CN108494115B - 一种激光无线传能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光无线传能装置及方法，激光无线传能装置包括：光纤激光光源、发射系统和激光电池；所述光纤激光光源，用于将产生的多路单频种子激光合束并输出合束激光；所述发射系统，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射；所述激光电池，用于接收所述平行激光，并转化为电能。本发明输出的合束激光的功率大，满足激光电池的接收要求，而且将合束激光的光斑形状由圆形调整为椭圆形，增大了合束激光与激光电池板的耦合效率。

Description

一种激光无线传能装置及方法

技术领域

本发明涉及能源传输领域，尤其涉及一种激光无线传能装置及方法。

背景技术

激光无线传能是长距离无线传能的重要手段之一，将可满足无人机、模块化航天器、空间太阳能电站、在轨维护、星载无线传感网络、深空探测等航天器的无线充电需求。激光无线传能技术的核心器件是激光器和激光电池。发射端的激光器发射出一定波长，一定技术要求的激光束，经发射光学系统准直，通过空间链路发送出去。接收端的激光电池接收到激光，通过高效的光电转换，将输入的光能转换为电能，给用户设备供电。

目前，限制激光无线传能技术发展的一个重要因素是激光器的输出功率限制。由于掺杂光纤的非线性效应、光学损伤、热损伤等物理机制的限制，单口径光纤激光器的输出功率有限，输出功率通常在3kW以下。为了实现高能激光输出需要采用多路合成技术。

限制激光无线传能技术发展的另一个重要因素受限于激光与激光电池的耦合效率。由于目前常用的激光器发出的激光束光斑形状均为圆形，其形状仅适合边长相等的正方形激光电池板。而对于大多数实际实用的矩形激光电池板而言，耦合效率很低。

发明内容

本发明提供一种激光无线传能装置及方法，用以解决现有技术中激光器的输出功率有限、激光与激光电池的耦合效率低的问题。

依据本发明的一个方面，提供一种激光无线传能装置，包括：

光纤激光光源、发射系统和激光电池；

所述光纤激光光源，用于将产生的多路单频种子激光合束并输出合束激光；

所述发射系统，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射；

所述激光电池，用于接收所述平行激光，并转化为电能。

可选的，所述光纤激光光源包括多路单频激光种子源、光纤并束器、光纤分束器、多路光纤放大器、光谱合束器；

所述多路单频激光种子源，用于产生所述多路单频种子激光；

所述光纤并束器，用于将所述多路单频种子激光并束为并束激光；

所述光纤分束器，用于将所述并束激光拆分为多束分束激光；

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率；

所述光谱合束器，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光。

可选的，所述光纤激光光源还包括光谱展宽器，用于在所述光纤分束器将所述并束激光拆分为多束分束激光前，所述光谱展宽器将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度。

可选的，所述光谱展宽器包括射频信号发生器、增益可调放大器及光纤相位调制器；

所述射频信号发生器发出的信号经过增益可调放大器放大后，驱动光纤相位调制器对所述并束激光的光谱展宽至预设的所述光谱宽度后发送至所述光纤分束器。

可选的，所述光纤激光光源还包括多个输出端头；

所述多个输出端头与所述多路光纤放大器一一对应设置，每个所述输出端头输出对应的光纤放大器放大功率后的所述分束激光，并将所述分束激光发送至所述光谱合束器。

可选的，所述激光电池为矩形电池板；

所述光谱宽度根据所述矩形电池板的形状及所述输出端头出口处光纤的数值孔径获得。

可选的，所述光谱合束器为金属膜光栅，所述金属膜光栅根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。

依据本发明的另一个方面，提供一种利用所述激光无线传能装置进行激光无线传能的方法，包括：

光纤激光光源将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光；

发射系统将所述合束激光转变为平行激光；

激光电池接收所述平行激光，并转化为电能。

可选的，所述光纤激光光源将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光包括：

所述多路单频激光种子源产生所述多路单频种子激光；

所述光纤并束器将所述多路单频种子激光并束为并束激光；

所述光纤分束器将所述并束激光拆分为多束分束激光；

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率；

所述光谱合束器，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光。

可选的，所述方法还包括：

在所述光纤分束器将所述并束激光拆分为多束分束激光前，所述光谱展宽器将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度；

