CN111699639A - 能量传输设备、能量收集设备和功率定向传送系统 - Google Patents

能量传输设备、能量收集设备和功率定向传送系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将补充能量传输到远程对象的能量传输设备，该能量传输设备包括：‑能量源，‑基座，所述基座被配置为保持该能量源并使该能量源朝向该远程对象，其中，该能量源包括至少一个垂直外腔面发射激光器。

Description

能量传输设备、能量收集设备和功率定向传送系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年10月23日提交的申请号PCT/IB2017/056563的国际专利申请的优先权，通过引用的方式将其全部内容合并于本文中。
技术领域
本发明涉及向远程对象进行功率定向传送(power beaming)或提供能量传输束以向该对象提供能量的领域。本文公开了一种实现功率定向传送的系统。
背景技术
功率定向传送包括向固定或运动的远程对象传送能量。优选地通过电磁波传送能量。通过介质(通常是大气)传输这些电磁波，电磁波到达接收器，接收器将其转换为电能。电能为电池或电动马达或安装在对象上的任何设备供电。特斯拉(Tesla)展示了无线电力的传输。在20世纪中叶，研究集中在微波功率传输上。威廉·布朗(William Brown)在1964年展示了由微波束驱动的直升机。设计了其他使用微波的飞机原型。微波束发散限制了该技术。最近，该技术已经转移到另一个波长范围。NASA于2003年研发出第一架由激光驱动的小型飞机。光源是系统的关键要素，因此其质量和光束形状至关重要。
对象接收到的电力应使其能够为对象的电池充电，或直接为马达或任何装置的设备供电。在其他参数中，对象接收到的功率取决于对象到电磁波源的距离、发射波长在介质的传输以及光束的发射。
光束朝向移动对象。最简单的解决方案是生成高强度固定光束，并使用引导光束的如反射镜之类的有源元件(参见WO2008045439，US2005190427)。该解决方案的问题在于，由于入射在有源元件上的激光辐射非常强烈而导致有源元件的快速退化。由于有源元件上的反射镜不是100％反射的，因此一部分辐射会被吸收，而一部分会产生热，这会使反射镜和/或有源元件本身损坏。克服此问题的解决方案是将光束指向接收对象，而无需任何中间有源元件，在这种情况下，将提高整个系统的可靠性。
此外，必须对光束进行准直以优化能量传输并增加传输距离。实际上，如果激光束未完全准直，则激光束直径会随着与光源的距离的增加而增加，并且最终会变得大于安装在接收对象上的光电二极管元件。在这种情况下，接收对象接收到的功率随与电源的距离的增加而减小。获得准直的激光束并非易事，特别是在高强度的情况下。在理想情况下，基本模式下的激光束应接近完美的高斯光束，以便准直的光学器件可以以最有效的方式工作。用高强度激光难以实现这种配置。为了获得这样的光束，有可能使用垂直腔激光矩阵。然而，这需要大量的透镜来使光束成形并限制光束发散(参见WO2016187328)。而且，这种垂直腔激光器的发射功率本质上受到限制。此外，这些设备中的激光作用对在高发射功率下发生的温度变化非常敏感，如果不保持严格的温度控制，谐振腔就会因温度变化而发生偏移，并且改变激光波长或失去激光作用。光源也可以捆绑在一起，但会引入损失(参见US2015311755)。
应考虑安全因素。通常，暴露在发射的激光束中应该没有危险。
当诸如无人飞行器或无人机(无人飞行器)之类的大量移动对象需要通过功率定向传送进行能量补充时，每个对象都需要较高的能量补充率和较短的补充时间。较大的单个移动对象也可能需要大量的连续发射功率。当前已知的功率定向传送系统不允许高的能量补充率和足够短的补充时间。而且，它们不能提供足够的能量以允许大型无人飞行器或无人机的完全自主操作，因此有必要提供大量的补给设备以确保快速补充能量或完全自主操作。
发明内容
因此，本公开的一方面提供根据权利要求1的能量传输设备、根据权利要求29的能量收集设备、包括根据权利要求41所述的能量收集设备的无人机或无人飞行器以及根据权利要求42的功率定向传送系统，其克服了上述问题并且符合上述挑战。本公开还涉及一种使用功率定向传送系统执行的功率定向传送方法。
在从属权利要求中可以找到其他有利特征。
根据本公开的一方面，能量传输设备包括能量源和基座，所述基座被配置为保持所述能量源并使所述能量源朝向远程对象。所述能量源包括至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。
根据本公开的另一方面，所述基座被配置为相对于所述基座移位所述能量源，以使所述能量源朝向所述远程对象。
根据本公开的另一方面，所述能量源包括阵列，所述阵列包括多个垂直外腔面发射激光器，并且所述基座被配置为保持所述能量源并使所述能量源朝向所述远程对象。
根据本公开的另一方面，所述基座包括被配置为能移位的移动设备，所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)直接安装在所述移动设备上，随所述移动设备一起移位。
根据本公开的另一方面，所述移动设备还包括准直光学元件，所述准直光学元件用于对所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)的激光发射进行准直，所述准直光学元件直接安装在所述移动设备上，随所述移动设备一起移位。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括外部光学腔，半导体有源区域位于所述外部光学腔中，所述半导体有源区域被配置为当被泵浦激光器光学泵浦时发射第一波长的激光，所述泵浦激光器提供第二较短波长的激光能量。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为被光学泵浦以沿激光发射输出轴或者与激光发射输出轴成一定角度地进行激光发射。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括半导体有源区域和由反射镜形成的光学腔，其不与所述半导体有源区域直接接触并限定所述光学腔内的空间。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括光学腔，用于在光学腔内发射光的至少一个半导体有源区域和用于排出热能的至少一个低热阻抗元件，所述至少一个半导体有源区域与插入到腔内的所述至少一个低热阻抗元件直接接触。
根据本公开的另一方面，所述至少一个低热阻抗元件包括至少一个高对比度光栅。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备包括第一热阻抗元件和第二热阻抗元件，其中，所述第一热阻抗元件包括高对比度光栅，所述第二热阻抗元件包括高对比度光栅，所述第一和/或第二热阻抗元件与所述至少一个半导体有源区域直接接触，并且所述高对比度光栅将光反射到光学腔中，所述至少一个半导体有源区域位于所述光学腔中。
