

360 d e g r e e s c a n . FIG. 3b shows

a

per

s p e c t i v e

view

o f a wafer

c a p a b l e

o f s u p p o r t i n g two

o u t

p u t

beams 23 and 2 4 .

The l e n g t h

o f

e a c h

s i d e s

i s

0 . 4

c e n t i m e t e r . The

l e n s

1 1

i n FIG. 3 a i s

a p r i s m o i d

w i t h

a

c r o s s - s e c t i o n c o r r e s p o n d i n g t o t h a t

o f

wafer 12 s o t h a t

w a f e r

1 2 i s i l l u m i n a t e d

u n i f o r m l y .

R e f e r r i n g

n o w t o

t h e

r o d s h a p e d


o f

FIGS.

4 a , 4 b ,

t h e

r o d

h a s

a

l e n g t h d e q u a l

t o

a p p r o x i m a t e l y f o u r

c e n t i m e t e r s and

h a s

a d i a m e t e r b e q u a l

t o

0 . 4 c e n t i m e t e r c o r r e s p o n d i n g

t o

t h e

a b o v e n u m e r i c a l

v a l u e s o f t h e s y s t e m

p a r a m e t e r s

o f FIG.

2 .

The

r o d ’ s end

f a c e

1 9

i s

t r e a t e d

t o b e h i g h l y

r e ? e c t i n g

i n a m a n n e r s i m i l a r t o

t h a t o f

t h e Wafer

e n d

f a c e 1 9 .

A

r e ? e c t i n g s u r f a c e

25

o f d i a m e t e r b i s l o c a t e d

on

t h e

a p e r t u r e o f t h e t r u n c a t e d cone 11 and i s p a r a l l e l t o f a c e

1 9 . Face 2 5 i s

h i g h l y

r e ? e c t i n g b u t t r a n s m i t s 1—2 o f

t h e s t i m u l a t e d

r a d i a t i o n .

The

o u t p u t

b e a m 2 6 i s

p a r a l l e l

t o t h e a x i s of t h e s o l a r concentrator system a n d p a s s e s

through

a small

hole

i n

l e n s

1 0 .

I f rod 1 2 i s

a material

s u c h a s ruby w i t h an a p p r o x i m a t e d o p i n g o f 1 0 1 8 c h r o

m i u m

a t o m s

p e r c u b i c

c e n t i m e t e r , t h e

p r e s e n t i n v e n t i o n

p r o v i d e s a n o p t i c a l pumping p o w e r ,

w i t h i n

t h e a b s o r p t i o n

band

o f

r u b y ,

which

i s


i n

e x c e s s

o f

t h e t h r e s

h o l d

pumping power d e n s i t y

n e e d e d

f o r

c o n t i n u o u s Wave

o p e r a t i o n .

Wha t

i s c l a i m e d

i s :

A

o l a r

powered

o p t i c a l m a s e r

c o n s i s t i n g

o f

a p a r a b o l o i d a l

r e ? e c t o r

which c o l l e c t s and

c o n c e n t r a t e s

s o l a r

e n e r g y

t o w i t h i n

a

l i n e a r h a l f a n g l e o f approx

i m a t e l y

3 0 d e g r e e s a t i t s f o c a l p l a n e ,

a

p r i s m o i d

o f t r a n s p a r e n t d i e l e c t r i c

m a t e r i a l ,

w i t h a

t a p e r i n g

a n g l e

o f a p p r o x i m a t e l y

t w o

d e g r e e s , w h o s e

l a r g e r b a s e i s a t t h e f o c a l p l a n e o f t h e p a r a b o l o i d a l

r e ? e c t o r ,

a n d

a

w a f e r ,

o f n e g a t i v e


m a t e r i a l , w i t h

o n e f a c e

a t t a c h e d

t o t h e

s m a l l e r b a s e o f

t h e

p r i s m o i d

and t h e

o t h e r f a c e m a d e

t o

b e

r e ? e c t i n g ,

whose


i s

a n e v e n

s i d e d

p o l y g o n , whose p a i r s o f d i r e c t l y

o p p o s i t e e d g e s

a r e p a r a l l e l

a n d r e ? e c t i n g w i t h o n e

10

1 5

20

25

35

40

45

50

8

e d g e o f e a c h

p a i r t r a n s m i t t i n g

a

s m a l l

p e r c e n t a g e o f

t h e

s t i m u l a t e d

r a d i a t i o n , whose t h i c k n e s s i s s u b s t a n

t i a l l y l e s s

t h a n

t h e d i s t a n c e b e t w e e n p a r a l l e l e d g e s ,

a n d whose n um b er o f p a r a l l e l e d g e s d e t e r m i n e t h e

n u mbe r o f o u t p u t beams and

t h e i r b e a m

w i d t h s .