所述光谱合束器根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。

本发明的有益效果为：

输出的合束激光的功率大，满足激光电池的接收要求，而且将合束激光的光斑形状由圆形调整为椭圆形，增大了合束激光与激光电池板的耦合效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明一具体实施例激光无线传能装置的结构示意图。

图2为本发明第五实施例中光纤激光光源的结构示意图。

图3为本发明第五实施例中光纤并束器的结构示意图。

图4为本发明第一至第六实施例中的光谱展宽器的结构示意图。

图5为本发明第五实施例中光纤分束器的结构示意图。

图6为本发明第一至第六实施例中光纤放大器的结构示意图。

图7为本发明第六实施例中光纤激光光源的结构示意图。

图8为本发明第六实施例中的光纤并束器的结构示意图。

图9为本发明第六实施例中的光纤分束器的结构示意图。

图中：01为光纤激光光源，02为发射系统，03为激光电池；

4-1为第一单频激光种子源；4-2为第二单频激光种子源；……4-n为第n单频激光种子源；

5为光纤并束器；11-1为第一并束光纤环形器；11-2为第二并束光纤环形器；……11-(n-1)为第(n-1)并束光纤环形器；12-1为第一并束光纤布拉格光栅；12-2为第二并束光纤布拉格光栅；……12-(n-1)为第(n-1)并束光纤布拉格光栅；

6为光谱展宽器；13为射频信号发生器；14为增益可调放大器；15为光纤相位调制器；

7为光纤分束器；16-1为第一分束光纤环形器；16-2为第二分束光纤环形器；……16-n为第n分束光纤环形器；17-1为第一分束光纤布拉格光栅；17-2为第二分束光纤布拉格光栅；……17-n为第n分束光纤布拉格光栅；

8-1为第一光纤放大器；8-2为第二光纤放大器；8-n为第n光纤放大器；18-1为光纤泵浦光源；19-1为泵浦耦合器；20-1为增益光纤；21-1为光纤隔离器；

9-1为第一输出端头；9-2为第二输出端头；9-n为第n输出端头；

10为光谱合束器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

请参见图1，在本发明的第一实施例中，提供的激光无线传能装置，包括：

光纤激光光源01、发射系统02和激光电池03；

所述光纤激光光源01，用于将产生的多路单频种子激光合束并输出合束激光；

所述发射系统02，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射；

所述激光电池03，用于接收所述平行激光，并转化为电能。

可选的，所述光纤激光光源01包括多路单频激光种子源、光纤并束器5、光纤分束器7、多路光纤放大器、光谱合束器10；

所述多路单频激光种子源，用于产生所述多路单频种子激光；

所述光纤并束器5，用于将所述多路单频种子激光并束为并束激光；

所述光纤分束器7，用于将所述并束激光拆分为多束分束激光；

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率；

所述光谱合束器10，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光。

可选的，所述光纤激光光源01还包括光谱展宽器6，用于在所述光纤分束器7将所述并束激光拆分为多束分束激光前，所述光谱展宽器6将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度。

可选的，参见图4，所述光谱展宽器6包括射频信号发生器13、增益可调放大器14及光纤相位调制器15；

所述射频信号发生器13发出的信号经过增益可调放大器14放大后，驱动光纤相位调制器15对所述并束激光的光谱展宽至预设的所述光谱宽度后发送至所述光纤分束器7。

可选的，所述光纤激光光源01还包括多个输出端头；

所述多个输出端头与所述多路光纤放大器一一对应设置，每个所述输出端头输出对应的光纤放大器放大功率后的所述分束激光，并将所述分束激光发送至所述光谱合束器10。

可选的，所述激光电池03为矩形电池板；

所述光谱宽度根据所述矩形电池板的形状及所述输出端头出口处光纤的数值孔径获得。

可选的，所述光谱合束器10为金属膜光栅，所述金属膜光栅根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。

在本发明的第二实施例中，提供的利用所述激光无线传能装置进行激光无线传能的方法，包括：

光纤激光光源01将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光；

发射系统02将所述合束激光转变为平行激光；

激光电池03接收所述平行激光，并转化为电能。

可选的，所述光纤激光光源01将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光包括：

所述多路单频激光种子源产生所述多路单频种子激光；

所述光纤并束器5将所述多路单频种子激光并束为并束激光；

所述光纤分束器7将所述并束激光拆分为多束分束激光；

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率；

所述光谱合束器10，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光。

可选的，所述方法还包括：

在所述光纤分束器7将所述并束激光拆分为多束分束激光前，所述光谱展宽器6将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度；