根据本公开的另一方面，所述至少一个低热阻抗元件或每个热阻抗元件包括金刚石或仅由金刚石组成。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括与所述至少一个或每个低热阻抗元件接触的至少一个散热器。
根据本公开的另一方面，能量传输设备还包括多个泵浦激光器，所述多个泵浦激光器被布置为围绕一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或每个所述垂直外腔面发射激光器(VECSEL)的有源区域，以同时光学泵浦有源层。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为发射波长在1μm至3μm之间的光。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为以连续模式或脉冲模式操作。
根据本公开的另一方面，所述至少一个或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为以单光学模式发射激光。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备还包括用于与所述远程对象通信的射频发射器和射频接收器。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备还被配置为通过射频通信从所述对象接收所述远程对象的地理位置数据，并使所述能量源朝向接收的地理位置发射。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备还被配置为将所述能量源的发射功率水平进行如下设置：(i)在所述对象的能量接收器(R)与所述能量源的光束对准的对准期间，将所述能量源的发射功率水平设置为对准水平，以使能量传输达到最佳，以及(ii)在对所述对象进行能量补充期间，将所述能量源的发射功率水平设置为能量传输水平。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备还被配置为在对准期间对所述能量源的发射进行调制，以允许所述对象识别所述能量传输设备。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备被配置为移位所述能量源，以在预定区域中扫掠或扫描所述能量源的发射束，以使得所述发射束与所述远程对象对准。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备被配置为根据从所述对象接收的信号确定已经发生能量接收，并且响应于从所述对象接收的表示对准水平的对准信号而对能量源进行移位，以优化所述对象接收到的能量水平。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备被配置为将所述能量源的发射功率水平设置为高于所述对准水平的能量传输水平，并且进行连续操作以补充所述对象的能量；和/或所述能量传输设备被配置为以高功率模式操作，并且被配置为调整所述能量源的功率以适应需要补充能量的远程对象。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备被配置为响应于从所述对象接收到的表示接收到的能量下降到预定阈值以下的安全信号而停止或阻止所述能量源的发射。
根据本公开的另一方面，所述能量传输设备还包括网络通信设备，所述网络通信设备被配置为将所述能量传输设备的状态数据传送到中央网络控制器，所述中央网络控制器被配置为协调一组对象的能量补充。
根据本公开的另一方面，所述设备被配置为通过自由空间将补充能量传输到所述远程对象。
根据本公开的另一方面，所述远程对象是无人机(UAV)或无人飞行器。
本公开的另一方面还提供了一种用于为对象收集补充能量的能量收集设备。所述能量收集设备包括：能量接收器，其被配置为从至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或多个垂直外腔面发射激光器捕获电磁辐射能量；能量转换器，其被配置为将接收到的能量转换为电能，以为所述对象供电；以及基座，其被配置为至少保持所述能量接收器和所述能量转换器，并且被配置为至少使所述能量接收器朝向所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或多个垂直外腔面发射激光器。
根据本公开的另一方面，所述能量转换器还被配置为将转换后的能量提供给所述对象。
根据本公开的另一方面，所述接收器被配置为捕获波长在1μm和3μm之间的电磁辐射能量。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还包括用于与提供所述电磁辐射能量的能量传输设备进行通信的射频发射器和射频接收器。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还被配置为确定其地理位置数据，并将所述数据传送至提供所述电磁辐射能量的能量传输设备。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还被配置为对从所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器接收到的发射信号进行解调，并从所述解调信号识别操作所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器的能量传输设备。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还被配置为将对准信号传送到提供所述电磁辐射能量的能量传输设备，确认已经发生了能量接收。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还被配置为基于在所述接收器上接收到的能量的分布来确定指标值的对准曲线图，并且将对准信号传送至提供电磁辐射能量的能量传输设备以通过所述能量传输设备引导接收的发射束的移位，其中，基于所述指标值的对准曲线图确定所述对准信号。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还被配置为确定接收到的能量的下降到预定阈值以下，并且将表示接收到的能量下降到预定阈值以下的安全信号传送到提供所述电磁辐射能量的能量传输设备。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还被配置为与移动通信网络通信，以接收用于提供补充电磁辐射能量的一个或多个能量传输设备的地理位置数据。
根据本公开的另一方面，所述能量收集设备还被配置为与移动通信网络通信，以接收当前可用于提供补充电磁辐射能量的一个或多个能量传输设备的地理位置数据。
根据本公开的另一方面，所述基座包括移动设备，所述移动设备被配置为在其上安装接收器，以便能够将接收器表面定向为相对于激光束定位。
