CN114447756A - 激光发射装置、激光发射方法和激光无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种激光发射装置、激光发射方法和激光无线充电系统，涉及无线充电领域，用于扩大激光发射装置跟踪激光接收装置的范围。激光发射装置包括：检测控制模块、泵浦源以及设置于光路上的第一反射镜组、增益介质和光束偏转模块；增益介质受泵浦源泵浦而发射荧光，受激于荧光在第一反射镜组与激光接收装置之间谐振发射激光；光束偏转模块射出增益介质发射的荧光或激光以及向增益介质射入由激光接收装置反射的荧光或激光；检测控制模块将光束偏转模块调节至多个预设发射角度；检测在多个预设发射角度荧光或激光的光强以及激光在检测控制模块上光斑位置；如果在任一预设发射角度光强大于第一阈值，则根据光斑位置调节光束偏转模块的发射角度。

Description

激光发射装置、激光发射方法和激光无线充电系统
技术领域
本申请涉及激光无线充电领域，尤其涉及一种激光发射装置、激光发射方法和激光无线充电系统。
背景技术
激光无线充电技术是一种远距离无线充电技术，即激光发射装置向激光接收装置发射激光，激光接收装置接收激光后将其转换为电能并进行充电的技术。
在实际应用中由于激光接收装置相对激光发射装置是移动的，因此激光发射装置要对激光接收装置的位置进行扫描和跟踪。对于激光发射装置和激光接收装置通过形成谐振而传输激光的激光无线充电系统来说，受制于谐振的稳定性限制，激光发射装置发射的激光的范围很小，使得激光接收装置很容易接收不到激光。
发明内容
本申请实施例提供一种激光发射装置、激光发射方法和激光无线充电系统，用于扩大激光发射装置跟踪激光接收装置的范围。
为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供了一种激光发射装置，包括：检测控制模块、泵浦源，以及，设置于光路上的第一反射镜组、增益介质和光束偏转模块；增益介质，用于受泵浦源的泵浦而发射荧光，以及，受激于荧光在第一反射镜组与激光接收装置之间的谐振而发射激光；光束偏转模块，用于射出增益介质发射的荧光或激光，以及，向增益介质射入由激光接收装置反射的荧光或激光。检测控制模块，用于：依次将光束偏转模块调节至多个预设发射角度，即通过在一定区域内发射激光来对激光接收装置进行扫描。检测在多个预设发射角度时荧光或激光的光强，以及，激光在检测模块上的光斑位置；如果在任一预设发射角度光强大于第一阈值，即激光在第一反射镜组与激光接收装置之间产生谐振，则根据光斑位置调节光束偏转模块的发射角度，以使光束偏转模块射出的激光对准激光接收装置，即进行精细调节。本申请实施例提供的激光发射装置，由于光束偏转模块可以大角度调节激光的发射角度，不必受制于反射镜的反射范围限制以及谐振腔的稳定性限制，因此可以提高激光发射装置的激光的发射范围。
在一种可能的实施方式中，检测控制模块包括控制模块和检测模块，控制模块向减小光斑位置与检测模块中心之间的偏差的方向，调节光束偏转模块的发射角度，直至光斑位置与检测模块中心之间的偏差的绝对值小于等于第二阈值。该实施方式公开了控制模块具体怎样精细控制光束偏转模块的发射角度，光斑位置越靠近检测模块的中心，激光的功率越大。
在一种可能的实施方式中，光束偏转模块包括第一振镜和第二振镜；来自增益介质的荧光或激光依次通过第一振镜和第二振镜反射后射出，从激光发射装置外射入的荧光或激光依次通过第二振镜和第一振镜反射后传输回增益介质；控制模块通过控制第一振镜和第二振镜的旋转角度来调节光束偏转模块的发射角度。该实施方式公开了光束偏转模块的一种可能结构，通过调节第一振镜和第二振镜的旋转角度可以调节扫描的角度，也可以精细调节激光发射装置发射激光的方向，以对准激光接收装置。
在一种可能的实施方式中，激光发射装置还包括第一透镜组，第一透镜组设置于增益介质和光束偏转模块之间的光路上，第一透镜组用于调节激光的起振距离和起振角度范围。通过改变第一透镜组的光学参数例如镜片的焦距或放大倍数等，可以改变不同距离下和角度范围下的谐振腔稳定性，例如放大倍数越小，则起振距离越近，但起振角度范围更大；放大倍数越大，则起振距离越远，但起振角度范围越小。又例如，焦距越长，则起振距离越长，但起振角度范围更小；焦距越短，则起振距离越短，但起振角度范围更大。
在一种可能的实施方式中，激光发射装置还包括部分反射镜，部分反射镜设置于增益介质和光束偏转模块之间的光路上，部分反射镜能够向增益介质部分反射荧光或激光。部分反射镜能够向增益介质部分反射第一波长的荧光或激光，从而可以降低第一波长的激光的起振泵浦阈值。其中，部分反射镜反射的荧光光强较弱，部分反射镜的反射率乘以增益介质的增益系数小于1，使得没有激光接收装置反射时，部分反射镜与第一反射镜之间不会形成谐振。当激光接收装置反射第一波长的光时，谐振腔内的增益大于损耗，谐振腔内可以产生谐振并发出第一波长的激光。
