CN107834715A - 基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置 - Google Patents

Abstract

一种基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，所述充电装置包括激光器、扩束镜、万花筒、光伏电池板和充电控制电路，所述激光器的输出侧安置有扩束镜，所述扩束镜输出侧安置有万花筒，所述万花筒的输出侧安置有光伏电池板，所述光伏电池板和充电控制电路连接；所述万花筒用于将入射激光通过多次反射来破坏了原来激光光源的干涉作用，使得输出光能重新分布，出射光强分布会很均匀。本发明提供一种结构简单、装调简易、设计灵活、开发周期短，加工工艺简单、加工成本低、价格低廉、分布均匀的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置。

Description

基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置

技术领域

本发明涉及无线充电技术，尤其是一种激光无线充电装置。

背景技术

激光无线能量传输技术兴起于2000年左右，随着大功率激光技术发展而得到快速发展，可广泛应用于国防、新能源汽车以及电子产品等各种领域，特别是可实现许多特殊用途，其应用前景被越来越多的人看好。但是激光无线能量传输技术涉及到激光器结构设计、高功率激光在大气中的传输效率、单色激光辐射下光电池转化效率等问题，无论是激光技术领先的欧美，还是激光技术相对落后的国内，激光充电技术都刚刚起步，相关报道寥寥无几。

其中由于激光束的高斯能量分布，导致能量分布不均匀，各个光伏电池接收的光强不同，光生电流大小不同，串联电路的电流受限于光生电流最小的光伏电池，并联电路的电压受限于光生电压最小的光伏电池，导致传输能量的损失，甚至造成光伏电池的损坏，降低电能输出效率。

因此需要通过光束整形将高斯光束转换为能量均匀分布的平顶光，以消除激光光强分布不均匀引起的不良效果。所谓光束整形是将输入平面上光束的复振幅分布经光学系统调整后，变换为输出平面上符合要求的光束复振幅分布的过程。光束整形技术有孔径光阑整形、衍射光学元件整形、非球面透镜整形及微透镜阵列整形等。以上方法具有适应性差，制作成本高，无法根据入射光束变化在线调整等缺陷。

发明内容

为了克服已有激光无线充电装置中激光能量分布不均匀导致的电能输出效率低的问题，以及现有光学整形方法成本高、适应性差等不足，本发明采用高反射率的万花筒作为整形光学元件，万花筒的多次反射破坏原有激光的干涉作用获得强度分布均匀的输出光。该装置具有结构简单、装调简易、设计灵活、开发周期短，加工工艺简单、加工成本低、价格低廉而将得到更多的实际应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，所述充电装置包括激光器、扩束镜、万花筒、光伏电池板和充电控制电路，所述激光器的输出侧安置有扩束镜，所述扩束镜输出侧安置有万花筒，所述万花筒的输出侧安置有光伏电池板，所述光伏电池板和充电控制电路连接；所述万花筒用于将入射激光通过多次反射来破坏了原来激光光源的干涉作用，使得输出光能重新分布，出射光强分布会很均匀。

进一步，所述万花筒采用4面长宽一样的镜子粘接成空心器件，镜面向内，形成截面呈正方形，玻璃镜的高反射面朝向内侧

或者是：所述万花筒的端面为三角形、五边形或六变形。

再进一步，所述激光器为半导体激光器或二极管泵浦固体激光器。

所述扩束镜为伽利略式多倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入镜将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有808nm或者1000nm窄带增透膜。

所述光伏电池板采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs、铟嫁砷InGaAs材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光匹配。

所述充电控制电路包括电压稳定和控制系统，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压可获得稳定直流电压输出。

本发明的技术构思为：本发明提出的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置选用具有高反射率的万花筒，让入射激光在万花筒反射面上经过多次反射后，极大的破坏了原来激光光源的干涉作用，输出光能重新分布，在出射端得到强度均匀分布的出射光。该装置具有结构简单、装调简易、设计灵活、开发周期短，加工工艺简单、加工成本低、价格低廉而将得到更多的实际应用，解决激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同，从而造成传输能量损失和电能输出效率低下等问题。