所述光谱合束器10根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。

请参见图1、图4，在本发明的第三实施例中，提供的激光无线传能装置，沿光的正向传输方向依次包括光纤激光光源01、发射系统02和激光电池03；

所述光纤激光光源01，用于将产生的多路单频种子激光合束并输出合束激光；

所述发射系统02，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射，优选的，发射系统02为双凸透镜，其焦距

又由于θ_Outputx＝θ_Inputx，因此

经过双凸透镜后，合束激光光束变为平行激光，平行激光x方向的长度为d_x，y方向的长度为d_y，发射至所述激光电池03上。

所述激光电池03，用于接收所述平行激光，并转化为电能。所述激光电池03为矩形电池板，其y方向的长度d_y是x方向的长度d_x的a倍，符合d_y＝ad_x；a的范围在1～10之间。

在本发明优选实施例中，所述光纤激光光源01包括多路单频激光种子源、光纤并束器5、光谱展宽器6、光纤分束器7、多路光纤放大器、光谱合束器10；

所述多路单频激光种子源，用于产生所述多路单频种子激光，每路单频激光种子源均输出中心波长在1030～1080nm范围内、谱线宽度≤100kHz的单频种子激光。每路单频种子激光中心波长与相邻一路单频种子激光中心波长的间隔大于等于0.05nm。

所述光纤并束器5，用于将所述多路单频种子激光并束为并束激光；光纤并束器5包括并束光纤环形器和并束光纤布拉格光栅，多路单频种子激光经光纤并束器5后，并束为一束并束激光。

参见图4，所述光谱展宽器6，用于将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度。光谱展宽器6包括射频信号发生器13、增益可调放大器14及光纤相位调制器15，所述射频信号发生器13发出的信号经过增益可调放大器14放大后，驱动光纤相位调制器15，从而对所述并束激光的光谱展宽至预设的所述光谱宽度后发送至光纤分束器7。所述射频信号发生器13发出的射频信号为正弦信号、随机噪声信号或者是伪随机信号中的一种。并束激光经过光谱展宽器6后光谱展宽至预设的所述光谱宽度，所述光谱宽度根据所述矩形电池板的形状及所述输出端头出口处光纤的数值孔径获得，具体的，展宽后的并束激光的所述光谱宽度(在此用Δλ表示)由公式

决定，其中，Λ为金属光栅的线密度，

为利特罗角常数。

a为矩形电池板y方向的长度d_y与x方向的长度d_x的倍数，符合d_y＝ad_x；a的范围在1～10之间。θ_Inputx为放大后的分束激光经过输出端头输出时分束激光光斑x方向的发散角，由输出端头出口处光纤的数值孔径NA确定，即θ_Inputx＝2N.A。

所述光纤分束器7，用于将光谱展宽后的所述并束激光拆分为多束分束激光。光纤分束器7包括分束光纤环形器、分束光纤布拉格光栅，经过光纤分束器后，展宽后的并束激光被再次分为多束分束激光。

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率，使所述多束分束激光的功率满足激光电池的接收要求，请参见图6，每一路光纤放大器均包括光纤泵浦光源18-1、泵浦耦合器19-1、增益光纤20-1和光纤隔离器21-1，光纤泵浦光源18-1发出的泵浦光经过泵浦耦合器19-1后，耦合进入增益光纤20-1；光纤隔离器21-1用于避免分束激光回光返回光纤放大器将光纤放大器打坏。多束分束激光分别经过各自对应的光纤放大器后，得到多束功率放大后的分束激光。

本发明优选实施例中，所述光纤激光光源01还包括多个输出端头，输出端头均放置于发射系统02的物方焦面处，在每个输出端头出口处，每束放大后的分束激光的光斑形状均为圆形，x方向的发散角与y方向的发散角相等，即θ_1x＝θ_2y＝θ_2x＝θ_2y＝......＝θ_Nx＝θ_Ny＝θ_Inputx＝θ_Inputy＝2N.A，NA为输出端头光纤的数值孔径，N＝2～100的整数。每束放大后的分束激光的光谱宽度均为Δλ。

优选的，所述输出端头为石英端头，所述多个石英端头与所述多路光纤放大器一一对应设置，每个所述石英端头输出对应的光纤放大器放大功率后的所述分束激光，并将所述分束激光发送至所述光谱合束器10。