本公开还涉及一种无人机或无人飞行器，其包括所述能量收集设备。
本公开还涉及一种功率定向传送系统，其包括所述能量传输设备和所述能量收集设备。
能量传输设备、能量收集设备和功率定向传送系统特别地使得能量补充速率高并且补充时间短，从而使得所需的能量补充设备的数量最少。
功率定向传送系统中包括的垂直外腔面发射激光器(VECSEL)具有功率高、发散度低、效率高和紧凑的优点。特别是，VECSEL非常紧凑，可以直接安装在将激光束引向接收器的移动平台上。
VECSEL特别的还提供了眼睛和皮肤更能耐受的波长，并且在怀疑有光束被拦截或丢失的情况下，可以与在特殊情况下切割激光的程序结合使用。
出于安全原因，光束的直径和中断时间很重要。为了降低功率密度、单位面积的光强度，光束的直径可以大于10cm。关于曝光时间，即个人或对象暴露于光束的时间，必须尽可能短。考虑到无人机的检测时间以及将信息传输到发射器的时间，该时间小于1s。使用一个或多个VECSEL可以实现此目的。
功率定向传送包括通过电磁波将能量发送到远程对象。该对象通常配备有接收器，该接收器将电磁波转换为电能，为电池或电动马达供电。对象是固定的或运动的，有人操作或无人操作的。电磁波源最好强大，可以发送尽可能多的能量。它的发散度应该很低，以使光束的横截面尽可能少地取决于对象和光源之间的距离。传输介质通常是大气，其优选对电磁波透明(或高度透明)。由于所有这些原因，最相关的能量源之一是长波长、低发散的高功率激光系统。例如，本公开提供了一种适合于功率定向传送的设备，包括安装在跟踪系统上的长波长高功率VECSEL，其将光束传输至例如光电二极管，光电二极管将辐射转换成电能。光电二极管安装在对象上，并且可以连接至例如电池系统，或例如直接连接至电动马达。VECSEL有利地是紧凑的，并且发射高功率，并且提供低发散光束。
通过研究参考示出本发明的一些优选实施例的附图的以下描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且可以最好地理解本发明本身。
附图说明
图1示出了垂直外腔面发射激光器(VECSEL)元件100的示例性可能的实施方式。例如，VESCEL的有源元件包括由激光二极管108泵浦的多个量子阱106。激光腔由两个反射镜(例如，两个凹面反射镜107和103)形成，并最终由衍射元件109和110代替或完成。
由于与有源元件106接触的金刚石板105，并且通过该金刚石板105，在有源元件内产生的热量向散热器104扩散。
衍射元件109和110可以直接形成在金刚石和金刚石板105中。
VECSEL元件紧凑，并且可以在单一模式下发射很高的功率。它的光束可以非常接近高斯，因此可以很容易地通过简单的光学器件准直。另外，可以容易地将VECSEL元件放入矩阵或阵列102中以放大功率。
由于它们的占地面积小并且质量轻，所以可以将VECSEL元件或矩阵102直接安装在基座101的移动设备MD上。102表示这样的一个或多个VECSEL元件或矩阵，最终还包括准直光学器件。
图1还显示了示例性的能量传输设备ETD，其包括基座101和安装在移动设备MD上的发射器。
图2示出了示例性的整体的功率定向传送系统，其包括安装在基座101、201的移动设备MD上的发射器102、202，由于该发射器102、202，激光束203可以一直指向接收器206。基座101、201是固定的，或者可以装在车辆上，车辆可以是无人机。接收器206也可以安装在平台205的移动设备MD1上，以使得可以包括例如多个光电二极管元件的接收器表面的朝向可以优选的垂直于激光束定位，从而使有害反射最小化并使光电二极管接收的有效功率最大化。
接收功率的对象204在该示例中是四旋翼无人机UAV(unmanned aerialvehicle)，但是本发明适用于任何其他移动或非移动对象。
在图2中用207和208表示的无人机和发射器集合上的设备用于在无人机和基座201之间建立通信。特别地，该信息允许建立跟踪，并确定应将激光束置于高功率或维持于低功率的时刻。
图3示出了相对于图1详细描述的VECSEL元件形成矩阵或阵列的可能的实施方式。每个元件301包括但不限于有源区域(用于激光发射)，将元件301和反射镜平行放置或布置以形成矩阵。每个元件303包括但不限于反射镜，反射镜与元件301一起形成外部激光腔，其中，有源区域位于元件301中。利用激光二极管302将每个外部激光腔泵浦到轴上。对每个有源区域进行光学泵浦以产生从光学腔发射的激光。这种可能的实施方式在保持紧凑性的同时增加了光源的功率。
图4示出了增加VECSEL元件的功率的可能的实施方式。图的上部分示出的是俯视图，图的下部分示出的是横截面图。为了增加泵浦功率，将用于泵浦的激光二极管401放置在有源元件403(参见下部)周围，该有源元件包括例如多个量子阱。激光腔由形成外部腔的两个反射镜402和404形成。
图5是描述流程的示例性流程图，通过该流程可以实现或恢复能量传输。
图6示出了使用数个发射器的系统的可能的实施方式。该系统管理使用功率定向传送的无人机或无人飞行器舰队601。服务器603集中关于形成网络的发射器602的状态的信息。当无人机需要补充能量时，它可以直接连接到附近的可用发射器或查询服务器。通过因特网604查询服务器，其中，可通过移动网络605访问因特网604。
在本文中，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。
具体实施方式
本公开提供了一种更有效、更安全的功率定向传送系统。提供了一种具有理想的功率定向传送特性的电磁辐射源。另一方面涉及将该辐射源安装在跟踪设备上以跟随要被供电的对象。另一方面涉及一种流程，该流程有效且安全地建立能量传输。另一个方面涉及被供电物体的将辐射功率转换成电力的组成部分。
本发明涉及能量的无线传输。所传输的能量允许在没有任何电线的情况下为对象加载或提供能量。
该系统至少包括能量传输设备ETD和能量收集设备EHD，能量传输设备ETD包括基于地面或装载在车辆上的能量源或发射器E，能量收集设备EHD包括接收器R。发射器E将电能转换为电磁辐射。电磁辐射在空气、部分大气层或其他介质中传播，并被接收器R接收，接收器R然后将其转换为电能。装载发射器的对象可以是移动的和运动的。发射器E可以由一个或多个能量源组成。能量源产生准直的激光束。通过移动平台将激光束引导到接收器R。
能量传输设备ETD将补充能量传输到远程对象。能量传输设备包括能量源102、202和被配置为保持能量源的基座101、201。基座被配置为使能量源102、202相对于基座移位，和/或如图1(左)和图2所示，使能量源102、202的方向朝向远端物体。例如，基座101可以包括用于移位和/或调整能量源102的方向的马达。
例如，能量传输设备被配置为通过自由空间将补充能量传输到远程对象。
在配置中，能量源或者发射器E由垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或包括多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)的矩阵或阵列组成或仅由其组成。图3示出了这种VECSEL矩阵的可能布置方式。
