us patent 3,297,958 for a "solar pumped laser" issued in 1967
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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.
-
8/17/2019 US Patent 3,297,958 for a "Solar pumped laser" issued in 1967.
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
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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
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when t h e
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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
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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
c o n c e n t r a t e d
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 o n c e n t r a t o r
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
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 ,
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
c o n c e n t r a t i n g
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
p a r a b o l o i d a l
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
c o n c e n t r a t i n g
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
c o n c e n t r a t i n g
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
c o n c e n t r a t i n g
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
c o n c e n t r a t o 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
c o n c e n t r a t e d
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 ,
-
8/17/2019 US Patent 3,297,958 for a "Solar pumped laser" issued in 1967.
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
c o n c e n t r a t e d
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
c o n 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 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
c r o s s - s e c t i o n
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
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.
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
c r o s s - s e c t i o n
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
a p p r o x i m a t e l y
( 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
s u b s t a n t i a l l y
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
c o n c e n t r a t i n g
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
a p p r o x i m a t e l y
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
a p p r o x i m a t e l y
0 . 4 c e n t i
-
8/17/2019 US Patent 3,297,958 for a "Solar pumped laser" issued in 1967.
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
a p p r o x i m a t e l y
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
d i s t r i b u t i o n
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
p a r a b o l o i d a l
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
t e m p e r a t u r 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
t e m p e r a t u r e
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
c o n ? g u r a t i o n
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
-
8/17/2019 US Patent 3,297,958 for a "Solar pumped laser" issued in 1967.
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
c o n ? g u r a t i o n
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
s u b s t a n t i a l l y
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
t e m p e r a t u r 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
c r o s s - s e c t i o n
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 .
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G l a s e r e t a l . :
“The
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V I I ,
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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 .