可选的，所述光谱合束器10，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束，并输出高能合束激光。所述光谱合束器10为金属膜光栅，所述金属膜光栅根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。具体的，根据金属膜光栅的特性，当多束放大后的分束激光经过金属膜光栅后，将合成一束高能合束激光输出。该合束激光x方向的发散角θ_Outputx不发生改变，即θ_Outputx＝θ_Inputx，y方向的发散角θ_Outputy会变化为

其中，Λ为金属膜光栅的线密度，

为利特罗角常数，Δλ为石英端头出口处每束放大后的分束激光的光谱宽度。由于经过金属膜光栅后，高能合束激光y方向的发散角发生变化，即θ_Outputy≠θ_Outputx，因此经过金属膜光栅后的高能合束激光的光斑形状由圆形调整为了椭圆形。

在本发明的第四实施例中，提供的利用所述激光无线传能装置进行激光无线传能的方法，包括：

光纤激光光源01将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光；

发射系统02将所述合束激光转变为平行激光；

激光电池03接收所述平行激光，并转化为电能。

可选的，所述光纤激光光源01将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光包括：

所述多路单频激光种子源产生所述多路单频种子激光；

所述光纤并束器5将所述多路单频种子激光并束为并束激光；

所述光谱展宽器6将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度；

所述光纤分束器7将所述并束激光拆分为多束分束激光；

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率；

每个所述输出端头输出对应的光纤放大器放大功率后的所述分束激光，并将所述分束激光发送至所述光谱合束器10；放大功率后的所述多束分束激光经过输出端头输出时的光斑为圆形，其发散角由输出端头出口处光纤的数值孔径NA确定，即满足θ_1x＝θ_1y＝θ_2x＝θ_2y＝......＝θ_Nx＝θ_Ny＝θ_Inputx＝θ_Inputy＝2N.A。优选的激光电池03为矩形电池板，实际尺寸要求为d_y＝ad_x。此时，圆形光斑与矩形电池板的匹配程度有较大差距，耦合效率低。因此需要将光斑形状调整为与矩形电池板相匹配的椭圆形。

优选实施例中，所述光谱合束器10为金属膜光栅，所述金属膜光栅根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。首先，本发明优选实施例根据矩形电池板的实际尺寸要求(d_y＝ad_x)，来确定光谱展宽器6的调节量，以实现合束激光光斑形状与矩形电路板尺寸的匹配。设计原理如下：利用金属膜光栅的特性，多路放大后的分束激光经过光谱合束器10后，合束激光x方向的发散角不发生改变，即θ_Outputx＝θ_Inputx，y方向的发散角θ_Outputy变化为

合束激光光斑将由圆形变为椭圆形。与此同时，发射系统02双凸透镜的焦距应为

透镜焦距f满足

即光谱合束器10输出的合束激光y方向的发散角θ_Outputy应满足

由θ_Outputy应满足的两个条件

可以推导出，光谱展宽器6对激光光谱宽度的调节量，应使合束激光的光谱宽度Δλ满足公式

的要求，使照射到矩形电池板上的平行激光的光斑形状变为与矩形电池板形状具有极大匹配度的椭圆形，最大程度提升耦合效率。

请参见图1-图6，在本发明的第五实施例中，提供的激光无线传能装置，沿光的正向传输方向依次包括光纤激光光源01、发射系统02和激光电池03；光纤激光光源01、发射系统02、激光电池03的中轴线同轴。所述光纤激光光源01，用于将产生的多路单频种子激光合束并输出合束激光。

所述发射系统02，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射，优选的，发射系统02为双凸透镜，其焦距

又由于θ_Outputx＝θ_Inputx，因此

经过双凸透镜后，合束激光光束变为平行激光，平行激光x方向的长度为d_x，y方向的长度为d_y，发射至所述激光电池03上。

所述激光电池03，用于接收所述平行激光，并转化为电能。所述激光电池03为矩形电池板，其y方向的长度d_y是x方向的长度d_x的a倍，符合d_y＝ad_x；a的范围在1～10之间。

在本发明实施例中，参见图2，所述光纤激光光源01包括：沿光正向传输方向依次设置的第一单频激光种子源4-1和第二单频激光种子源4-2、光纤并束器5、光谱展宽器6、光纤分束器7、第一光纤放大器8-1和第二光纤放大器8-2、第一输出端头9-1和第二输出端头9-2、光谱合束器10，其中第一光纤放大器8-1与第一输出端头9-1对应设置，第二光纤放大器8-2与第二输出端头对应设置9-2。