在一种可能的实施方式中，泵浦源和增益介质合设为电泵浦半导体增益芯片。可以减小激光发射装置的体积。
第二方面，提供了一种激光发射方法，应用于如第一方面及其任一实施方式的激光发射装置，该方法包括：依次将激光发射装置的光束偏转模块调节至多个预设发射角度；检测在多个预设发射角度时荧光或激光的光强，以及，激光在激光发射装置的检测控制模块上的光斑位置；如果在任一预设发射角度光强大于第一阈值，则根据光斑位置调节光束偏转模块的发射角度，以使光束偏转模块射出的激光对准激光接收装置。
在一种可能的实施方式中，根据光斑位置调节光束偏转模块的发射角度，包括：向减小光斑位置与检测控制模块的检测模块中心之间的偏差的方向，调节光束偏转模块的发射角度，直至光斑位置与检测模块中心之间的偏差的绝对值小于等于第二阈值。
第三方面，提供了一种激光无线充电系统，包括如第一方面及其任一实施方式的激光发射装置和激光接收装置；激光接收装置包括第二反射镜组、激光光伏电池、功率变换电路和负载电路；第二反射镜组用于将来自激光发射装置的光束偏转模块的荧光或激光的一部分反射回光束偏转模块，将另一部分透射至激光光伏电池；功率变换电路用于对来自激光光伏电池的电能进行功率变换后输出给负载电路。
关于第二方面及第三方面的技术效果参照第一方面及其任一实施方式的技术效果，在此不再重复。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种激光无线充电系统的架构示意图一；
图2为本申请实施例提供的一种激光器原理的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种反射镜组的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种激光无线充电系统的架构示意图二；
图5为本申请实施例提供的一种荧光范围和起振范围的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种激光无线充电系统的架构示意图三；
图7为本申请实施例提供的一种激光无线充电系统的架构示意图四；
图8为本申请实施例提供的一种激光无线充电系统的架构示意图五；
图9为本申请实施例提供的一种激光发射装置的结构示意图一；
图10为本申请实施例提供的一种激光发射装置的结构示意图二；
图11为本申请实施例提供的一种激光发射装置的结构示意图三；
图12为本申请实施例提供的一种四象限光电探测器的结构示意图；
图13为本申请实施例提供的一种控制第一振镜和第二振镜的旋转角度的示意图；
图14为本申请实施例提供的一种扫描方式的示意图。
具体实施方式
激光无线能量传输技术是指激光发射装置以激光为载体向外传输能量，由激光接收装置接收并转换为电能的技术。相对于电磁无线能量传输技术，激光无线能量传输技术其指向性更好，传输距离更远。
将激光无线能量传输技术应用于对激光接收装置进行充电即称为激光无线充电技术。如图1所示，激光无线充电系统包括激光发射装置11和激光接收装置12。激光接收装置12包括激光光伏电池121、功率变换电路122和负载电路123。激光发射装置11产生某种波长的激光，激光光伏电池121接收激光后将激光能转换为电能，功率变换电路122将激光光伏电池产生的电压转换为负载电路123所需的电压，从而向负载电路123供电。
激光发射装置可以为激光无线充电器、激光发射塔等能够发射激光的设备，激光接收装置可以为手机、电动汽车等能够接收激光并将激光转换为电能的设备。
激光发射装置一般由激光器演进而来，因此首先对激光器的基本工作原理进行描述：
如图2所示，激光器包括泵浦源21、增益介质(也称为工作物质)22和谐振腔23。泵浦源21作为能量源，用于向增益介质22提供能量，增益介质22受泵浦而发射并放大特定波长的激光，激光在谐振腔23中振荡往复，并在增益介质22中得到增强，然后在谐振腔23的一端输出激光。
泵浦源21包括光泵浦源、电泵浦源等；常用的一种泵浦源是半导体激光器泵浦源，实现从电能到光能的转化。
增益介质22的类型包括液体、气体和固体。液体包括例如有机溶液，气体包括例如二氧化碳，固体包括例如半导体、晶体材料(例如掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)晶体)等。