在优选的实施方式中，VECSEL包括至少一个有源区域，该有源区域与至少一个具有低热阻抗并插入到腔中的元件直接接触。
腔可以由至少两个高反射镜形成。在配置中，反射镜可以是在低热阻抗材料中形成的分布式布拉格反射镜、凹面镜或高对比度光栅。例如，低热阻抗材料仅由金刚石组成或包括金刚石。
在配置中，泵浦有源区域的激光器的发射光与输出激光器发射轴不对准，该配置被称为“Z配置”。在另一配置中，泵浦有源区域的激光器的发射光与输出激光发射轴对准，该配置被称为“同轴泵浦的VECSEL”，US2013028279(US9337615)描述了上述配置，通过引用的方式将其全部内容并入到本文中。
图1示出了垂直外腔面发射激光器(VECSEL)100的示例性实施方式。例如，VESCEL的有源元件包括用激光二极管108泵浦的多个量子阱106。激光腔由两个反射镜(例如，两个凹面反射镜107和103)形成，并最终由衍射元件109和110代替或完成。
由于与有源元件106接触的金刚石板105，并且通过该金刚石板105，在有源元件内产生的热量向散热器104扩散。
衍射元件109和110可以直接形成在金刚石和金刚石板105中。
VECSEL紧凑，并且可以在单一模式下发射很高的功率。它的光束可以非常接近高斯，因此可以很容易地通过简单的光学器件准直。另外，可以容易地将VECSEL元件放入矩阵或阵列102中以放大功率。
由于它们的占地面积小并且质量轻，所以可以将VECSEL或矩阵102直接安装在基座101的移动设备MD上。102表示这样的VECSEL元件或VECSEL矩阵，最终还包括准直光学器件。
基座包括被配置为可移位的移动设备MD。垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器可直接安装在移动设备上并随移动设备移位。例如，基座101可以包括马达，马达对移动设备MD起作用以移位移动设备MD和能量源102和/或调整移动设备MD和能量源102的方向。
例如，可以将用于准直激光发射的准直光学器件直接安装在移动设备上，并随移动设备移位。
基座101、201被配置为保持能量源并使能量源的方向朝向远程对象。基座101、201被配置为相对于基座移位能量源102、202，以使能量源的方向朝向远程对象。
在实施方式中，VECSEL组件以通常适合于大气透射和眼睛/皮肤安全的长波长发射。
在优选的实施方式中，VECSEL组件发射具有例如在1μm和3μm之间(3μm≥λ≥1μm)的波长的光。这些波长可以使用III-V族半导体材料(例如但不限于GaInAsP，GaInAs，GaAs，AlGaAs，AlGaInAs)来实现。VECSEL组件可以被配置为以连续模式或脉冲模式运行。
在实施方式中，VECSEL组件被配置为发射专用应用所需的功率量。在专用于低功耗对象的实施方式中，典型的功率范围可以限制为10W。在专用于无人机或需要更高功率的任何其他对象的其他实施方式中，VECSEL组件的发射的功率在10W到10kW(≥10W；≤10kW)之间。在专用于为例如超大型无人驾驶车辆或有人驾驶车辆供电的另一种实施方式中，VECSEL组件的发射功率大于10kW。因为可以轻松地将VECSEL置于矩阵中，通过增加VECSEL矩阵内的VECSEL元件数量来按比例放大功率，所以VECSEL组件通常适合于宽范围的发射功率。图3示出了这种VECSEL矩阵的可能排列。
图3示出了VECSEL矩阵或阵列的可能实施方式。每个元件301包括但不限于有源区域(用于激光发射)，将元件301和反射镜平行放置或布置以形成矩阵。每个元件303包括但不限于反射镜，反射镜与元件301一起形成外部激光腔，其中，有源区域位于元件301中。利用激光二极管302将每个外部激光腔泵浦到轴上。对每个有源区域进行光学泵浦以产生从光学腔发射的激光。这种可能的实施方式在保持紧凑性的同时增加了光源的功率。
在图4中还描述了一种布置，其中有源层由多个泵浦激光器泵浦，从而允许增加VECSEL的输出功率。图4描述了增加VECSEL元件的功率的可能的实施方式。图的上部分示出的是俯视图，而图的下部分示出的是横截面图。为了增加泵浦功率，将用于泵浦的激光二极管401放置在有源元件403(参见底部)周围，该有源元件包括例如多个量子阱。激光腔由形成外部腔的两个反射镜402和404形成。例如，反射镜中的一个可以是凹面镜。
能量传输设备因此可以包括多个泵浦激光器，其被布置为围绕一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器的每个垂直外腔面发射激光器的有源区域，以同时光学泵浦有源层。
在图1所示的实施方式中，将产生光的有源区域放置在聚焦镜之间，从而形成腔。聚焦镜不与有源区域直接接触，从而在腔内留下了集成元件的空间。特别地，通常使用泵浦元件来光学泵浦有源区域并实现激光发射。在US2013028279中描述的另一种配置中(通过引用的方式将其全部内容并入到本文中)，反射镜由在金刚石中蚀刻的高对比度光栅组成，并且泵浦激光器与发射光在同一轴上。这种配置具有紧凑的优点，并且可以容易地集成在跟踪系统上，以便如图2所示的将激光束直接引导到接收对象上，而无需诸如运动镜的任何中间有源元件(中间有源元件少)。图1示出了VECSEL元件的可能的实施方式。
在一实施方式中，低阻抗材料是金刚石或包括金刚石。
垂直外腔面发射激光器可以包括外部光学腔，半导体有源区域位于外部光学腔中，该半导体有源区域被配置为当由提供第二较短波长的激光能量的泵浦激光器光学泵浦时发射第一波长的激光。
例如，垂直外腔面发射激光器被配置为沿激光发射输出轴或与激光发射输出轴成一定角度被光学泵浦以进行激光发射。
垂直外腔面发射激光器可以包括半导体作用区域和光学腔，其中，光学腔由不与半导体有源区域直接接触并且限定光学腔内的空间的反射镜形成。
垂直外腔面发射激光器可以包括光学腔、用于在光学腔内部发射光的半导体有源区域以及用于排出热能的低热阻抗元件105。半导体有源区域可以与插入到腔内的低热阻抗元件直接接触。
低热阻抗元件105可以包括至少一个高对比度光栅109、110。
能量传输设备可以包括第一热阻抗元件105和第二热阻抗元件105，其中，第一热阻抗元件105包括高对比度光栅109，第二热阻抗元件105包括高对比度光栅110。第一和/或第二热阻抗元件105可以与半导体有源区域106直接接触。高对比度光栅109、110被配置为将光反射到半导体有源区域106位于其中的光学腔中。
低热阻抗元件或每个热阻抗元件可以包括金刚石或仅由金刚石组成。
垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器可以包括与至少一个或每个低热阻抗元件接触的散热器104。
能量收集设备EHD被配置为收集对象的补充能量。能量收集设备包括能量接收器R和能量转换器，其中，能量接收器R被配置为捕获来自用于一个或多个垂直外腔面发射激光器的能量源102、202的电磁辐射能量；能量转换器被配置为将接收到的能量转换为电能以为对象供电。
