JP2018522421A - 光学的に無線で電力を供給するためのシステム - Google Patents
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Abstract
Description
磁気誘導−一般的にわずか数mmに範囲が制限される。
太陽電池−通常の(安全な)明るさの部屋で太陽光または人工照明で利用可能なレベルで照らされた場合に携帯電話サイズでは0.1ワット以上を生成できない。
環境発電技術―RF波を利用可能なエネルギーに変換するが、RF信号伝送は健康とFCC規制によって制限されるので、現在の実際的な状況では0.01Wを超えて動作することができない。
同時に、ポータブル電子デバイスの一般的なバッテリーのキャパシティは1〜100ワット×時間であり、一般的に毎日の充電が必要なので、より長い距離でより多くの電力伝送が必要になる。
開発されたシステムは安全でなければならない。
開発されたシステムはコスト効率がよくなければならない。
開発されたシステムは一般的な家庭環境での危険性に耐えうるものでなければならなく、それらにはダスト、指紋または液漏れ等の汚濁物、振動、ビームの遮断、不完全なインストール、あるいは、継続的な床への落下が含まれる。
(i)最大の許可可能な露出値レベルは一般に(いつもそうであるとは限らないが)波長とともに増加し、
(ii)21CFRセクション8で規定される要求を満たすために、人がビームの中に入った後にレーザを約0.1秒でターンオフしても、2.5μを超える長い波長では1.25Wを超える光を伝送できないし、より短い波長では規制リミットはもっと小さくなる。
したがって、ある種の安全システムがなければ、わずか数ミリワットのレーザ電力しか伝送に使用できないし、このレベルではたとえ完全に電気に変換できたとしても、ポータブル電子デバイスを充電するために必要とされる電力よりも著しく低い電力しか供給できない。携帯電話は、例えば、モデルによって異なるが充電のために1〜12Wが必要である。
明細書のこのセクションでおよび他のセクションで言及された刊行物のそれぞれの開示は参照としてその全体がこの明細書に組み込まれる。
一方で、一般人に入手可能な異なる有機、透明材料は数多く有り、新しい透明材料が常にリストに追加され続けている。このことによってこのグループを光学的に特徴付けることには非常に大きな問題があり、実質的には不可能である。
それとは別に、炭素化学物質に基づかない、ほとんどの伝送スペクトルデータを容易に入手可能なさまざまなガラスからほとんどが構成される、一般人に入手可能な透明材料の数は非常に限られている。
(i)C−H振動性の吸収線は一般的に非常にシャープで、その正確な周波数は1つのポリマーから他のポリマーで非常に変化するので、レーザは1つのポリマーを励起でき得るが、他のポリマーを励起できない場合がある。したがって、レーザが当該ポリマーの特定のC−H振動線に正確に調節されなければ、レーザは吸収されない。
(ii)当該C−H振動ピークは一般的に中間の吸収ピークであり、数mm厚の材料セクションによるビームの減衰は20〜50%(すなわち、小さな容器の微量の材料さえも検出できる)が、中間の(cm材料あたり20〜70の%減衰)および強い(cmあたり70%を超える減衰)吸収ピークは一般的に容易に検出できるが、堅固なシステムを構築するためには使用できない。
(a)終端反射体を有し、光ビームを放射するために使用される光共振器と、
(b)前記光共振器の中に配置され、第1のバンドギャップエネルギーを有する利得媒体であって、冷却システムに熱的に接着され、利得媒体を通過する光を増幅するように構成される前記利得媒体と、
(c)前記利得媒体に電力を供給し、前記利得媒体の小信号利得を制御するドライバと、
(d)複数の方向のうち少なくとも1つの方向に光ビームを向けるように構成されるビームステアリング装置と、
(e)前記光ビームを、電圧を有する電力に変換するように構成される光電気電力コンバータであって、第2のバンドギャップエネルギーを有する前記光電気電力コンバータと、
(f)前記光電気電力コンバータによって生成された前記電力の電圧を異なる電圧に変換するように構成される電気的電圧コンバータであって、インダクター、エネルギー貯蔵デバイスおよびスイッチを有する前記電気的電力コンバータと、
(g)前記光電気電力コンバータに関連する少なくとも1つの表面であって、前記利得媒体と前記光電気電力コンバータの間に光学的に配置される表面と、