谐振腔23包括两个反射镜组，光子在两个反射镜组之间来回反射，并不断在增益介质中引起受激辐射，从而产生高光强的激光。反射镜组用于将入射光原路或平行返回。将谐振腔里的一个反射镜组做成全反射镜，另一个反射镜组做成部分反射镜，这样就会有一部分激光可以从部分反射镜的另一侧输出。
如图3所示，本申请不限定反射镜组的结构，可以是例如：图3中A所示的角锥反射镜，图3中B所示的包括凸透镜和平面镜的镜组，图3中C所示的包括凸透镜和凹面镜的镜组，或者，图3中D所示的折射率大于等于1.9并且小于等于2.1的近球逆射器等。
增益介质22发射光子的过程包括自发辐射和受激辐射，增益介质22发射的光也因此包括荧光和激光：
增益介质22受泵浦源21泵浦之后，出现上能级粒子数反转(即高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目)，反转的上能级粒子可以发射一个光子从而返回到基态，这个过程即是自发辐射，这种光就是荧光。当谐振腔23没有形成谐振时，以自发辐射的荧光为主，自发辐射的荧光具有4π的立体角(即向全方向发射，无方向性)。
当谐振腔开始谐振后，增益介质22受谐振腔中反射的荧光的激发，对光进行放大并沿原方向继续发射，这个过程即是受激辐射，这种放大后的光就是激光，其发射方向与入射光的方向相同，因此具有良好的方向性。当谐振腔开始谐振后，自发辐射会被大大的削弱，荧光强度降低，而激光的强度会升高。
将上述包括两个反射镜组的激光器应用到激光无线充电领域中，如图4所示，本申请实施例提供了一种激光无线充电系统，包括激光发射装置41和激光接收装置42。激光发射装置41包括泵浦源411、增益介质412和第一反射镜组413，激光接收装置42包括激光光伏电池421、功率变换电路422、负载电路423和第二反射镜组424。功率变换电路422包括直流-直流(direct current-direct current，DC-DC)电路4221，可选的，还包括最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)电路4222。
该激光无线充电系统的工作原理如下：
第一反射镜组412和第二反射镜组424构成了谐振腔，其中，第一反射镜组412为全反射镜，第二反射镜组424为部分反射镜。泵浦源411作为能量源向增益介质412提供能量，增益介质412受泵浦而发射并放大特定波长的激光，激光在谐振腔中振荡往复，一部分激光从第二反射镜组412的另一侧射出。激光光伏电池421接收激光后将激光能转换为电能，功率变换电路422将激光光伏电池产生的电压转换为负载电路423所需的电压，从而向负载电路423供电。
其中，功率变换电路422中的MPPT电路4222用于实现最大功率跟踪，使得激光光伏电池421输出最大电功率，MPPT 4222一般为升压(boost)电路。DC-DC电路4221用于将MPPT电路4222输出的电压变换为负载电路所需要的电压，DC-DC电路4221可以是降压(buck)电路、升压(boost)电路或降压升压(buck-boost)电路等具有电压变换功能的电路。
由于反射镜能一定范围内实现将入射光原路或平行返回，因此只要第一反射镜组和第二反射镜组以及增益介质近似在一条直线上，那么就可以实现能量的传输，就可以实现一定范围内对激光接收装置的自动定位和跟踪。当有人进入光路中时，激光在谐振腔中的谐振停止，因此不会对人造成伤害。
但是受到反射镜的反射范围限制以及谐振腔的稳定性限制，这个扫描和跟踪的范围不是很大。如图5所示，增益介质412受泵浦而发射一定荧光范围内的荧光，受到谐振腔的稳定性限制，第二反射镜组424在荧光范围内不是都能够与第一反射镜组413形成谐振腔，而是在一个比荧光范围更小的起振范围内与可以与第一反射镜组413形成谐振腔。当第二反射镜组424(即激光接收装置42)在起振范围内移动时，则因为谐振而接收到激光，当第二反射镜组424(即激光接收装置42)移出起振范围时，则因为谐振停止而不能接收到激光。
为此，本申请实施例提供了另一种激光无线充电系统，在激光发射装置增加光束偏转模块，扩大起振范围，在起振范围内对激光接收装置进行扫描，激光发射装置检测荧光或激光的光强和在检测模块上的光斑位置。当激光接收装置在起振范围之内时，激光发射装置与激光接收装置形成谐振腔，激光发射装置产生激光，此时激光的光强大于阈值，以此来实现粗定位。然后激光发射装置根据激光在检测模块上的光斑位置对光束偏转模块进行调节，以此调节激光发射装置产生的激光功率。由于光束偏转模块可以大角度的调整激光的发射角度，突破了反射镜的反射范围限制以及谐振腔的稳定性限制，从而可以提高激光发射装置的激光的发射范围，并扩大激光发射装置跟踪激光接收装置的范围。