能量收集设备EHD还包括被配置为保持能量接收器R和能量转换器的基座205。基座205被配置为使能量接收器R朝向垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器。基座205包括移动设备MD1，该移动设备MD1被配置为在其上安装接收器206，以便能够将接收器表面定向为相对于激光束定位。例如，基座205可以包括马达，马达作用在移动设备MD1上以移位和/或调整移动设备MD1和接收器206的方向。能量转换器被配置为将转换后的能量提供给对象。
例如，接收器R被配置为捕获波长在1μm和3μm之间的电磁辐射能量。
能量收集设备还可包括用于与能量传输设备通信的射频发射器和射频接收器。
能量收集设备EHD包括接收器R，接收器R由被配置为接收发射的能量并将电磁波转换为电能的一个或多个组件构成，例如，可以接收并执行能量转换的光伏面板(或设备)。能量收集设备EHD被配置为例如通过包含在能量收集设备EHD上的电源连接接口将电能提供给待充电的物体。对象可以存储提供的能量，也可以不存储而直接使用能量。可替代的，能量收集设备EHD可以包括用于能量转换的单独的单独的转换器设备和接收器设备。
在图2所示的示例性实施方式中，接收器R也安装在有源平台上以与发射器E对准。然而，接收器的平台不一定必须被配置为与接收器有源对准。能量收集设备EHD可以包括用于将该设备附接到诸如无人机(UAV)的对象的附加装置。可替代地，可以将能量收集设备EHD集成到对象中。
图2示出了示例性的整体的功率定向传送系统，其包括安装在基座(可能是移动的)101、201的移动设备MD上的发射器102、202，由于基座，激光束203可以一直指向接收器206。
还可以将接收器206安装在平台(可能是移动的)205的移动设备MD1上，以使得可以包括例如至少一个或多个光电二极管元件的接收器表面的朝向可以优选的(基本)垂直于激光束，从而使有害反射最小化并使光电二极管接收的有效功率最大化。
接收功率的对象204在该示例中是四旋翼无人机UAV(unmanned aerialvehicle)，但是本发明适用于任何其他移动或非移动对象。
在图2中用207和208表示的无人机和发射器集合上的设备用于在无人机和基座201之间建立通信。特别地，该信息允许建立跟踪，并确定应将激光束置于高功率或维持于低功率的时刻。
由于光伏板接收的功率取决于入射光束和光伏板表面的相对定向，因此该有源平台特别受关注。特别地，入射光束的反射取决于该相对定向。在实施方式中，将光伏面板的表面构造为使得入射光束在光伏表面(抗反射涂层或结构化)上的反射最小化，并且使得将光能转换为电能的部件接收到的功率最大化。发射器和接收器通过交换某些信息(例如它们的位置)来同步。
能量收集设备被配置为确定其地理位置数据并将该数据传送至能量传输设备。
能量收集设备EHD包括被配置为确定能量收集设备的地理位置的跟踪设备。例如，跟踪设备包括用于确定能量收集设备的地理位置的GPS接收器和处理器。跟踪设备还包括发射器和天线，其用于通过射频通信将地理位置数据发送到能量传输设备，还用于发送与功率定向传送系统的功能有关的其他数据。能量收集设备EHD还包括射频接收器，并被配置为接收和处理由能量传输设备通过射频通信发送的数据。
能量收集设备EHD包括存储装置，例如半导体存储器或固态存储器，其包括一个或多个程序，该程序用于控制和实现能量收集设备EHD的不同功能，包括射频通信、移动设备MD1移位以使接收器R移位以优化入射在其上的激光能量的接收和/或本公开中描述的其他功能。这可以可选地结合能量收集设备EHD包括的处理器或计算器来完成。
能量传输设备ETD可以配备相同的设备，并且类似地包括射频发射器和接收器，但是可以将其地理位置预先存储在存储装置(例如半导体存储器或固态存储器)中，从而无需GPS接收器。它另外包括一个或多个程序来控制垂直外腔面发射激光器或VECSEL阵列和/或本公开中描述的其他功能的操作。这可以可选地结合能量传输设备ETD包括的处理器或计算器来完成。
能量传输设备可以包括用于与远程对象通信的射频发射器和射频接收器。
例如，能量传输设备被配置为通过射频通信从对象接收远程对象的地理位置数据，并使能量源发射的方向朝向接收的地理位置。
跟踪系统使发射器E和接收器R知道它们各自的位置以传输能量。无人机借助定位系统(例如，GPS芯片)知道其位置，并且发射器是固定的，因此该位置是已知的并且可以预先设置。无人机通过射频将其位置发送到能量传输设备的接收器。由于能量源的紧凑性，所以将其安装到移动设备MD上，移动设备被配置为与能量源同步移位以跟踪无人机。能量传输设备被配置为基于接收到的接收器R的地理位置和能量传输设备的已知位置，将移动设备和能量源直接定向到能量收集设备EHD的接收器R。
但是，由于使用的定位系统的精度(GPS：仪表刻度)，位置可能达不到预期的精度(厘米刻度)。能量传输设备ETD被配置为基于接收到的地理位置数据来移位移动设备MD和激光束以扫描无人机可以位于或期望位于的区域。在此阶段，能量传输设备ETD被配置为将激光器设置为低功率发射，以避免任何危险的暴露。接收器R在检测到一部分光束时会通过射频通信提醒能量传输设备ETD。可以对光束进行调制(通过脉冲发射)，光束从而包括便于接收器R和能量收集设备EHD识别发射器和能量传输设备ETD的调制信号。能量收集设备EHD被配置为解调接收到的信号，并将解调后的信号与能量传输设备ETD的标识数据进行比较。
能量传输设备还可以被配置为移位能量源，以在预定区域中扫掠或扫描能量源的发射束，以使得发射束与远程对象对准。
一旦一部分光束被接收器R拦截，接收器R就会配备或包括例如几个感光器，以便随后将光束居中对准或在中心对准，并保持其实时居中对准。
能量收集设备被配置为将对准信号传送到能量传输设备，以确认已经发生能量接收。
能量传输设备可以被配置为根据从对象接收的信号确定已经发生能量接收，并且响应于从对象接收的表示对准水平的对准信号而对能量源进行移位，以优化在对象处的接收到的能量水平。
本技术包括使用例如四象限形式的感光器，每个象限部分接收的强度允许能量传输设备ETD确定光束在接收器R的接收表面上的位置，并确定其是否在中心对准，以最佳的接收和捕获能量。因此，当每个象限的接收强度相同时，光束将居中。当光束正确对准时，激光将进入高功率状态。
例如，能量收集设备被配置为基于接收器R上的接收能量的分布来确定指标值的对准曲线图，并且将对准信号传送至能量传输设备以通过能量传输设备引导接收的发射束的移位。例如，基于所述指标值的对准曲线图确定对准信号。
例如，能量传输设备被配置为将能量源的发射功率水平设置为高于对准水平的能量传输水平，并且进行连续操作以补充对象的能量。能量传输设备可以可替代地或另外地被配置为以高功率模式操作，并且还可以被配置为调整能量源的功率，以适应需要补充能量的远程对象。
能量传输设备还可以被配置为将能量源的发射功率水平进行如下设置：(i)在对象的能量接收器R与能量源的光束对准的对准期间，将能量源的发射功率水平设置为对准水平，以使能量传输达到最佳，以及(ii)在对对象进行能量补充期间，将能量源的发射功率水平设置为能量传输水平。