(h)前記光電気電力コンバータに作用する光ビームを示す信号を供給するように構成される検出器と、
(i)前記ビームステアリング装置と前記ドライバの状態の少なくとも1つを制御するように構成されるコントローラであって、少なくとも前記検出器からの制御入力信号を受信する前記コントローラとを含み、
(j)前記少なくとも1つの表面はそこに入射される光の一部分を以下のように反射する特性を有し、(i)拡散的に、または(ii)反射された光が前記表面に対して前記光共振器から離れて位置する虚焦点を有するように、または(iii)反射された光が。前記表面から前記光共振器の方向に少なくとも1cmに位置する実焦点を有するように反射し、
(k)コントローラは前記検出器から受信された制御入力信号に応答し、(i)前記ドライバに前記利得媒体の前記小信号利得を変更させる、(ii)前記光ビームの放射輝度を変更する、(iii)前記ドライバによって供給された電力を変更する、(iv)前記ビームステアリング装置の走査速度を変更する、(v)前記ビームステアリング装置の走査位置を変更する、(vi)前記光電気電力コンバータの位置を定義する走査位置を記録することのいずれか1つを実行し、
(l)利得媒体はNdイオンがドープされた半導体デバイスまたは固体ホストであり、波数が8、300cm−1から12、500cm−1の範囲にある少なくとも1つの周波数の放射を減衰させるフィルタを含み、
(m)前記第2のバンドギャップエネルギーは前記第1のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
(n)前記第1のバンドギャップエネルギーは0.8eVから1.1eVの範囲に有り、
(o)スイッチのクローズド直列抵抗は次式で与えられるRよりも小さい。
(p)光ビームの放射輝度は少なくとも8kW/m2/ステラジアンであり、周波数は約6940cm−1に位置するC−H吸収の第1の倍音と約8130cm−1に位置するC−H吸収の第2の倍音との間にある。
いずれの当該システムにおいても、異なる電圧は光電気コンバータによって生成された電圧よりも高い電圧であり得る。さらに、ビームステアリング装置の状態はビームステアリング装置の照準方向と、走査速度のどちらかまたは両方であり得る。
さらに、上述のシステムのいずれにおいても、光ビームの放射輝度は少なくとも800kW/m2/ステラジアンであり得る。
別の例示実装形態は、上述のシステムのいずれかを含むことができ、そこでは共振器の終端反射体のそれぞれは(i)誘電体ミラー、(ii)ブラッグミラー、(iii)フレネル反射体あるいは(iv)異なる屈折率を有する誘電体または半導体材料の層を交互に配置した層からなるミラーであり得る。さらに、利得媒体はNdイオンがドープされた透明固体ホスト材料または半導体のいずれかであり得る。当該場合には、システムは波数が8300cm−1よりも大きい放射を抽出するためのフィルタをさらに含み得る。利得媒体が半導体である場合には、量子ドット利得媒体であり得ることが有利である。
上述のシステムのさらなる例示実装形態では、冷却システムは、ヒートシンク、ペルチエダイオード、および流体冷却プレートの少なくとも1つであり得る。システムはファンも備え得る。さらに、利得媒体は200゜ケルビン/ワット熱抵抗よりも小さい半田層を使用して冷却システムに取り付けられ得る。いずれの場合にも、冷却システムは利得媒体と周囲空気との間の熱抵抗が200゜ケルビン/ワット未満であるようにあり得る。
上述のシステムのさらなる実装形態によれば、インダクターのオームを単位として測定された直列抵抗は、ジュールを単位として測定された第1のバンドギャップエネルギーの二乗を2×10−40とワットで測定されたドライバ電力を乗算したものよりも小さい。
他の実装形態では、エネルギー貯蔵デバイスはコンデンサーまたは再充電可能なバッテリーのいずれかであり得る。
さらに、上述のシステムのいずれもリトロ反射体をさらに含み得る。また、利得媒体はドライバによって電気的または光学的に励起され得る。さらに、第2のバンドギャップエネルギーは第1のバンドギャップエネルギーの50%を超え得る。
