專利名稱：激光諧振耦合無線能量傳輸裝置及方法
技術領域：
本發明屬于無線能量傳輸技術領域，特別涉及激光諧振耦合無線能量傳輸裝置及方法。
背景技術：
目前無線能量傳輸方式主要有四種，其中，近距離兩種包括電磁感應方式和磁共振方式；遠距離兩種包括微波方式和激光方式。與其它無線能量傳輸方式相比，激光具有波長短、發散角小、相干性好、能量密度高、發射接收設備體積小等特點。因此，激光方式是無線能量傳輸的重要手段，尤其在真空環境下，激光方式更是無線能量傳輸的理想選擇。傳統的激光無線能量傳輸方式多采用的方法如下在發射端，激光器將電能轉化為激光能量，并通過光學發射天線向接收端傳送激光能量；在接收端，采用光電池將激光能量轉化為電能并存貯，從而完成點對點的激光無線能量傳輸。傳統激光能量傳輸方式的缺點是一、在遠距離傳輸情況下，接收光學天線口徑與接收處激光光斑直徑的比值決定了接收端的能量捕獲效率，受激光發散角的影響和接收光學天線口徑的限制，傳輸距離越遠則能量捕獲效率越小；二、能量傳輸通道中，激光能量的發射和接收相對獨立，接收端沒有能量傳輸的控制權只是被動接收能量。因此，無法實現能量的智能傳輸。
發明內容
本發明針對上述缺陷公開了激光諧振耦合無線能量傳輸裝置及方法。激光諧振耦合無線能量傳輸裝置由發射組件和接收組件構成，或者由第I-N發射裝置和接收裝置構成；發射組件和接收組件被自由空間或外層空間隔離，第I-N發射裝置和接收裝置被自由空間或外層空間隔離；發射組件的結構如下全反射鏡和激光增益介質依此安裝在二維轉臺的前方， 45°全反射鏡和擴束器安裝在二維轉臺上；接收組件的結構如下角反射器陣列安裝在光電池陣列的前方；第I-N發射裝置的結構都與發射組件相同，接收裝置的結構與接收組件相同。所述的角反射器陣列是激光諧振腔的輸出耦合鏡，位于角反射器陣列中的角反射器均鍍有部分反射率膜。所述角反射器陣列由于具有定向反射特性，其形狀為平面或球面，角反射器陣列中的角反射器是棱錐角反射器或利用貓眼效應的光學角反射器。所述激光增益介質為激光晶體、陶瓷、光纖、半導體或其他具有激光增益的介質。所述擴束器是一個望遠光學系統，其作用是進行光束變換擴大激光束口徑以減小衍射損耗。所述第I-N發射裝置中的N個全反射鏡、N個激光增益介質與接收裝置中的角反射器陣列構成N個激光諧振腔；
激光諧振耦合無線能量傳輸方法的工作流程如下全反射鏡、激光增益介質、45° 全反射鏡、擴束器與所述的角反射器陣列構成激光振蕩器，全反射鏡與角反射器陣列定義了一個激光諧振腔，激光束在激光諧振腔的發射端獲得增益進行功率放大從而提取能量， 激光束在激光諧振腔的接收端進行激光能量的耦合輸出同時又為激光增益介質提供激光正反饋；角反射器陣列是激光振蕩器的輸出耦合鏡；耦合輸出的能量由光電池陣列接收并轉化為電能儲存，激光諧振腔內振蕩激光束在發射端和接收端之間循環振蕩，這樣就可實現激光諧振腔內振蕩激光束的持續產生，并進一步實現能量的諧振耦合無線傳輸。所述振蕩激光束反復在擴束器和角反射器陣列組成的孔闌傳輸線中傳播從而在空間上約束了光波場，即能量諧振傳輸只在發射端和接收端進行，開腔之外不存在光波場， 進而提高了激光的無線傳能效率。本發明的有益效果是在空間上將光波場約束在發射端和接收端之間從而提高了能量的傳輸效率。本發明在近距離自由空間和遠距離外層空間能夠實現能量的無線高效傳輸和智能傳輸。
圖1為本發明的原理示意圖；圖2為本發明端到端能量傳輸的具體實施例示意圖；圖3為本發明多端到單端能量傳輸的具體實施例示意具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步詳細說明如圖1所示，激光諧振耦合無線能量傳輸裝置，其特征在于，它由發射組件S和接收組件R構成，或者由第I-N發射裝置Sl-SN和接收裝置R’構成；發射組件S和接收組件 R被自由空間或外層空間隔離，第I-N發射裝置Sl-SN和接收裝置R’被自由空間或外層空間隔離；發射組件S的結構如下全反射鏡Ml和激光增益介質LC依此安裝在二維轉臺T 的前方，45°全反射鏡M3和擴束器EX安裝在二維轉臺T上；接收組件R的結構如下角反射器陣列M2安裝在光電池陣列PC的前方；第I-N發射裝置Sl-SN的結構都與發射組件S相同，接收裝置R’的結構與接收組件R相同。全反射鏡Ml與角反射器陣列M2構成激光諧振腔。