在高功率模式下，能量源的功率可调，以适应需要补充能量的无人机。实际上，接收功率会根据无人机的型号而变化。能量收集设备EHD通过射频通信将该信息传输到能量传输设备ETD。可以通过幅度调制来调节能量源的功率。能量源的功率是指能量源产生的光强度。
根据一个实施例，能量传输设备ETD使移动设备MD移位以改进与能量收集设备EHD的对准，能量收集设备EHD通过射频通信提供反馈以提供如关于改进或未改进的对准状态。持续进行该操作直到达到最佳对准为止。仅移动能量传输设备ETD的移动设备MD。在另一个实施例中，能量收集设备EHD还使接收器与能量传输设备ETD的移动设备MD和VECSEL的同时或顺序地移位，以便能够更快的对准。一旦已经确定对准并且将已对准的信息传送到能量传输设备ETD，能量传输设备ETD就被配置为将VECSEL或VECSEL阵列切换到高功率连续操作以实现最佳的能量传输。
在传输能量时，只要无人机保持在光束范围内，它就可以在确定的区域飞行。图5中描述了完整的示例性的搜索和对准流程。
能量传输设备ETD和能量收集设备EHD被配置为相互通信并执行与图5中列出的过程和流程的步骤相关的数据处理。
第一过程包括步骤a至k。第二过程包括步骤k至p。第三过程包括所有步骤a至p。
图6示出了使用数个能量传输设备602的方法和系统的可能的实施方式。该系统管理使用功率定向传送的无人机或无人飞行器舰队601。服务器603集中关于形成网络的能量传输设备602的状态的信息。当无人机需要补充能量时，它可以直接连接到附近的可用能量传输设备602或查询服务器603。通过因特网604查询服务器，其中，可通过移动或蜂窝网络605(例如，GSM移动网络)访问因特网604。
服务器603包括处理器和存储装置，例如，半导体存储器或固态存储器，该半导体存储器或固态存储器包括一个或多个用于控制和实现本公开中描述的不同功能的程序。
能量收集设备还被配置为与移动通信网络通信，以接收用于提供补充电磁辐射能量的一个或多个能量传输设备的地理位置数据。能量收集设备可以另外的被配置为与移动通信网络通信，以接收当前可用于提供补充电磁辐射能量的一个或多个能量传输设备的地理位置数据。
每个能量传输设备602都包括网络通信设备，该网络通信设备被配置为将数据(例如，能量传输设备602的状态数据)传输到网络的中央控制器(例如，服务器603)，并且还可以被配置为从服务器603接收数据并处理该数据。
将需要充电的无人机(UAV)601引导到能量传输设备602的发射器的覆盖区域。发射器(能量传输设备)的位置记录在无人机中或通过移动网络605接收。无人机被配置通过使用定位系统(例如，GPS)定位自己来飞行。当无人机在发射器的覆盖区域内时，无人机和发射器必须建立连接以交换信息，例如，它们的位置、光束在接收器R的感光器上的位置、电池充电水平。通信协议优选地具有1km的范围。因此，如上所述，射频适用于此功能。例如，频率为2.4Ghz的跳频扩频FHSS可以获得所需的覆盖区域。无人机发送连接请求，并且如果能量传输设备可用于为其加载能量，则接受该请求。发射的信号优选地抗干扰。建立数据通信连接后，无人机与发射器进行通信，以使系统处于闭环状态。
根据可以在无人机上更新的存储数据库，使用存储的GPS坐标将无人机定向到发射器。在可能的实施方式中，可以将数个发射器(能量传输设备)连接到公共服务器并形成网络。每个无人机都可以通过使用移动网络查询服务器来更新每个发射器的状态。因此，存在两种截然不同的通信：(i)无人机与发射器之间的直接连接，以及(ii)与发射器网络的第二种通信。如图6所示，发射器网络使管理无人机舰队成为可能。该系统被配置为根据不同的参数(例如，负载、充电水平、功耗、目的地、发射器的位置……)来优化每个无人机的能量需求。例如，某个无人机的电量不足电池电量的25％，而另一个无人机的电量高于75％，则可用电量最大(所有其他参数均相似)的无人机将通过更远处的能量传输设备充电，并将最近的发射器留给低电量的无人机。
如上所述，在与接收器同步的阶段，激光器以低功率工作。标准定义了根据使用条件不得超过的功率水平。当能量源对准接收器并以接收器为中心时，激光将切换到高功率。
对象或活体可以位于接收器和发射器之间，在这种情况下，根据本公开的实施例，系统被配置为减小发射器发射的功率，以满足安全标准。在实施方式中，如果接收器接收到的功率低于阈值功率，该阈值功率被定义为发射器和接收器之间的距离以及大气条件的函数，则将VECSEL组件发射的功率降低到安全水平以下。图5描述了完整的对准流程。
能量收集设备还可以被配置为确定接收到的能量的下降到预定阈值以下，并且将表示接收到的能量下降到预定阈值以下的安全信号传送到能量传输设备。
能量传输设备被配置为响应于表示接收到的能量下降到预定阈值以下的安全信号而停止或阻止能量源的发射。
在可能的实施方式中，能量传输设备ETD的接收器由装载在要充电的对象上的数个光电二极管组成。能量传输设备ETD可以由移动平台(如前所述)组成，以独立于无人机而调整光电二极管的方向。在实施方式中，数个光电二极管用于对准激光器。每个光电二极管接收到的相对强度用于确定激光束与接收器的未对准。该信息被传送到发射器以实时校正激光束方向并使光电二极管接收的激光强度最大。
选择光电二极管的特性以使电磁波到电能的转换效率最大化。因此，光电二极管优选地针对在1μm与3μm之间或在1μm与2μm之间的波长进行优化。在此范围内使用的光电二极管材料为锗(Ge)，锑化镓(GaSb)或砷化铟镓(InGaAs)。在实施方式中，将抗反射(AR)涂层或结构化(AR处理)应用于光电二极管。为了安全和能量转换效率，AR处理用于使光电二极管的光束反射最小化。
在可能的实施方式中，对象例如是无人机(UAV)。有两种类型的电动无人机：固定翼无人机和多旋翼无人机。多旋翼无人机的优势是它们在飞行中的准确性和稳定性。目前，多旋翼无人机用于许多领域：包括但不限于交付、检查、通信。功率定向传送可以延长其飞行时间和自主性，这对于大多数应用而言都是至关重要的特性。功率定向传送可以用于在无人机飞行过程中为无人机的电池充电，或通过在飞行过程中传输能量来使电池尺寸最小化。由于电池占了无人机总重量的很大一部分，因此这是特别有意义的。
目标无人机应用可以分为两类：民用/商业和国土安全。第一组包括：农业、航空遥感、采矿、媒体、产品交付、温室气体排放监测、补充能量、数据传输。另一组包括：边境管理、交通监控、搜索、营救、海上安全、警察行动和调查。除了这些非详尽的应用列表之外，功率定向传送还可用于其他应用。
本公开还涉及一种功率定向传送系统，其包括上述能量传输设备ETD和能量收集设备EHD。
激光系统安装在一装置上，以使光束可以到达固定或移动的远程接收单元。接收系统包括安装在一装置上的多个光电二极管，以使激光束保持垂直于光电二极管的表面。例如，激光系统包括垂直外腔面发射激光器矩阵，其包括至少一个安装在移动平台上的VECSEL或多个VECSEL，以及准直光学器件。
该系统可以配置为执行锁定过程，该过程涉及激光系统以安全功率扫描空间直到来自接收系统的反馈允许建立能量传输为止的阶段。