(a)第1の電力を約6940cm−1に位置するC−H吸収の第1の倍音と第2の倍音との間の周波数を有する電磁波に変換する工程であって、前記電磁波の放射輝度は少なくとも8kW/m2/ステラジアンであり、前記変換する工程は終端反射体を有する光共振器と、第1の電力を受信するレーザドライバに接続される利得媒体を使用して実施され、利得媒体は0.8eV〜1.1eVの間の第1のバンドギャップエネルギーを有し、前記光共振器の内側に位置し、冷却システムに熱的に接着され、通過する電磁波を増幅するように構成される工程と、
(b)制御ユニットによって制御されるビームステアリング装置を使用して、前記電磁波を複数の方向の少なくとも1つに向ける工程と、
(c)部分的に透明面を有するターゲットへのビームの衝突を検出する工程であって、衝突が発生すると制御ユニットを使用して(i)利得媒体の小信号利得を変化させる工程、(ii)電磁ビームの放射輝度を変化させる工程、(iii)第1の電力を変化させる工程、(iv)前記ビームステアリング装置の走査速度を変更する工程、(v)前記ビームステアリング装置の走査位置を変更する工程、(vi)ターゲットの位置を定義する走査位置を記録する工程の少なくとも1つを実施し得る工程と、
(d)第1のバンドギャップエネルギーよりも小さい第2のバンドギャップエネルギーを有する光電気電力コンバータを使用して、電磁波を、電圧を有する第2の電力へ変換する工程と、
(e)電気的電圧コンバータを使用して前記電圧を異なる電圧へ変換する工程であって、前記電気的電圧コンバータはインダクター、エネルギー貯蔵デバイス、および、次式で与えられるRよりも小さなクローズド直列抵抗を有するスイッチを有する工程を含み
ここで
(f)表面は表面に入射する電磁波の一部を以下のように反射するように設計される。(i)拡散的に、または(ii)反射された光が前記表面に対して前記光共振器から離れて位置する虚焦点を有するように、または(iii)反射された光が。前記表面から前記光共振器の方向に少なくとも1cmに位置する実焦点を有するように設計され、
(g)利得媒体はNdイオンがドープされた半導体デバイス、または固体ホストであって、波数が8、300cm−1から12、500cm−1の範囲にある少なくとも1つの周波数に対して放射を減衰させるフィルタを含み、
当該方法では、スイッチは以下の式で決定される周波数でスイッチングし得る
さらに、ターゲットへのビーム衝突の検出は、ターゲットからのリトロ反射照度をトランスミッタで検出すること、または、レシーバセンサを使用してターゲットの照度を検出することで実行され得る。
さらに、上述の方法のいずれの場合にも、第2のバンドギャップエネルギーは第1のバンドギャップエネルギーの50%を超え得る。
図4〜9は一般的に使用されるさまざまな透明ポリマーの化学成分の例を示す。
1.DPSS設計
DPSS設計では、利得媒体には、YVO4結晶、GGG結晶およびガラスも必要に応じてクリアなホストに使用されてもよいが、Nd−ドープYAG結晶が使用されてもよい。Ndは約7450cm−1近辺で遷移を有するので、C−Hバンドの第1の倍音とC−Hバンドの第2の倍音との間の動作にはネオジウムが最も適している。Ndイオンは一般的には808nmレーザダイオードからの放射を吸収することで励起される必要があるが、他の波長も使用され得る。9400cm−1周辺の遷移をブロックするフィルタが共振器の中に追加されなければ、あるいは共振器からの不必要な放射が抽出されなければ、Nd−ベースの利得媒体はより高い周波数でレーザ用として使用できる傾向がある。そのようなフィルタが追加される場合には、レーシングは7440〜7480cm−1で開始する。当該フィルタ動作は、フィルタの代わりにまたはレーザ共振器の適切な色設計によって、プリズムまたは回折格子を使用して達成され得る。
2.半導体レーザ
代替形態として、半導体−ベースの設計が提案されてもよい。使用される半導体のレーシングバンドギャップを変更することによって半導体レーザの波長を合わせることが可能である。1eV台のバンドギャップを有する半導体、特にIII−V族の半導体、特に、これに限られないが、量子ドットタイプは、6900cm−1〜8200cm−1の間の所望の周波数の光を放射する。特に0.8eV〜1.1eVの間のバンドギャップは良好な結果を生成し、基本的にすべての一般的に使用されるポリマーによって、少なくとも部分的に吸収される。
3.ブラッグミラーおよび/またはファイバーループミラーを含み得るNdドープファイバーレーザ等のさまざまな代替設計もこの開示に記載されたシステムで使用され得る。代替的にラマンシフトファイバーレーザも使用可能である。