本发明的有益效果主要表现在：

1、基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中采用万花筒作为光束均匀的方法，通过多次反射来破坏了原来激光光源的干涉作用，使得输出光能重新分布，出射光强分布会很均匀。解决激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同，从而造成传输能量损失和电能输出效率低下等问题。相对于采取光学整形器和衍射光学元件等方法，具有结构简单、装调简易、设计灵活、开发周期短，加工工艺简单、加工成本低、价格低廉而将得到更多的实际应用。

2、基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置采用激光无线充电方式，具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、充电速度快且效率高等特点。该装置传输效率随传输距离的衰减很小，10米以内激光传输的能量损失小于1％。

3、基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置采用半导体激光器或者二极管泵浦固体激光器作为无线充电光源使用，具有重量轻，运转可靠、耗电少、效率高、体积小，便携性好的优点。其中808nm波长半导体激光器和1000nm左右波长二极管泵浦固体激光器的光束密度、波长分别与GaAs材料和铟嫁砷(InGaAs)材料的光电池板的能隙宽度匹配，具有较高的光电转换效率，而且热损耗小。

4、基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中采用扩束镜调整激光光斑大小，保证激光光斑基本均匀的覆盖在光伏接收器上，不出现光斑对于光伏接收器过小或者过大的现象。使的光伏接收器不会在小光斑的强激光器的照射下过热而损坏；又不会光斑过大超出光伏接收器接收范围而浪费，造成激光在传输过程的损耗。

5、基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中平板式光伏接收器是由多个光伏电池单元串并联组成，具有结构简单，体积小，使用方便。保证各个组合电路的输出电压、输出电流相近似，进一步克服激光光照能量分布不均匀，导致光电池接收器的电能输出效率的降低的问题。

6、基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中充电控制电路采用电压稳定和控制系统，用于升高过低输出电压和降低过高输出电压，保证个光伏电池单元之间的输出电压差值范围内变小，提高光伏接收器的输出效率。具有体积小、功率密度大、效率高，可靠性高、电路结构简单、功能完善等优点。

附图说明

图1是基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置的示意图。

图2是万花筒的结构图。

图3是万花筒均匀光束原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，包括激光器1、扩束镜2、万花筒3、光伏电池板4、充电控制电路5和终端设备6。

基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中激光器1可采用半导体激光器，具有重量轻，运转可靠、耗电少、效率高、体积小，便携性好的优点，作为激光无线充电光源。半导体激光器808nm的波长和GaAs材料的太阳能电池板带隙宽度正好匹配，光电转换效率可达50％，所以对于采用808nm波长的激光器的系统中光伏电池板4最好采用GaAs。

基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中激光器1也可以采用二极管泵浦固体激光器，固体激光器不仅具有体积小、寿命长、运转可靠等特点，还具有更高的输出功率(如100kw)，并且可以在大功率下保持较高的辐射率等优势，因此也适合激光远程充电。值得注意的是二极管泵浦固体激光器所产生的激光波长大于1000nm，对于普遍采用Si和GaAs材料的太阳能电池板来说，在这个波长段光电转换效率还很低，因此需要选用在1000nm激光波长处转换效率高的铟嫁砷(InGaAs)(1064nm处光电转化效率50％)太阳能电池板。

基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中扩束镜2采用伽利略式多倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入镜将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有808nm或者1000nm窄带增透膜，增加激光的透光率，扩束镜将激光器1发出的激光束转变成符合激光无线充电所需要的激光光斑形状，即对激光进行准直，减小激光束的发散角，调整激光光斑大小，使的激光光斑基本均匀的照射到整个光伏电池板4上，不会出现光斑相对光伏电池板4过小或者过大的现象。这样就能保证光伏电池板4不会在小光斑的强激光器的照射下过热而损坏；又不会光斑过大超出光伏电池板4接收范围而浪费，造成激光在传输过程的损耗，提高了传输距离。