该系统还可以配置为当接收器接收到的功率显著降低时触发安全模式，以当发射功率降低到安全水平以下时触发安全模式。
激光系统可以以连续模式或脉冲模式工作，并且接收系统能够检测脉冲信号。接收系统被配置为通过特定的时间模式或激光调制来识别正确的光束。
本公开进一步涉及一种功率定向传送方法，其包括提供上述系统的步骤和执行功率定向传送的步骤。
尽管已经参考某些优选实施例公开了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可以对描述的实施例及其等同物进行多种修改、变更和改变。描述的任何一个实施例的特征可以包括在任何其他描述的实施例中。方法步骤不必以上面给出的确切顺序执行，并且可以以不同顺序执行。因此，意图是本发明不限于描述的实施例，并且根据所附权利要求的语言给予最广泛的合理解释。

Claims (47)

1.一种用于将补充能量传输到远程对象的能量传输设备(ETD，602)，所述能量传输设备包括：
-能量源(102、202)，
-基座(101、201)，所述基座被配置为保持所述能量源并使所述能量源朝向所述远程对象，
其中，所述能量源(102、202)包括至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。
2.根据权利要求1所述的能量传输设备，其中，所述基座(101、201)被配置为相对于所述基座移位所述能量源(102、202)，以使所述能量源朝向所述远程对象。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述能量源(102、202)包括阵列，所述阵列包括多个垂直外腔面发射激光器，并且所述基座(101、201)被配置为保持所述能量源并使所述能量源朝向所述远程对象。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述基座包括被配置为要被移位的移动设备(MD)，所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)直接安装在所述移动设备上，随所述移动设备一起被移位。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述移动设备(MD)还包括准直光学元件，所述准直光学元件用于对所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)的激光发射进行准直，所述准直光学元件直接安装在所述移动设备上，随所述移动设备一起被移位。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括外部光学腔，半导体有源区域位于所述外部光学腔中，所述半导体有源区域被配置为当被泵浦激光器光学泵浦时发射第一波长的激光，所述泵浦激光器提供第二较短波长的激光能量。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为被光学泵浦以沿激光发射输出轴或者与激光发射输出轴成一定角度地进行激光发射。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括半导体有源区域和由反射镜形成的光学腔，所述反射镜不与所述半导体有源区域直接接触并限定所述光学腔内的空间。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括光学腔、用于在所述光学腔内发射光的至少一个半导体有源区域和用于排出热能的至少一个低热阻抗元件(105)，所述至少一个半导体有源区域与插入到腔内的所述至少一个低热阻抗元件直接接触。
10.根据前一权利要求所述的能量传输设备，其中，所述至少一个低热阻抗元件(105)包括至少一个高对比度光栅(109、110)。
11.根据前一权利要求所述的能量传输设备，包括第一热阻抗元件(105)和第二热阻抗元件(105)，其中，所述第一热阻抗元件(105)包括高对比度光栅(109)，所述第二热阻抗元件(105)包括高对比度光栅(110)，所述第一热阻抗元件和/或第二热阻抗元件(105)与所述至少一个半导体有源区域(106)直接接触，并且所述高对比度光栅(109、110)将光反射到光学腔中，所述至少一个半导体有源区域(106)位于所述光学腔中。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个低热阻抗元件或每个热阻抗元件包括金刚石或仅由金刚石组成。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)包括与所述至少一个低热阻抗元件或每个低热阻抗元件接触的至少一个散热器(104)。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，还包括多个泵浦激光器，所述多个泵浦激光器被布置为围绕一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或每个所述垂直外腔面发射激光器(VECSEL)的有源区域，以同时光学泵浦有源层。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为发射波长在1μm至3μm之间的光。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为以连续模式或脉冲模式操作。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述至少一个垂直外腔面发射激光器或多个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)被配置为以单光学模式发射激光。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，还包括用于与所述远程对象通信的射频发射器和射频接收器。
19.根据前一权利要求所述的能量传输设备，其中，所述能量传输设备还被配置为通过射频通信从所述对象接收所述远程对象的地理位置数据，并使所述能量源朝向接收的地理位置发射。
20.根据前述权利要求18或19所述的能量传输设备，其中，所述能量传输设备还被配置为将所述能量源的发射功率水平进行如下设置：(i)在所述对象的能量接收器(R)与所述能量源的光束对准的对准期间，将所述能量源的发射功率水平设置为对准水平，以允许最佳能量传输，以及(ii)在对所述对象进行能量补充期间，将所述能量源的发射功率水平设置为能量传输水平。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述能量传输设备还被配置为在对准期间对所述能量源的发射进行调制，以允许所述对象识别所述能量传输设备。
22.根据前一权利要求所述的能量传输设备，其中，所述能量传输设备被配置为移位所述能量源，以在预定区域中扫掠或扫描所述能量源的发射束，以使得所述发射束与所述远程对象对准。