如图6-图8所示，在图4所示的激光无线充电系统的基础上：激光发射装置41可以包括：检测控制模块(包括控制模块414、检测模块415)、泵浦源411，以及，依次设置于谐振腔的光路上的第一反射镜组413、增益介质412和光束偏转模块416。控制模块414电连接至检测模块415、泵浦源411以及光束偏转模块416。
可选的，如图7和图8所示，激光发射装置41还可以包括设置于谐振腔中的比例分束镜417，比例分束镜417可以设置于增益介质412和光束偏转模块416之间的光路上(图7)，或者，可以设置于第一反射镜组413和增益介质412之间的光路上(图8)。
可选的，如图6-图8所示，激光发射装置41还可以包括第一透镜组418，第一透镜组418可以设置于增益介质412和光束偏转模块416之间的光路上。
可选的，如图6-图8所示，激光发射装置41还可以包括部分反射镜419，部分反射镜419可以设置于增益介质412和光束偏转模块416之间的光路上。
下面对各器件的功能进行描述：
增益介质412用于受泵浦源411的泵浦而向第一反射镜组413和光束偏转模块416发射第一波长(例如1064nm)的荧光。第一反射镜组413将来自增益介质412的第一波长的荧光反射回增益介质后，通过光束偏转模块416射出，可以射向激光接收装置42。光束偏转模块416将从装置外射入(例如从激光接收装置42反射)的第一波长的荧光反射回增益介质412后，传输至第一反射镜组413。当激光接收装置42未与激光发射装置41形成谐振时，增益介质412会发出荧光，部分荧光会被光束偏转模块416反射到激光发射装置41外部，这部分荧光非常微弱，对人体是安全的。
增益介质412还用于受激于荧光在第一反射镜组413与激光接收装置42(的第二反射镜组424)之间的谐振而发射激光。与荧光类似的，第一反射镜组413将来自增益介质412的第一波长的激光反射回增益介质后，通过光束偏转模块416射出，可以射向激光接收装置42。光束偏转模块416将从装置外射入(例如从激光接收装置42反射)的第一波长的激光反射回增益介质412后，传输至第一反射镜组413。
可选的，如图9和图10所示，泵浦源411和增益介质412可以分开设置，例如，泵浦源411可以为光泵浦源，泵浦源411向增益介质412发射第二波长(例如808nm)的泵浦光，增益介质412受激于第二波长的泵浦光而向第一反射镜组413和光束偏转模块416发射第一波长的荧光或激光。
可选的，如图11所示，泵浦源411和增益介质412可以合并设置，例如，泵浦源411和增益介质412可以为电泵浦半导体增益芯片。
可选的，如图9-图11所示，第一反射镜组413可以包括凸透镜F1和平面镜M1。凸透镜F1和平面镜M1的间距L1约等于凸透镜F1的焦距f1，凸透镜F1和增益介质的距离L2约等于凸透镜F1的焦距f1。
可选的，如图9和图10所示，平面镜M1的两侧可以生长有针对第二波长的高透膜(例如抗反射高透(anti-reflective，AR)膜)，平面镜M1的一侧(反光面)可以生长有针对第一波长的高反膜(例如高反射低透(high-reflective，HR)膜)。凸透镜F1的两侧可以生长有针对第一波长和第二波长的高透膜。使得泵浦源411发射的第二波长的泵浦光能够通过平面镜M1和凸透镜F1照射至增益介质412，而增益介质412发射的第一波长的荧光或激光被反射回增益介质412。
可选的，如图9和图10所示，增益介质412第一侧可以生长有针对第一波长和第二波长的高透膜，增益介质412的第二侧可以生长有针对第一波长的高透膜以及针对第二波长的高反膜。增益介质412的第一侧为面向第一反射镜组413的一侧，增益介质412的第二侧为第一侧的对侧。使得第二波长的泵浦光能够从第一侧进入增益介质412而不会从第二侧泄漏，而第一波长的荧光或激光能够从第一侧和第二侧射出或射入。
可选的，如图6所示，第一反射镜组413还用于将第一波长的荧光或激光的一部分传输给检测模块415。示例性的，如图11所示，平面镜M1可以为部分反射镜，例如透光率可以为5％，反射率可以为95％。凸透镜F1两侧生长有针对第一波长的高透膜。使得第一波长的荧光或激光的一部分能够通过平面镜M1透射至检测模块415上。
可选的，如图11所示，增益介质412的入射面(或称出射面)可以生长针对第一波长的高透膜，增益介质412的反射面(与泵浦源411的结合面)可以生长针对第一波长的高反膜。使得第一波长的荧光或激光能射入或射出增益介质，并且减少第一波长的荧光或激光在增益介质内的损耗。