其中，全反射鏡Ml鍍有諧振激光波長的高反射膜；角反射器陣列M2由于具有定向反射特性，其形狀為平面、球面或其他幾何形狀，角反射器陣列M2是激光諧振腔的輸出耦合鏡，位于角反射器陣列M2中的角反射器均鍍有諧振激光波長的部分反射率膜，角反射器陣列M2中的角反射器是棱錐角反射器或利用貓眼效應的光學角反射器；全反射鏡Ml、激光增益介質LC、擴束器EX與角反射器陣列M2組成了一個激光振蕩器。激光介質LC提供諧振激光束所需的增益，激光增益介質LC 為激光晶體、陶瓷、光纖、半導體或者其他具有激光增益的介質。；擴束器EX是一個望遠光學系統，起光束變換的作用以增大激光束口徑，目的是減小激光振蕩器的衍射損耗；45°全反射鏡M3和擴束器EX安裝在二維轉臺上以實現方位和俯仰的二維掃描；角反射器陣列M2將激光束部分反射回去為激光振蕩器提供正反饋，角反射器陣列M2輸出的部分激光束照射到它后面的光電池陣列PC上并轉化為電能儲存。發射端與接收端共同組成激光振蕩器，振蕩激光束從激光增益介質中提取能量并在接收端的角反射器陣列M2處耦合輸出部分能量釋放到光電池陣列PC上，從而完成激光的諧振耦合無線傳能。受擴束器EX和角反射器陣列M2的衍射口徑限制，振蕩激光束反復在擴束器EX和角反射器陣列M2組成的孔闌傳輸線上傳播從而在空間上約束了激光光波場， 只有滿足自再現條件的光波模式才能在發射端和接收端之間的開腔內存在，開腔之外不存在光波場。能量諧振傳輸只在發射端和接收端進行，接收端的捕獲效率是100%，提高了激光的無線傳能效率。發射端和接收端都是激光振蕩器的一部分，能量傳輸過程中發射端和接收端相互依賴，只有在構成諧振腔時才能傳輸能量。接收端并不是被動接收而是主動參與傳能的過程，與發射端一樣具有能量傳輸的控制權。一旦能量傳輸完成，接收端和發射端都可單方面破壞諧振腔終止傳能。因此，可實現能量的無線智能傳輸。下面為本發明的兩個實施例實施例一如圖2所示，發射組件S包括全反鏡Ml、激光增益介質LC、45°全反射鏡M3、凹透鏡M4、凸透鏡M5和二維轉臺T ；接收端的接收組件R主要包括平面角反射器陣列M2和光電池陣列PC。接收端與發射端之間同樣被自由空間或外層空間隔離。凹透鏡M4 和凸透鏡M5組成一個透射式望遠光學系統即擴束器EX，擴束器EX也可采用反射式的卡塞格林光學系統。虛線框表示二維轉臺T，45°全反射鏡M3、凹透鏡M4和凸透鏡M5固定在二維轉臺T上并可繞45°全反射鏡中心的X軸和Y軸轉動(Θ表示Y軸方向為由紙里向紙外)，以實現空間上的二維掃描，目的是為了易于與平面角反射器陣列M2對準。全反鏡Ml 和45°全反射鏡M3鍍有諧振激光波長的高反膜，角反射器陣列M2是激光諧振腔的輸出耦合鏡，位于角反射器陣列M2中的角反射器均鍍諧振激光波長的部分反射率膜，激光增益介質LC的端面、凹透鏡M4、凸透鏡M5都分別鍍有諧振激光波長的增透膜以降低透過損耗；角反射器陣列M2是由多個棱錐角反射器組成的平面或半球面；角反射器陣列M2后面放置光電池陣列PC將諧振耦合輸出的光能轉化為電能，光電池也可采用直接固定在棱錐角反射器四個側面的安裝方式。采用上述技術方案，激光束在發射端和接收端之間諧振，從發射端提取能量然后在接收端釋放能量同時在空間上將激光束約束在透鏡M5與平面角反射器陣列M2之間，進而實現端對端基于激光諧振耦合的無線高效能量傳輸。實施例二 如圖3所示，激光諧振耦合無線能量傳輸裝置包括第I-N發射裝置 Sl-SN ；接收端包括一個接收裝置R’。接收裝置R’中的角反射器陣列M2采用多個棱錐角反射器組成的半球形角反射器陣列。由于角反射器陣列M2具有定向反射特性，角反射器陣列M2能夠與第I-N發射裝置Sl-SN構成N個激光振蕩器。位于角反射器陣列M2后方的光電池陣列PC也呈半球形排列或者直接固定在四棱錐角反射器的外側面，用來完成光電轉換儲能。利用第I-N發射裝置Sl-SN和1個接收裝置R’組成的N個激光振蕩器可實現多端到單端的激光無線傳能。采用上述技術方案，能量可以通過激光諧振耦合的方法從多端同時傳輸到一個接收端。所帶來的有益效果是一方面，接收組件可以從多個不同的發射組件提取能量；另一方面，也降低了單個發射組件的功率。 本發明的具體實施例是用來闡述激光諧振耦合無線能量傳輸技術的思想；并不用以局限本發明。凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。以下結合附圖對本發明的具體實施過程作進一步的說明。