23.根据前一权利要求所述的能量传输设备，其中，所述能量传输设备被配置为根据从所述对象接收的信号确定已经发生能量接收，并且响应于从所述对象接收的表示对准水平的对准信号而对能量源移位，以优化所述对象处接收到的能量水平。
24.根据前一权利要求所述的能量传输设备，其中，所述能量传输设备被配置为将所述能量源的发射功率水平设置为高于所述对准水平的能量传输水平，并且进行连续操作以补充所述对象的能量；和/或所述能量传输设备被配置为以高功率模式操作，并且被配置为调整所述能量源的功率以适合需要被补充能量的远程对象。
25.根据前一权利要求所述的能量传输设备，其中，所述能量传输设备被配置为响应于从所述对象接收到的表示接收到的能量下降到预定阈值以下的安全信号，而停止或阻止所述能量源的发射。
26.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，还包括网络通信设备，所述网络通信设备被配置为将所述能量传输设备的状态数据传送到中央网络控制器，所述中央网络控制器被配置为协调一组对象的能量补充。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述设备被配置为通过自由空间将补充能量传输到所述远程对象。
28.根据前述权利要求中的任一项所述的能量传输设备，其中，所述远程对象是无人机(UAV)或无人飞行器。
29.一种用于为对象收集补充能量的能量收集设备(EHD)，所述能量收集设备包括：
-能量接收器(R)，所述能量接收器被配置为从至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或多个垂直外腔面发射激光器捕获电磁辐射能量，
-能量转换器，所述能量转换器被配置为将接收到的能量转换为电能，以为所述对象供电，以及
-基座(205)，所述基座被配置为至少保持所述能量接收器(R)和所述能量转换器，并且被配置为至少使所述能量接收器(R)朝向所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或多个垂直外腔面发射激光器。
30.根据前一权利要求所述的能量收集设备，其中，所述能量转换器还被配置为将转换后的能量提供给所述对象。
31.根据前述权利要求29至30中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述接收器(R)被配置为捕获波长在1μm和3μm之间的电磁辐射能量。
32.根据前述权利要求29至31中的任一项所述的能量收集设备，还包括用于与提供所述电磁辐射能量的能量传输设备进行通信的射频发射器和射频接收器。
33.根据前述权利要求29至32中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述能量收集设备还被配置为确定其地理位置数据，并将所述数据传送至提供所述电磁辐射能量的能量传输设备。
34.根据前述权利要求29至33中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述能量收集设备还被配置为对从所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器接收到的发射信号进行解调，并从解调的信号识别操作所述至少一个垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或所述多个垂直外腔面发射激光器的能量传输设备。
35.根据前述权利要求29至34中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述能量收集设备还被配置为将对准信号传送到提供所述电磁辐射能量的能量传输设备，确认已经发生了能量接收。
36.根据前述权利要求29至35中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述能量收集设备还被配置为基于在所述接收器(R)上接收到的能量的分布来确定指标值的对准曲线图，并且将对准信号传送至提供电磁辐射能量的能量传输设备以通过所述能量传输设备引导接收的发射束的移位，其中，基于所述指标值的对准曲线图确定所述对准信号。
37.根据前述权利要求29至36中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述能量收集设备还被配置为确定接收到的能量下降到预定阈值以下，并且将表示接收到的能量下降到预定阈值以下的安全信号传送到提供所述电磁辐射能量的能量传输设备。
38.根据前述权利要求29至37中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述能量收集设备还被配置为与移动通信网络通信，以接收用于提供补充电磁辐射能量的一个或多个能量传输设备的地理位置数据。
39.根据前述权利要求29至38中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述能量收集设备还被配置为与移动通信网络通信，以接收当前能用于提供补充电磁辐射能量的一个或多个能量传输设备的地理位置数据。
40.根据前述权利要求中的任一项所述的能量收集设备，其中，所述基座(205)包括移动设备(MD1)，所述移动设备(MD1)被配置为在其上安装接收器(206)，以便能够将接收器表面定向为相对于激光束定位。
41.一种无人机或无人飞行器，其包括根据前述权利要求29至40中的任一项所述的能量收集设备。
42.一种功率定向传送系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的能量传输设备(ETD，602)以及根据前述权利要求29至40中任一项所述的能量收集设备(EHD)。
43.根据权利要求42所述的功率定向传送系统，其中，所述激光系统安装在装置上，以使得其光束能够到达固定或移动的远程接收单元，
接收系统包括安装在装置上的多个光电二极管，以使激光束保持垂直于光电二极管的表面，
其中，所述激光系统包括：
垂直外腔面发射激光矩阵，所述垂直外腔面发射激光矩阵包括安装在移动平台上的至少一个VECSEL和准直光学器件。
44.根据权利要求42或43所述的功率定向传送系统，其中，
其被配置为执行锁定过程，所述过程涉及激光系统以安全功率扫描空间直到来自接收系统的反馈允许建立能量传输为止的阶段。
45.根据权利要求42至44中的任一项所述的功率定向传送系统，
其中，所述系统被配置为当接收器接收到的功率显著降低时触发安全模式，以触发发射的功率降低到安全水平以下的安全模式。
46.根据权利要求42至45中的任一项所述的功率定向传送系统，其中，
激光系统以连续模式或脉冲模式工作，并且所述接收系统能够检测脉冲信号，所述接收系统被配置为通过特定的时间模式或激光调制来识别正确的光束。
47.一种功率定向传送方法，其包括使用根据权利要求42至46中任一项所述的功率定向传送系统进行功率定向传送。
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