比例分束镜417，用于将第一波长的荧光或激光的一部分(例如4％)传输给检测模块415，另一部分(例如96％)被按照一定角度反射，被反射的部分在第一反射镜组413与光束偏转模块416之间谐振。示例性的，如图9和图10所示，比例分束镜417可以是与激光呈非垂直角度(例如45度)的、具有一定透射率(例如4％)或反射率(例如96％)的部分反射镜。当激光发射装置与激光接收装置形成谐振时，由于比例分束镜417具有一定透射率，从激光接收装置42反射的第一波长的激光会有一部分通过比例分束镜417透射至检测模块415上。
检测控制模块用于依次将光束偏转模块调节至多个预设发射角度，即通过在一定区域内发射激光来对激光接收装置进行扫描。检测在多个预设发射角度时荧光或激光的光强，以及，激光在检测控制模块上的光斑位置。如果在任一预设发射角度光强大于第一阈值，即激光在第一反射镜组413与激光接收装置的第二反射镜组424之间产生谐振，则根据光斑位置调节光束偏转模块的发射角度，以使光束偏转模块射出的激光对准激光接收装置，即进行精细调节，光斑位置越靠近检测控制模块的中心，激光的功率越大。
检测模块415，用于检测第一波长的荧光或激光的光强，以及激光在检测模块415上的光斑位置，由于起振范围的存在，所以照射至检测模块415的接收面的激光的光斑位置不是固定的。检测模块415可以包括例如位置传感器(position sensitive device，PSD)、红外摄像头、四象限光电探测器或光电二极管(PhotoDiode，PD)等。
可选的，为了避免杂散光对于光斑位置检测的干扰，可以在检测模块415表面设置针对第一波长的带通滤光片，例如1064nm的带通滤光片，或者，检测模块415的表面生长有针对第一波长的带通镀膜。这样只有第一波长附近的光可以被检测模块415检测到，而其他波长的光不会被检测模块415检测到。
在一种可能的实施方式中，如图6和图11所示，在激光发射装置41不包括比例分束镜417时，检测模块415可以设置于第一反射镜组413的透光侧，第一反射镜组413可以将第一波长的荧光或激光的一部分传输给检测模块415，检测模块415检测第一波长的荧光或激光的光强和光斑位置。
在另一种可能的实施方式中，如图7-图10所示，在激光发射装置41包括比例分束镜417时，比例分束镜417用于将第一波长的荧光或激光的一部分传输给检测模块415，检测模块415检测第一波长的荧光或激光的光强，以及，激光在检测模块415上的光斑位置。
下面对检测模块415检测原理进行描述：
示例性的，以检测模块415为四象限光电探测器为例。如图12所示，四象限光电探测器是将四个性能完全相同的PD按照直角坐标的四个象限(A、B、C、D)排列而成的光电探测器件。当有荧光或激光照射到四象限光电探测器表面时，每个象限的PD都会产生电流，通过外部电路将电流信号转换为电压信号以便于进行采样。当荧光或激光照射到在四象限光电探测器正中心时，则四个象限的PD输出电流相同。假设象限A的PD输出电流为Ia，象限B的PD输出电流为Ib，象限C的PD输出电流为Ic，象限D的PD输出电流为Id。电流大小对应荧光或激光的光强。光斑的质心的坐标(δX,δY)如下公式1和公式2：
Figure BDA0002756614780000061
Figure BDA0002756614780000071
当Ia+Id＝Ic+Ib时，即X轴左侧电流之和等于X轴右侧电流之和，则光斑的质心位于Y轴上，即光斑的质心的X轴坐标x＝0。
当Ia+Ib＝Ic+Id时，即Y轴上侧电流之和等于Y轴下侧电流之和，则光斑的质心位于X轴上，即光斑的质心的Y轴坐标y＝0。
当Ia+Id>Ib+Ic时，即X轴右侧电流之和大于X轴左侧电流之和，则光斑的质心位于X轴的正半轴，即光斑的质心的X轴坐标x>0。
当Ib+Ic>Ia+Id时，即X轴左侧电流之和大于X轴右侧电流之和，则光斑的质心位于X轴的负半轴，即光斑的质心的X轴坐标x<0。
当Ia+Ib>Ic+Id时，即Y轴上侧电流之和大于Y轴下侧电流之和，则光斑的质心位于Y轴的正半轴，即光斑的质心的Y轴坐标y>0。
当Ia+Ib<Ic+Id时，即Y轴下侧电流之和大于Y轴上侧电流之和，则光斑的质心位于Y轴的负半轴，即光斑的质心的Y轴坐标y<0。
通过以上方式可以大致获得荧光或激光的光强以及光斑位置。
示例性的，以检测模块415为PD为例，可以通过多个PD构成四象限光电探测器，其原理与四象限光电探测器相同，在此不再重复。
示例性的，以检测模块415为红外摄像头为例。红外摄像头将拍摄的图像发送给控制模块414，控制模块414分析图像即可以得到第一波长的荧光或激光的亮度和光斑位置，其中，亮度即可以表示光强。例如，图像中明亮区域即为光斑位置，提取该光斑位置的亮度值即可以得到对应的光强。