R e f e r e n c e s

C i t e d

by

t h e

Examiner

UNITED STATES PATENTS

294 , 1 1 7 2/1884 Ca l v e r ___________ _

126—271

2,945,958

7/1960 M o r r i s ____________

_

88-1

X

2,981,826 4/1961

Mattern _____________

_

88—1

3,051,038

8/1962 Duke _______________ _

88 1

OTHER REFERENCES

B o y l e

e t

a l . :

“A

C o n t i n u o u s l y

O p e r a t i n g

Ruby

O p t i c a l

M a s e r , ”

A p p l i e d O p t i c s ,

v o l . 1 ,

N o . 2 , March 1 9 6 2 ,

p p .

181-183.

B u s h o r : “ S u n a nd E x p l o d i n g W i r e s Pump L a s e r s , ”

E l e c t r o n i c s , v o l . 3 5 , N o .

1 3 ,

March

3 0 , 1 9 6 2 ,

p p . 2 4

a n d

2 5 .

C o o k : “ O u t p u t

Power and

P o s s i b l e C o n t i n u o u s O p e r

a t i o n

o f Ruby

L a s e r s , ”

P r o c e e d i n g s

o f

t h e

I R E , v o l .

5 0 ,

No. 3 , March 1 9 6 2 ,

p p .

330 and 3 3 1 .

S c h m e c k : “ G a i n

I s

R e p o r t e d i n

O p t i c a l

M a s e r , ” New

York

T i m e s ,

J a n .

2 5 ,

1 9 6 2 , v o l . C X I ,

N o .

3 7 9 8 7 , p a g e 2 6 .

S t i t c h :

“Power

O u t p u t

C h a r a c t e r i s t i c s o f a Ruby La

s e r , ” J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s , v o l . 3 2 , N o . 1 0 ,

O c t o

b e r 1 9 6 1 , p p . 1994 t o 1 9 9 9 .

W i l l i a m s o n : “Cone C h a n n e l C o n d e n s e r

O p t i c s , ”

J o u r

n a l o f t h e O p t i c a l S o c i e t y o f A m e r i c a , v o l . 4 2 , N o . 1 0 ,

O c t o b e r

1 9 5 2 , p p .

7 1 2 - 7 1 5 .

R e f e r e n c e s C i t e d by

t h e A p p l i c a n t

UNITED STATES PATENTS

3/1901

E n e a s .

3 / 1 9 0 1

E n e a s .

OTHER REFERENCES

G l a s e r e t a l . :

“The

F l u x R e d i s t r i b u t o r , ” S o l a r Energy

V I I ,

N o . l , J a n u a r y - M a r c h

1 9 6 3 , p p . 1 2 - 1 7 .

W. A . Ba um a n d I . P . S t r o n g :

S o l a r

F u r n a c e

S u p p o r t

S t u d i e s ,

p p .

5 7 - 8 8 ,

1 9 5 8 .

W e i n e r :

“ L i g h t

G a t h e r i n g

P r o p e r t i e s o f O p t i c a l

S y s t e m s

With

E x t e n d e d S o u r c e s , ”

J o u r n a l o f t h e

O p t i c a l S o c i e t y

o f A m e r i c a , v o l .

5 4 ,

N o .

9 , S e p t e m b e r

1 9 6 4 , p p . 1 1 0 9

1 1 1 0 .

6 7 0 , 9 1 6

6 7 0 , 9 1 7

JEWELL . PEDERSEN, P r i m a r y E x a m i n e r .

JAMES W. WESTHAVER, x a m i n e r .

C . J .

MYHRE,

.

L . CHASKIN,

R .

L . WIBERT,

A s s i s t a n t

E x a m i n e r s .

Documents

US Patent 3,297,958 for a "Solar pumped laser" issued in 1967