CN114221712A - 一种光束可调节的激光无线能量传输系统 - Google Patents

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席新渝
陈东文
李德洪
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Abstract

本发明涉及一种光束可调节的激光无线能量传输系统，包括激光发射模块、准直扩束模块、光电转换模块以及负载电路模块，其中，所述激光发射模块用于发射特定波长且功率可调的激光光束，所述准直扩束模块用以调整激光束形状和光斑面积，光电转换模块用以接收激光发射模块发射的激光并将光能转换为电能，负载电路模块用于接收激光接收模块转换的电能。本发明在接入电源后激光发射模块发射特定波长的激光光束，通过调节准直扩束模块中三组元透镜相对位置，将光束整形后传输到光电转换模块，最后转换为电能被负载电路接收。本发明中的激光单色性强，与激光电池契合度高于太阳光，能量密度更大，因此激光无线能量传输系统的转换效率和输出功率更高。

Description

一种光束可调节的激光无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及一种光束可调节的激光无线能量传输系统，属于无线传能系统技术领域。
背景技术
激光无线能量传输技术利用激光作为载体，进行无线传能。与其它无线传能方式相比，激光式无线传能方式具有单色性好、方向性强以及高能量密度的特点。同时即使激光光源发射功率较小，激光式无线传能系统也能实现远距离的能量传输，因此适合应用于飞行器、无人机等移动平台，提供灵活的供能方式，增加其飞行半径与续航里程。
经过对现有技术的检索发现，目前的激光无线能量传输系统专利较少，同时大都只针对系统的一部分进行设计或改进，因此系统里会存在一些缺陷。如中国专利申请号201810716567.7的专利设计了一种激光无线传能发射接收系统，将激光器发射的点状光斑转换为矩形光斑，从而能够与接收端激光电池的形状相匹配。但并未考虑光斑尺寸和激光波长与激光电池材料的匹配以及传输距离带来的影响和激光电池长时间被激光照射温度上升导致光电转换效率降低的影响。
通过以上检索可知，现有激光无线能量传输系统存在激光器与激光电池不匹配、光束控制与传输距离不匹配、激光电池散热不足等问题。
发明内容
本发明的目的是：设计一套实现激光器与激光电池匹配的激光无线能量传输系统。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，包括：
激光发射模块，用于将外部电源提供的电能转换为光能后，向准直扩束模块发射特定波长的激光光束；
准直扩束模块，用于整形接收到的激光光束，调整激光光束的光束发散角以及光斑尺寸形状，使得激光光束的光斑匹配激光电池受光面，经准直扩束模块整形后的激光光束射向光电转换模块；
光电转换模块，用于接收激光光束的激光能量，并将该激光能量转换为电能后供给负载。
优选地，所述激光发射模块由激光电源和功率1000mW、波长940nm的红外半导体激光器组成，由激光电源将电流引入红外半导体激光器后，红外半导体激光器受激发射所述激光光束。
优选地，所述光电转换模块包括最佳转换效率对应波长接近940nm的硅激光电池，由风冷散热器实现硅激光电池的散热。
优选地，所述准直扩束模块为无焦变倍准直扩束系统，通过不同焦距透镜的组合使得光斑面积适配于激光电池受光面。
优选地，所述无焦变倍准直扩束系统包括三组元透镜组，每组元透镜组采用“凹透镜-凹透镜-凸透镜”形式。
优选地，所述三组元透镜组包括：
固定元透镜组l1，用于固定扩大光斑；
变倍元透镜组l2，当需要调节系统扩大倍数时，首先调节变倍元透镜组l2；
补偿元透镜组l3，当变倍元透镜组l2被调节后，再调节补偿元透镜组l3，使得系统始终为无焦系统；
固定元透镜组l1的像点、像方焦点与变倍元透镜组l2的物点重合；变倍元透镜组l2的像点、补偿元透镜组l3的物点、物方焦点重合。
优选地，调节变倍元透镜组l2的移动距离x以及补偿元透镜组l3的移动距离y包括以下步骤：
步骤1、将设计人员所需的光斑扩大倍数R代入式(1)，求出变倍元透镜组l2的放大倍率m2(q)：
Figure BDA0003417469070000021
式(1)中，f'3为补偿元透镜组l3的焦距，f'1为固定元透镜组l1的焦距；
步骤2、将放大倍率m2(q)代入式(2)，求出变倍元透镜组l2的移动距离x：
Figure BDA0003417469070000022
式(2)中，f'1为变倍元透镜组l2的焦距，d1为固定元透镜组l1与变倍元透镜组l2的间距；
步骤3、将移动距离x代入式(3)，求出补偿元透镜组l3的移动距离y：
Figure BDA0003417469070000031
式(3)中，d2为变倍元透镜组l2与补偿元透镜组l3的间距。