示例性的，以检测模块415为PSD为例。PSD的接收面为近似正方形，边长为L。
在一种可能的实施方式中，PSD可以输出X1、X2、Y1、Y2四个信号，X1、X2为PSD的X轴两个电极检测光斑产生的光电流转换为电压信号，Y1、Y2为PSD的Y轴两个电极检测光斑产生的光电流转换为的电压信号。
在另一种可能的实施方式中，PSD可以输出XC、YC和OUTH1三个信号，其中，XC、YC和OUTH1与X1、X2、Y1、Y2具有如下关系：XC＝(X2+Y1)-(X1+Y2)，YC＝(X2+Y2)-(X1+Y1)，OUTH1＝X1+X2+Y1+Y2。
计算XC/OUTH1*L/2即可以得到光斑在X方向的光斑位置，计算YC/OUTH1*L/2即可以得到光斑在Y方向的光斑位置，其中，坐标原点为PSD的接收面的中心，OUTH1为光斑的强度。所以检测模块415可以检测第一波长的荧光或激光的强度和光斑位置。
可选的，如图9-图11所示，光束偏转模块416可以包括第一振镜4161和第二振镜4162。可选的，第一振镜4161和第二振镜4162的表面可以生长有针对第一波长的高反膜(例如高反射低透(high-reflective，HR)膜)。来自增益介质412的第一波长的荧光或激光依次通过第一振镜4161和第二振镜4162反射后射出，从激光发射装置外射入的第一波长的荧光或激光依次通过第二振镜4162和第一振镜4161反射后传输回增益介质412。控制模块414通过控制第一振镜4161和第二振镜4162的旋转角度来调节光束偏转模块416的发射角度。
如图9所示，当第一振镜4161和第二振镜4162位置固定时，会形成近似圆锥形的荧光范围，而起振范围会小于荧光范围。如图13所示，假设荧光范围中心在与第一振镜4161的电机旋转轴垂直的平面上投影的坐标为(x,y)，d为第二振镜4162到该平面的距离，e为第一振镜4161和第二振镜4162中心之间的距离。则第一振镜4161在X轴上的旋转角度θx满足公式3，第二振镜4162在Y轴上的旋转角度满足公式4：
Figure BDA0002756614780000081
θy＝arctan(y/d) 公式4
因此可以通过控制第一振镜4161和第二振镜4162的旋转角度来调节光束偏转模块416的发射角度，进而控制扫描路径。示例性的，如图14所示，为几种可能扫描路径，扫描路径可以为图14中A所示的从中心向外围逐个步长扫描，或者，可以为图14中B所示的从外围向中心逐个步长扫描，或者，可以为图14中C所示的按行逐个步长扫描，或者，可以为图14中D所示的按列逐个步长扫描，或者，可以为图14中E所示的按斜行逐个步长扫描，本申请不作限定。需要说明的是，为了避免产生盲区，应当控制扫描的步长，令扫描步长小于起振范围的宽度。
部分反射镜419能够向增益介质412部分反射第一波长的荧光或激光，从而可以降低第一波长的激光的起振泵浦阈值。其中，部分反射镜419反射的荧光光强较弱，部分反射镜419的反射率乘以增益介质412的增益系数小于1，使得没有激光接收装置42反射时，部分反射镜419与第一反射镜415之间不会形成谐振。当激光接收装置42反射第一波长的光时，谐振腔内的增益大于损耗，谐振腔内可以产生谐振并发出第一波长的激光。
第一透镜组418可以调节第一波长的激光的起振范围，起振范围包括起振距离和起振角度范围。通过改变第一透镜组418的光学参数例如镜片的焦距或放大倍数等，可以改变不同距离下和角度范围下的谐振腔稳定性，例如放大倍数越小，则起振距离越近，但起振角度范围更大；放大倍数越大，则起振距离越远，但起振角度范围越小。又例如，焦距越长，则起振距离越长，但起振角度范围更小；焦距越短，则起振距离越短，但起振角度范围更大。
示例性的，如图10所示，第一透镜组418可以包括凸透镜F2和凸透镜F3，本申请不限定部分反射镜419与第一透镜组中各镜片的位置关系，例如，部分反射镜419可以设置于凸透镜F2和凸透镜F3之间，或者设置于第一透镜组以外靠近凸透镜F2一侧，或者设置于第一透镜组以外靠近凸透镜F3一侧。
可选的，凸透镜F2的第一焦点可以位于增益介质412上(例如位于增益介质412的中心)，需要说明的是，如果激光发射装置41包括比例分束镜417，则凸透镜F2的第一焦点经过比例做分束镜417反射后可以位于增益介质412上。凸透镜F2的第二焦点可以与凸透镜F3的第一焦点重合，凸透镜F3的第二焦点可以位于光束偏转模块416的反射面上(例如位于第一振镜4161的反射面上)。
激光发射装置41的工作原理如下：