第一单频激光种子源4-1和第二单频激光种子源4-2产生的两路单频种子激光的中心波长均在1030～1080nm范围内、谱线宽度≤100kHz。第一单频激光种子源4-1发出的单频种子激光中心波长为λ₁，第二单频激光种子源4-2发出的单频种子激光的中心波长为λ₂，λ₁与λ₂的间隔大于等于0.05nm。

参见图3，光纤并束器5包括第一并束光纤环形器11-1和第一并束光纤布拉格光栅12-1，两路单频种子激光经光纤并束器5后，并束为一束并束激光。其中，第一并束光纤布拉格光栅12-1的布拉格波长与第二单频激光种子源4-2产生的单频种子激光的中心波长一致，为λ₂。第一单频激光种子源4-1产生的单频种子激光从第一并束光纤环形器11-1的1端口输入，从2端口输出。第二单频激光种子源4-2产生的单频种子激光从第一并束光纤环形器11-1的3端口输入，传输到1端口后，由于其中心波长与第一并束光纤布拉格光栅12-1的布拉格波长一致，因此反射后，同样从2端口输出。因此从第一并束光纤环形器11-1的2端口输出的就是第一单频激光种子源4-1和第二单频激光种子源4-2发出的两路单频种子激光并束后的并束激光。

参见图4，光谱展宽器6包括射频信号发生器13、增益可调放大器14及光纤相位调制器15，所述射频信号发生器13发出的信号经过增益可调放大器14放大后，驱动光纤相位调制器15，从而对所述并束激光的光谱展宽至预设的所述光谱宽度后发送至光纤分束器7。所述射频信号发生器13发出的射频信号为正弦信号、随机噪声信号或者是伪随机信号中的一种。展宽后的并束激光的所述光谱宽度(在此用Δλ表示)由公式

决定，其中，Λ为金属光栅的线密度，

为利特罗角常数。

a为矩形电池板y方向的长度d_y与x方向的长度d_x的倍数，符合d_y＝ad_x；a的范围在1～10之间。θ_Inputx为放大后的分束激光经过输出端头输出时激光光斑x方向的发散角，由输出端头出口处光纤的数值孔径NA确定，即θ_Inputx＝2N.A。经过光谱展宽后的并束激光在后续放大过程中光谱宽度Δλ保持不变。

参见图5，光纤分束器7包括第一分束光纤环形器16-1、第二分束光纤环形器16-2、第一分束光纤布拉格光栅17-1及第二分束光纤布拉格光栅17-2，第一分束光纤布拉格光栅17-1的布拉格波长与第一单频激光种子源4-1产生的单频种子激光的中心波长相同，为λ₁。第二分束光纤布拉格光栅17-2的布拉格波长与第二单频激光种子源4-2产生的单频种子激光的中心波长相同，为λ₂。λ₁与λ₂的谱线宽度均应≤0.2nm。从光谱展宽器6输出的展宽后的并束激光从第一分束光纤环形器16-1的1端口输入，经2端口输出。经过第一分束光纤布拉格光栅17-1时，波长为λ₁的并束激光反射，由3端口输出，其余波长的并束激光继续传输，从第二分束光纤环形器16-2的1端口输入，经2端口输出。经过第二分束光纤布拉格光栅17-2时，波长为λ₂的并束激光反射，由3端口输出。由此可见，经过光纤分束器7后，并束激光分为两束分束激光，分别为第一束分束激光和第二束分束激光。第一束分束激光的中心波长由第一分束光纤布拉格光栅17-1的布拉格波长确定，即与第一单频激光种子源4-1产生的单频种子激光的中心波长λ₁一致。第二束分束激光的中心波长由第二分束光栅布拉格光栅17-2的布拉格波长确定，即与第二单频激光种子源4-2产生的单频种子激光的中心波长λ₂一致。

第一光纤放大器8-1和第二光纤放大器8-2均包括光纤泵浦光源18-1、泵浦耦合器19-1、增益光纤20-1和光纤隔离器21-1，光纤泵浦光源18-1与泵浦耦合器19-1的泵浦纤进行熔接，泵浦耦合器19-1的信号纤与增益光纤20-1进行熔接，光纤隔离器21-1的输入端与增益光纤20-1进行熔接。光纤泵浦光源18-1发出的泵浦光经过泵浦耦合器19-1后，耦合进入所述的增益光纤20-1。光纤隔离器21-1用于避免输出的分束激光的回光进入到光纤放大器。多束分束激光分别经过各自对应的光纤放大器后，得到多束功率放大后的分束激光。增益光纤20-1的纤芯应≤25um，可以保证第一光纤放大器8-1和第二光纤放大器8-2输出的光束质量M²≤1.5。第二光纤放大器8-2结构与第一光纤放大器8-1相同。