本发明的有益效果在于：该光束可调节的激光无线能量传输系统，一方面从波长考虑选择了对应硅激光电池最佳光电转换效率的波长，940nm波长激光器。另一方面从光斑与激光电池受光面匹配的角度考虑，在实验条件允许范围内让光斑的形状尺寸尽可能接近激光电池受光面，使得激光电池的光电转换效率接近理论最佳情况。通过添加风冷散热器能够解决激光电池长时间被高功率密度的激光照射后温度上升导致转换效率下降的问题。使用该光束可调节的激光无线能量传输系统，解决了激光光斑与激光电池的匹配以及激光电池的散热问题。该系统可实现大功率激光束的远距离无线传输，如果搭配上控制追踪模块，可大幅提高小型移动平台的续航里程以及作战半径，具有较高的应用价值。
附图说明
图1是常用激光电池材料的波长-光电转换效率图。
图2是本发明的一种光束可调节的激光无线能量传输系统的结构示意图。
图3是准直扩束模块的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
激光电池的光电转换效率和入射光波长的关系式为：
Figure BDA0003417469070000032
式(1)中，
Figure BDA0003417469070000033
是对应激光波长为λ的入射光强，s是激光电池受光面面积，h为普朗克常数，c是真空中的光速，η是激光电池的光电转化效率，Pmax是激光电池最大输出功率。该对应关系如图1所示，不同材料激光电池最佳光电转换效率所对应的波长范围也不同。AlGaAs激光电池的最佳波长范围对应波长540-580nm范围内的激光器，GaAs激光电池的最佳波长范围对应波长760-840nm范围内的激光器，Si激光电池的最佳波长范围对应波长840-960nm范围内的激光器，CulnSe2激光电池的最佳波长范围对应波长1000-1100nm范围内的激光器，GaSb激光电池的最佳波长范围对应波长1400-1600nm范围内的激光器。本领域的其他技术人员在设计激光无线能量传输系统时也可依此来选择合适的激光电池和激光器。
如图2所示，本发明公开的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，包括激光电源、半导体激光器、准直扩束模块、激光电池、风冷散热器、可调节电阻器以及万用表。激光电源将电流输入半导体激光器后，半导体激光器发生受激复合辐射产生光子，从镜头出发射激光光束。激光光束经过准直扩束模块，随后整形后的激光光束到达激光电池，激光电池将接收到的光能转换为电能，最后将电能传输给负载电路。本实施例中，负载电路由电压表、电流表和旋钮式可调节电阻器组成。
图3是准直扩束模块的原理图，本发明的准直扩束模块采用三组“凹透镜-凹透镜-凸透镜”形式的元透镜组，具有变倍迅速的优点。其中，l1为固定元透镜组，用于固定扩大光斑。l2为变倍元透镜组，当需要调节系统扩大倍数时，首先调节变倍元透镜组l2。l3为补偿元透镜组，当变倍元透镜组l2被调节后，需要再调节补偿元透镜组l3，使得系统始终为无焦系统。固定元透镜组l1的像点、像方焦点与变倍元透镜组l2的物点重合，为图3中的点M。变倍元透镜组l2的像点、补偿元透镜组l3的物点、物方焦点重合，为图3中的点N。
实施例1
本实施例中，假设变倍元透镜组l2相对初始位置移动距离x，补偿元透镜组l3相对初始位置移动距离y，则可依式(2)求出变倍元透镜组l2的放大倍率m2(q)：
Figure BDA0003417469070000041
式(2)中，f'1、f'2分别为固定元透镜组l1、变倍元透镜组l2的焦距，d1为固定元透镜组l1与变倍元透镜组l2的间距。
再结合变倍元透镜组l2的物象关系可以得到补偿元透镜组l3的移动距离为：
Figure BDA0003417469070000051
式(3)中，f'3为补偿元透镜组l3的焦距，d2为变倍元透镜组l2与补偿元透镜组l3的间距。
最后根据入射光与出射光的半径之比可以求出准直扩束系统的扩束比R，扩束比R即为设计人员所需的光斑扩大倍数：
Figure BDA0003417469070000052
根据式(1)～(4)可以求出变倍元透镜组l2和补偿元透镜组l3的移动规律。
实施例2
本实施例中，在已知准直扩束模块中三组元透镜组的各透镜焦距以及相互之间的间距的情况下，将设计人员所需的光斑扩大倍数R代入式(4)，即可求出变倍元透镜组l2的放大倍率m2(q)。再将放大倍率m2(q)代入式(2)，可以求出变倍元透镜组l2的移动距离x。最后将移动距离x代入式(3)，就可以求出补偿元透镜组l3的移动距离y。
综上所述，本实施例的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，首先根据激光电池材料的特性选择对应电池最佳转换效率的波长范围的激光器，实现激光波长与激光电池材料的匹配；再通过准直扩束模块中三组元透镜组对激光光斑面积的调整，实现激光电池受光面面积和激光光斑的匹配。从上述两个方面解决了激光光束与激光电池匹配效率较低的问题。