控制模块414控制泵浦源411为第一泵浦强度，依次将光束偏转模块416调节至多个预设发射角度，以扫描目标区域，此时激光发射装置41发射的是荧光，此过程为粗定位过程，由于激光发射装置41具有一定的起振范围，当激光接收装置42在起振范围以外时，谐振腔没有形成谐振，检测模块415上无明显光斑。
如果在任一预设发射角度，控制模块415通过检测模块415检测到第一波长的荧光或激光的光强大于第一阈值，则认为激光接收装置42在激光发射装置41的起振范围以内，并且激光发射装置41已经与激光接收装置42形成谐振，此时激光发射装置41发射的是激光，完成粗定位过程，此时光斑可能位于检测模块415的边缘位置，激光发射装置41虽然也会通过激光向激光接收装置42传输能量，但是激光功率较低。
控制模块414控制泵浦源411为第二泵浦强度，并根据第一波长的激光的光斑位置调节光束偏转模块416的发射角度。具体的，控制模块414向减小光斑位置与检测模块415中心之间的偏差的方向，调节光束偏转模块416的发射角度，直至光斑位置与检测模块415中心之间的偏差的绝对值小于等于第二阈值，示例性的，第二阈值可以为100微米。
当光斑位置偏离检测模块415的中心时，检测模块415将该偏差发送给控制模块414，控制模块414调节光束偏转模块416，使得该偏差消除。也就是说，控制模块414调节光束偏转模块416使得激光发射装置41的光轴正对激光接收装置42，此时光斑位置位于检测模块415的中心位置，此时激光发射装置41通过激光向激光接收装置42传输能量，并且激光功率最高。
可选的，在将光束偏转模块416调节至目标发射角度后，如果控制模块415检测到第一波长的荧光或激光的光强小于第二阈值，则控制模块414控制泵浦源411为第一泵浦强度，依次将光束偏转模块416调节至多个发射角度，即激光发射装置41跟丢了激光接收装置42，重新进行粗定位。其中，第二阈值小于或等于第一阈值。
对于光斑位置位于检测模块415的中心位置，可以通过检测模块415的以下方式来判断：
如果检测模块415为四象限光电探测器或PD，则四个象限的PD的电流相同，即Ia＝Ib＝Ic＝Id。
如果检测模块415为红外摄像头，则明亮区域位于图像中心。
如果检测模块415为PSD，则XC/OUTH1*L/2和YC/OUTH1*L/2等于坐标原点的坐标。
其中，第二泵浦强度与第一泵浦强度可以相同或不同。在一种可能的实施方式中，第一泵浦强度小于第二泵浦强度，即在扫描过程中，以更小的泵浦强度进行扫描，以降低粗定位过程的功耗；在激光发射装置41通过激光向激光接收装置42传输能量，以较大功率来传输能量，以提高传输效率。或者，根据激光接收装置42反馈的所需功率调节第二泵浦强度。
本申请实施例提供的激光发射装置、激光发射方法和激光无线充电系统，其中，激光发射装置包括：控制模块、检测模块、泵浦源，以及，设置于谐振腔中的第一反射镜组、增益介质和光束偏转模块；控制模块电连接至检测模块、泵浦源以及光束偏转模块；增益介质，用于受泵浦源的泵浦而发射荧光，以及，受激于荧光在第一反射镜组与激光接收装置之间的谐振而发射激光；光束偏转模块，用于射出增益介质发射的荧光或激光，以及，向增益介质射入由激光接收装置反射的荧光或激光；控制模块，用于依次将光束偏转模块调节至多个预设发射角度；检测模块，用于检测荧光或激光的光强，以及，激光在检测模块上的光斑位置；控制模块，还用于如果在任一预设发射角度光强大于第一阈值，则根据光斑位置调节光束偏转模块的发射角度。由于光束偏转模块可以大角度调节激光的发射角度，不必受制于反射镜的反射范围限制以及谐振腔的稳定性限制，因此可以提高激光发射装置的激光的发射范围。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种激光发射装置，其特征在于，包括：检测控制模块、泵浦源，以及，设置于光路上的第一反射镜组、增益介质和光束偏转模块；
所述增益介质，用于受所述泵浦源的泵浦而发射荧光，以及，受激于所述荧光在所述第一反射镜组与激光接收装置之间的谐振而发射激光；
所述光束偏转模块，用于射出所述增益介质发射的所述荧光或激光，以及，向所述增益介质射入由所述激光接收装置反射的所述荧光或激光；
所述检测控制模块，用于：
依次将所述光束偏转模块调节至多个预设发射角度；
检测在所述多个预设发射角度时所述荧光或所述激光的光强，以及，所述激光在所述检测控制模块上的光斑位置；
如果在任一预设发射角度所述光强大于第一阈值，则根据所述光斑位置调节所述光束偏转模块的发射角度，以使所述光束偏转模块射出的激光对准激光接收装置。
2.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述检测控制模块包括控制模块和检测模块，