本实施例中，第一输出端头9-1、第二输出端头9-2均为石英端头，且均放置于发射系统02的物方焦面处，第一输出端头9-1、第二输出端头9-2出口处的光纤的纤芯直径均为25μm～50μm，纤芯数值孔径为NA。在输出端头出口处两束放大后的分束激光的光斑形状均为圆形，其x方向的发散角与y方向的发散角相等，即θ_1x＝θ_1y＝θ_2x＝θ_2y＝θ_Inputx＝θ_Inputy＝2N.A。输出端头出口处两束放大后的分束激光的光谱宽度均为Δλ。

可选的，所述光谱合束器10，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束，并输出高能合束激光。所述光谱合束器10为金属膜光栅，由金属膜光栅的特性所决定的，当两束放大后的分束激光经过光谱合束器10后，将合成一束高能合束激光输出。该合束激光x方向的发散角θ_Outputx不发生改变，即θ_Outputx＝θ_Inputx，y方向的发散角θ_Outputy会变化为

其中，Λ为光栅的线密度，

为利特罗角常数，Δλ为输出端头出口处每束放大后的分束激光的光谱宽度。经过光谱合束器10后，高能合束激光y方向的发散角发生变化，即θ_Outputy≠θ_Outputx，因此高能合束激光的光斑形状由圆形变为椭圆形。

参见图1，在本发明的第六实施例中，提供的激光无线传能装置，沿光的正向传输方向依次包括光纤激光光源01、发射系统02和激光电池03；其中，光纤激光光源01、发射系统02、激光电池03的中轴线同轴。

光纤激光光源01将产生的n路单频种子激光合束并输出合束激光，n为2～100之间的整数；

所述发射系统02，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射，优选的，发射系统02为双凸透镜，其焦距

又由于θ_Outputx＝θ_Inputx，因此

经过双凸透镜后，合束激光光束变为平行激光，平行激光x方向的长度为d_x，y方向的长度为d_y，发射至所述激光电池03上。

所述激光电池03，用于接收所述平行激光，并转化为电能。所述激光电池03为矩形电池板，其y方向的长度d_y是x方向的长度d_x的a倍，符合d_y＝ad_x；a的范围在1～10之间。

在本发明实施例中，参见图7，所述光纤激光光源01包括第一至第n单频激光种子源(即共n路单频激光种子源，在图7中依次分别由4-1、……、4-n表示)、光纤并束器5、光谱展宽器6、光纤分束器7、第一至第n光纤放大器(图7中依次表示为8-1、……、8-n)、第一至第n输出端头(图7中依次表示为9-1、……、9-n)、光谱合束器10；其中n为2～100之间的整数。

第一、第二、……第n输出端头分别与第一、第二、……第n光纤放大器一一对应设置，第一、第二、……第n输出端头均为石英端头。第一、第二、……第n输出端头出口处的光纤纤芯直径均为25μm～50μm，纤芯数值孔径为NA。在每个输出端头出口处每束放大后的分束激光的光斑形状均为圆形，其x方向的发散角与y方向的发散角相等，即θ_1x＝θ_1y＝θ_2x＝θ_2y＝......＝θ_Nx＝θ_Ny＝θ_Inputx＝θ_Inputy＝2N.A。每个输出端头出口处输出的放大后的分束激光的光谱宽度均为Δλ。

第一单频激光种子源4-1至第n单频激光种子源4-n均输出中心波长在1030～1080nm范围内、谱线宽度≤100kHz的单频种子激光。第一单频激光种子源4-1发出的单频种子激光中心波长为λ₁，依次类推，第n单频激光种子源4-n发出的种子激光的中心波长为λ_n，λ_i与λ_i+1的间隔大于等于0.05nm，i为2～n之间的整数。