如图2所示，基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中万花筒3采用4面长宽一样的镜子粘接成空心器件，镜面向内，形成截面呈正方形，玻璃镜的高反射面朝向内侧。也可以采用端面为如图所示的三角形、五边形、六变形等多边形的万花筒，可根据实际效果选择万花筒端面外形和尺寸。

如图3所示，基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中激光器1发出的具有一定发散角的激光斜入射进入万花筒内部，输入光束经过内部反射面的多次反射后从输出面输出，多次反射过程中极大的破坏了原来激光光源的干涉作用，使得输出光能重新分布，因而出射端面的光强分布会很均匀。如图中的光线1、2、3，在输入端是光线1、3对称分布于光线2两侧，呈现以光线2为光轴的具有一定发散角的激光输入，经过万花筒的多次反射后，在出射端形成光线1、3、2的排列，即经过多次全反射后，出射光线不再是以一定发散角传播的光束，而是杂乱无章的向各个方向传播，在万花筒输出端不同入射角光束形成许多叠加的二次光源，达到光积分作用，实现输出光均匀化。这样具有一定发散角的入射激光经过多次内反射，在出口处形成均匀分布的输出光。万花筒光束均匀技术具有结构简单、装调简易、设计灵活、开发周期短，加工工艺简单、加工成本低、价格低廉等优点而将得到更多的实际应用，解决了激光能量分布不均匀导致的光生电流、电压大小不同，从而造成传输能量损失和电能输出效率低下等问题。

基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中光伏电池板4采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs、铟嫁砷(InGaAs)材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光正好匹配，具有很高的光电转换效率。光伏接收器由多个的光伏电池单元组成，具有结构简单，体积小，使用方便。

基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中充电控制电路5包括电压稳定和控制系统，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压，可获得稳定直流电压输出，具有转换效率高、体积小、功率密度大、可靠性高、电路结构简单、功能完善等优点。用于降低受到照射光强较高的光伏电池单元输出电压，以及升高照射光强不足的光伏电池单元输出电压，从而降低两者之间的输出电压差值，提高光伏接收器的输出效率。

基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置中光伏电池板4将激光信号转化成电信号，电信号通过充电控制电路5的稳压控制后，实现终端设备6的远程无线充电。

Claims (7)

1.一种基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述充电装置包括激光器、扩束镜、万花筒、光伏电池板和充电控制电路，所述激光器的输出侧安置有扩束镜，所述扩束镜输出侧安置有万花筒，所述万花筒的输出侧安置有万花筒，所述光伏电池板和充电控制电路连接；所述万花筒用于将入射激光通过多次反射来破坏了原来激光光源的干涉作用，使得输出光能重新分布，出射光强分布会很均匀。

2.如权利要求1所述的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述万花筒采用4面长宽一样的镜子粘接成空心器件，镜面向内，形成一截面呈正方形，玻璃镜的高反射面朝向内侧。

3.如权利要求1所述的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述万花筒的端面为三角形、五边形或六变形。

4.如权利要求1～3之一所述的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述激光器为半导体激光器或二极管泵浦固体激光器。

5.如权利要求1～3之一所述的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述扩束镜为伽利略式多倍扩束镜，扩束镜由二个镜片组成，包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入镜将虚焦点光束传输给输出镜，二镜片两面镀有808nm或者1000nm窄带增透膜。

6.如权利要求1～3之一所述的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述光伏电池板采用平板式多晶硅、单晶硅、GaAs、铟嫁砷InGaAs材料的太阳能电池板，其带隙宽度和808nm波长或者1000nm激光匹配。

7.如权利要求1～3之一所述的基于万花筒光束均匀技术的激光无线充电装置，其特征在于：所述充电控制电路包括电压稳定和控制系统，采用超小型升/降压控制器芯片，输入0.9V-5V任意直流电压获得稳定直流电压输出。