所述控制模块用于向减小所述光斑位置与所述检测模块中心之间的偏差的方向，调节所述光束偏转模块的发射角度，直至所述光斑位置与所述检测模块中心之间的偏差的绝对值小于等于第二阈值。
3.根据权利要求1-2任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述检测控制模块包括控制模块，所述光束偏转模块包括第一振镜和第二振镜；来自所述增益介质的所述荧光或激光依次通过所述第一振镜和所述第二振镜反射后射出，从所述激光发射装置外射入的所述荧光或激光依次通过所述第二振镜和所述第一振镜反射后传输回所述增益介质；所述控制模块通过控制所述第一振镜和所述第二振镜的旋转角度来调节所述光束偏转模块的发射角度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述检测控制模块包括检测模块，所述激光发射装置还包括设置于所述光路上的比例分束镜，所述比例分束镜用于将所述荧光或激光的一部分传输给所述检测模块；所述检测模块用于检测所述荧光或激光的一部分的光强和光斑位置。
5.根据权利要求4所述的激光发射装置，其特征在于，所述比例分束镜设置于所述增益介质和所述光束偏转模块之间的光路上。
6.根据权利要求4所述的激光发射装置，其特征在于，所述比例分束镜设置于所述第一反射镜组和所述增益介质之间的光路上。
7.根据权利要求1-3任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述检测控制模块包括检测模块，所述第一反射镜组还用于将所述荧光或激光的一部分传输给所述检测模块，所述检测模块用于检测透过所述荧光或激光的光强和光斑位置。
8.根据权利要求1-7任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括第一透镜组，所述第一透镜组设置于所述增益介质和所述光束偏转模块之间的光路上，所述第一透镜组用于调节所述激光的起振距离和起振角度范围。
9.根据权利要求1-8任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括部分反射镜，所述部分反射镜设置于所述增益介质和所述光束偏转模块之间的光路上，所述部分反射镜能够向所述增益介质部分反射所述荧光或激光。
10.根据权利要求1-9任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述泵浦源和所述增益介质合设为电泵浦半导体增益芯片。
11.根据权利要求1-10任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述检测控制模块包括检测模块，所述检测模块包括位置传感器PSD、红外摄像头、四象限光电探测器或光电二极管。
12.根据权利要求1-11任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述第一反射镜组为角锥反射镜、包括凸透镜和平面镜的镜组、包括凸透镜和凹面镜的镜组或者折射率大于等于1.9并且小于等于2.1的近球逆射器。
13.一种激光发射方法，其特征在于，应用于如权利要求1-12任一项所述的激光发射装置，所述方法包括：
依次将所述激光发射装置的光束偏转模块调节至多个预设发射角度；
检测在所述多个预设发射角度时荧光或激光的光强，以及，所述激光在所述激光发射装置的检测控制模块上的光斑位置；
如果在任一预设发射角度所述光强大于第一阈值，则根据所述光斑位置调节所述光束偏转模块的发射角度，以使所述光束偏转模块射出的激光对准激光接收装置。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述光斑位置调节所述光束偏转模块的发射角度，包括：
向减小所述光斑位置与所述检测控制模块的检测模块中心之间的偏差的方向，调节所述光束偏转模块的发射角度，直至所述光斑位置与所述检测模块中心之间的偏差的绝对值小于等于第二阈值。
15.一种激光无线充电系统，其特征在于，包括如权利要求1-12任一项所述的激光发射装置和激光接收装置；所述激光接收装置包括第二反射镜组、激光光伏电池、功率变换电路和负载电路；所述第二反射镜组用于将来自所述激光发射装置的光束偏转模块的荧光或激光的一部分反射回所述光束偏转模块，将另一部分透射至所述激光光伏电池；所述功率变换电路用于对来自所述激光光伏电池的电能进行功率变换后输出给所述负载电路。
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