请参见图8，光纤并束器5包括(n-1)个并束光纤环形器和(n-1)个并束光纤布拉格光栅。分别为第一并束光纤环形器11-1、第二并束光纤环形器11-2至第(n-1)并束光纤环形器11-(n-1)、第一并束光纤布拉格光栅12-1至第(n-1)并束光纤布拉格光栅12-(n-1)。其中，第一并束光纤布拉格光栅12-1的布拉格波长与第二单频激光种子源4-2发出的单频种子激光的中心波长一致，为λ₂。第二并束光纤布拉格光栅12-2的布拉格波长与第三单频激光种子源4-3发出的单频种子激光的中心波长一致，为λ₃。以此类推，第(n-1)并束光纤布拉格光栅12-(n-1)的布拉格波长与第n单频激光种子源4-n发出的单频种子激光的中心波长一致，为λ_n。第一单频激光种子源4-1发出的单频种子激光从第一并束光纤环形器11-1的1端口输入，从2端口输出。第二单频激光种子源4-2发出的单频种子激光从第一并束光纤环形器11-1的3端口输入，传输到1端口后，由于其中心波长与第一并束光纤布拉格光栅12-1的布拉格波长一致，经第一并束光纤布拉格光栅12-1反射后，同样从2端口输出。因此从第一并束光纤环形器11-1的2端口输出的就是第一单频激光种子源4-1和第二单频激光种子源4-2发出的两路单频种子激光并束后的并束激光。以此类推，从第(n-1)并束光纤环形器11-(n-1)的2端口输出的就是第一单频激光种子源4-1至第n单频激光种子源4-n发出的共n路单频种子激光并束后的并束激光。

本实施例中的光谱展宽器6与第五实施例中的结构一致，光谱展宽器6包括射频信号发生器13、增益可调放大器14及光纤相位调制器15，所述射频信号发生器13发出的信号经过增益可调放大器14放大后，驱动光纤相位调制器15，从而对所述并束激光的光谱展宽至预设的所述光谱宽度后发送至光纤分束器7。所述射频信号发生器13发出的射频信号为正弦信号、随机噪声信号或者是伪随机信号中的一种。展宽后的并束激光的所述光谱宽度(在此用Δλ表示)由公式

决定，其中，Λ为金属光栅的线密度，

为利特罗角常数。

a为矩形电池板y方向的长度d_y与x方向的长度d_x的倍数，符合d_y＝ad_x；a的范围在1～10之间。θ_Inputx为放大后的分束激光经过输出端头输出时分束激光光斑x方向的发散角，由各个输出端头出口处光纤的数值孔径NA确定，即θ_Inputx＝2N.A。经过光谱展宽后的并束激光在后续放大过程中光谱宽度Δλ保持不变。

如图9所示，所述光纤分束器7包括n个分束光纤环形器、n个分束光纤布拉格光栅，分别为第一分束光纤环形器16-1至第n分束光纤环形器16-n、第一分束光纤布拉格光栅17-1至第n分束光纤布拉格光栅17-n。第一分束光纤布拉格光栅17-1的布拉格波长与第一单频激光种子源4-1产生的单频种子激光的中心波长相同，为λ₁。第二分束光纤布拉格光栅17-2的布拉格波长与第二单频激光种子源4-2产生的单频种子激光的中心波长相同，为λ₂。以此类推，第n分束光纤布拉格光栅17-n的布拉格波长与第n单频激光种子源4-n产生的单频种子激光的中心波长相同，为λ_n。λ₁至λ_n的谱线宽度均应≤0.2nm。从光谱展宽器6输出的展宽后的并束激光从第一分束光纤环形器16-1的1端口输入，经2端口输出。经过第一分束光纤布拉格光栅17-1时，波长为λ₁的并束激光反射，由3端口输出。其余波长的并束激光继续传输，从第二分束光纤环形器16-2的1端口输入，经2端口输出，经过第二分束光纤布拉格光栅17-2时，波长为λ₂的并束激光反射，由3端口输出。依次类推，正向传输至第n分束光纤环形器16-n的并束激光从其1端口输入，经2端口输出。经过第n分束光纤布拉格光栅17-n时，波长为λ_n的并束激光反射，由3端口输出。由此可见，经过光纤分束器7后，并束激光分为n束分束激光，分别为第一束分束激光、第二束分束激光、……第n束分束激光。第i束分束激光分别从第i分束光纤环形器16-i的3端口输出。第i束分束激光的中心波长由第i分束光纤布拉格光栅17-i的布拉格波长确定，即与第i单频激光种子源4-i的中心波长λ_i一致。