Claims (7)

1.一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，包括：
激光发射模块，用于将外部电源提供的电能转换为光能后，向准直扩束模块发射特定波长的激光光束；
准直扩束模块，用于整形接收到的激光光束，调整激光光束的光束发散角以及光斑尺寸形状，使得激光光束的光斑匹配激光电池受光面，经准直扩束模块整形后的激光光束射向光电转换模块；
光电转换模块，用于接收激光光束的激光能量，并将该激光能量转换为电能后供给负载。
2.如权利要求1所述的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述激光发射模块由激光电源和功率1000mW、波长940nm的红外半导体激光器组成，由激光电源将电流引入红外半导体激光器后，红外半导体激光器受激发射所述激光光束。
3.如权利要求1所述的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述光电转换模块包括最佳转换效率对应波长接近940nm的硅激光电池，由风冷散热器实现硅激光电池的散热。
4.如权利要求1所述的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述准直扩束模块为无焦变倍准直扩束系统，通过不同焦距透镜的组合使得光斑面积适配于激光电池受光面。
5.如权利要求4所述的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述无焦变倍准直扩束系统包括三组元透镜组，每组元透镜组采用“凹透镜-凹透镜-凸透镜”形式。
6.如权利要求5所述的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，所述三组元透镜组包括：
固定元透镜组l1，用于固定扩大光斑；
变倍元透镜组l2，当需要调节系统扩大倍数时，首先调节变倍元透镜组l2；
补偿元透镜组l3，当变倍元透镜组l2被调节后，再调节补偿元透镜组l3，使得系统始终为无焦系统；
固定元透镜组l1的像点、像方焦点与变倍元透镜组l2的物点重合；变倍元透镜组l2的像点、补偿元透镜组l3的物点、物方焦点重合。
7.如权利要求6所述的一种光束可调节的激光无线能量传输系统，其特征在于，调节变倍元透镜组l2的移动距离x以及补偿元透镜组l3的移动距离y包括以下步骤：
步骤1、将设计人员所需的光斑扩大倍数R代入下式(1)，求出变倍元透镜组l2的放大倍率m2(q)：
Figure FDA0003417469060000021
式(1)中，f'3为补偿元透镜组l3的焦距，f'1为固定元透镜组l1的焦距；
步骤2、将放大倍率m2(q)代入下式(2)，求出变倍元透镜组l2的移动距离x：
Figure FDA0003417469060000022
式(2)中，f'3为变倍元透镜组l2的焦距，d1为固定元透镜组l1与变倍元透镜组l2的间距；
步骤3、将移动距离x代入式(3)，求出补偿元透镜组l3的移动距离y：
Figure FDA0003417469060000023
式(3)中，d2为变倍元透镜组l2与补偿元透镜组l3的间距。
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