權利要求
1.激光諧振耦合無線能量傳輸裝置，其特征在于，它由發射組件(S)和接收組件(R)構成，或者由第I-N發射裝置(Sl-SN)和接收裝置(R’ )構成；發射組件( 和接收組件(R) 被自由空間或外層空間隔離，第I-N發射裝置(Sl-SN)和接收裝置(R’)被自由空間或外層空間隔離；發射組件(S)的結構如下全反射鏡(Ml)和激光增益介質(LC)依此安裝在二維轉臺 (T)的前方，45°全反射鏡(M3)和擴束器(EX)安裝在二維轉臺(T)上；接收組件(R)的結構如下角反射器陣列(M2)安裝在光電池陣列(PC)的前方；第I-N發射裝置(Sl-SN)的結構都與發射組件(S)相同，接收裝置(R’)的結構與接收組件(R)相同。
2.根據權利要求1所述的激光諧振耦合無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述的角反射器陣列(M》是激光諧振腔的輸出耦合鏡，位于角反射器陣列(M》中的角反射器均鍍有部分反射率膜。
3.根據權利要求1所述的激光諧振耦合無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述角反射器陣列(M2)由于具有定向反射特性，其形狀為平面或球面，角反射器陣列(M2)中的角反射器是棱錐角反射器或利用貓眼效應的光學角反射器。
4.根據權利要求1所述的激光諧振耦合無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述激光增益介質(LC)為激光晶體、陶瓷、光纖、半導體或其他具有激光增益的介質。
5.根據權利要求1所述的激光諧振耦合無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述擴束器 (EX)是一個望遠光學系統，其作用是進行光束變換擴大激光束口徑以減小衍射損耗。
6.根據權利要求1所述的激光諧振耦合無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述第I-N發射裝置(Sl-SN)中的N個全反射鏡(Ml)、N個激光增益介質(LC)與接收裝置(R’ )中的角反射器陣列(M2)構成N個激光諧振腔。
7.激光諧振耦合無線能量傳輸方法，其特征在于，它的工作流程如下全反射鏡(Ml)、 激光增益介質(LC)、45°全反射鏡(M3)、擴束器(EX)與所述的角反射器陣列(M2)構成激光振蕩器，全反射鏡(Ml)與角反射器陣列(Μ》定義了一個激光諧振腔，激光束在激光諧振腔的發射端獲得增益進行功率放大從而提取能量，激光束在激光諧振腔的接收端進行激光能量的耦合輸出同時又為激光增益介質(LC)提供激光正反饋；角反射器陣列(M2)是激光振蕩器的輸出耦合鏡；耦合輸出的能量由光電池陣列(PC)接收并轉化為電能儲存，激光諧振腔內振蕩激光束在發射端和接收端之間循環振蕩，這樣就可實現激光諧振腔內振蕩激光束的持續產生，并進一步實現能量的諧振耦合無線傳輸。
8.根據權利要求7所述的激光諧振耦合無線能量傳輸方法，其特征在于，所述振蕩激光束反復在擴束器(EX)和角反射器陣列(M2)組成的孔闌傳輸線中傳播從而在空間上約束了光波場，即能量諧振傳輸只在發射端和接收端進行，開腔之外不存在光波場，進而提高了激光的無線傳能效率。
全文摘要
本發明公開了屬于無線能量傳輸技術領域的激光諧振耦合無線能量傳輸裝置及方法。它由發射組件和接收組件構成，或者由第1-N發射裝置和接收裝置構成；激光束在發射端和接收端之間諧振，在空間上將激光束約束在發射端與接收端之間，同時振蕩激光束從發射端提取能量然后在接收端釋放能量，從而實現能量的無線高效傳輸。本發明的有益效果為在空間上將光波場約束在發射端和接收端之間從而提高了能量的傳輸效率。本發明在近距離自由空間和遠距離外層空間能夠實現能量的無線高效傳輸和智能傳輸。
文檔編號H04B10/10GK102307062SQ20111026429
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者尤政, 李濱, 楊建中, 王巍, 黃虎 申請人:清華大學