第一束至第n束分束激光分别经过第一光纤放大器至第n光纤放大器进行放大。每路光纤放大器结构相同。以第一光纤放大器8-1为例，如图6所示，第一光纤放大器8-1由光纤泵浦光源18-1、泵浦耦合器19-1、增益光纤20-1和光纤隔离器21-1组成的。光纤泵浦光源18-1与泵浦耦合器19-1的泵浦纤进行熔接，泵浦耦合器19-1的信号纤与增益光纤20-1进行熔接，光纤隔离器21-1的输入端与增益光纤20-1进行熔接。光纤泵浦光源18-1发出的泵浦光经过泵浦耦合器19-1后，耦合进入所述的增益光纤20-1。光纤隔离器21-1能够避免输出的分束激光的回光进入到光纤放大器8-1，从而保护光纤放大器。增益光纤20-1的纤芯应≤25um，可以保证光纤放大器8-1输出的光束质量M²≤1.5。

本实施例中，所述光谱合束器10，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束，并输出高能合束激光。所述光谱合束器10为金属膜光栅，根据金属膜光栅的特性，当多束放大后的分束激光经过光谱合束器10后，将合成一束高能合束激光输出。该合束激光x方向的发散角θ_Outputx不发生改变，即θ_Outputx＝θ_Inputx，y方向的发散角θ_Outputy会变化为

其中，Λ为光栅的线密度，

为利特罗角常数，Δλ为输出端头出口处每束放大后的分束激光的光谱宽度。经过光谱合束器10后高能合束激光的光斑形状由圆形变为椭圆形。

显然，本发明输出的合束激光的功率大，满足激光电池的接收要求，而且将合束激光的光斑形状由圆形调整为椭圆形，增大了合束激光与激光电池板的耦合效率。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光无线传能装置，其特征在于，包括：

光纤激光光源、发射系统和激光电池；

所述光纤激光光源，用于将产生的多路单频种子激光合束并输出合束激光；

所述发射系统，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射；

所述激光电池，用于接收所述平行激光，并转化为电能；

所述光纤激光光源包括多路单频激光种子源、光纤并束器、光纤分束器、多路光纤放大器、光谱合束器；

所述多路单频激光种子源，用于产生所述多路单频种子激光；

所述光纤并束器，用于将所述多路单频种子激光并束为并束激光；

所述光纤分束器，用于将所述并束激光拆分为多束分束激光；

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率；

所述光谱合束器，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光；

所述光纤激光光源还包括光谱展宽器，用于在所述光纤分束器将所述并束激光拆分为多束分束激光前，将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度；

所述光纤激光光源还包括多个输出端头；

所述多个输出端头与所述多路光纤放大器一一对应设置，每个所述输出端头输出对应的光纤放大器放大功率后的所述分束激光，并将所述分束激光发送至所述光谱合束器；

所述激光电池为矩形电池板；

所述光谱宽度根据所述矩形电池板的形状及所述输出端头出口处光纤的数值孔径获得；

所述光谱合束器为金属膜光栅，所述金属膜光栅根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。

2.如权利要求1所述的激光无线传能装置，其特征在于，

所述光谱展宽器包括射频信号发生器、增益可调放大器及光纤相位调制器；

所述射频信号发生器发出的信号经过增益可调放大器放大后，驱动光纤相位调制器对所述并束激光的光谱展宽至预设的所述光谱宽度后发送至所述光纤分束器。

3.一种利用如权利要求1-2任一所述的激光无线传能装置进行激光无线传能的方法，其特征在于，包括：

光纤激光光源将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光；

发射系统将所述合束激光转变为平行激光；

激光电池接收所述平行激光，并转化为电能；

所述光纤激光光源将产生的多路单频种子激光合束输出合束并输出合束激光包括：

所述单频激光种子源产生所述多路单频种子激光；

所述光纤并束器将所述多路单频种子激光并束为并束激光；

所述光纤分束器将所述并束激光拆分为多束分束激光；

所述多路光纤放大器，用于分别放大所述多束分束激光的功率；

所述光谱合束器，用于将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光；

在所述光纤分束器将所述并束激光拆分为多束分束激光前，所述光谱展宽器将所述并束激光的光谱展宽至预设的光谱宽度；

所述光谱合束器根据所述光谱宽度，将功率放大后的所述多束分束激光合束并输出合束激光时，将所述合束激光的光斑形状由圆形调节成椭圆形。

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