第1に、低レベル励起状態の増加、特に3−および4−レベルレーザで、および、半導体のチャージキャリアの熱再結合にもよって、発光効率が著しく低下し得る。
第2に、利得媒体の半田付けは、そのような熱的取り付け方法が使用される場合には、損傷を受け得る。
第3に、ビームを劣化させ得る熱収差が発生し得る。
第4に、周囲の熱膨張とは異なるレーザ利得媒体の熱膨張を発生させ、機械的ストレスすなわち利得媒体の反りや破砕さえも生じさせ得る。
冷却システムが受動的なヒートシンクである場合には、その熱抵抗は0.3゜ケルビン/ワット未満であるべきである。
冷却システムがペルチエ部品である場合には、少なくとも5度の温度差異ΔTを生成する必要がある。
冷却システムが能動的な流体で冷却される冷却システムである場合には、ここで述べられる熱抵抗の全範囲をカバーできることが必要である。
ΔEL_CH=Vpv×IL×TCH
ここで
Vpvは太陽電池の出力電圧であり、
ILは平均インダクター電流であり、
TCHは充電フェーズの時間である。
ΔEC=VO×IL×TDIS、ここで
VOはエネルギー貯蔵デバイスの電圧であり、一般的にデバイスの所望の出力電圧に非常に近く、したがってシステムの出力電圧に接近し得る。
ILは平均インダクター電流であり、
TDISは放電フェーズの時間である。
ΔEL_DIS=Vpv×IL×TDIS。
当該期間のインダクターエネルギーの変化は入力エネルギーと出力エネルギーとの差である。
ΔEL_DIS=Vpv×IL×TDIS−VO×IL×TDIS。
ΔEL_CH=−ΔEL_DIS、
これは代入後の値である。
VO=Vpv×(1+TCH/TDIS)。
したがってエネルギー貯蔵デバイス電圧は太陽電池電圧と充電フェーズと放電フェーズ期間の比によって決定される。
1.インダクターのインダクタンスは印加電圧に対するインダクター電流の変化率で定義され、それはdI/dt=V/Lで与えられ、ここでdI/dtは電流変化速度であり、Vはインダクターの両端間に印加される電圧であり、Lはインダクタンスである。現在のシステムでは、Vはトランスミッタの利得媒体によって決定される。異なる利得媒体を選択すると光子エネルギーの変化を生じ、それが結果として光起電性バンドギャップの変化を生じ、その結果光起電性電圧が変化する。これによって異なるインダクターおよび/またはスイッチング周波数の選択が求められる。スイッチング速度は、インダクター電流が光電気電力コンバータを介したトランスミッタからの入力電力の変化に応答できるように十分に速くなければならず、並びに、電力損失、入力電圧リップルおよび出力電圧リップルを生じる高い値の電流リップルを避けるように十分に遅くなければならない。インダクターの最適な値では最大予想入力電流の20%〜40%の間であるリップル電流を生じるが、システムは10%〜60%の間で、動作可能であり得る。回路パラメータの厳密な解析によれば、ヘンリーを単位として測定されるインダクターのこの目的の値Lを達成するためには以下の式のリミットの間でなければならない。
fはHzを単位として測定されるスイッチング周波数であり、
E利得は利得媒体のバンドギャップであり、ジュールを単位として測定され、
V出力は電圧コンバータの出力電圧であり、ボルトを単位として測定され、
Pレーザ_ドライバはレーザドライバから利得媒体に励起される電力であって、ワットを単位として測定される。
2.インダクターの直列抵抗である、Rparasiticは伝達電力損失を最小化できるようにできるだけ小さい必要がある。一般的に、10%未満の効率低下を生じるような値が選択される。オームを単位として測定されるインダクターの直列抵抗は以下の式未満である必要がある
E利得は利得媒体のバンドギャップであり、ジュールを単位として測定され、
Pレーザ_ドライバはレーザドライバから利得媒体に励起される電力であって、ワットを単位として測定される。
3.典型的なシステムではインダクター直列抵抗は10Ω未満である。インダクターの飽和電流は、通常、予想されるインダクターピーク電流よりも大きい値に選択され、次式で与えられる。
ISAT>IPEAK=Im+Vpv×(1−Vpv/VO)/(2×L×f)。
単一接合太陽電池から10mWを超える電力を抽出するためには、飽和電流は10mW/0.8v=12.5mAを超える必要がある。
4.信頼性がある動作のためには、インダクターは予想される最大入力電流よりも大きい電流で決定されなければならない。単一接合太陽電池から10mWを超える電力を抽出するためには、インダクターは10mW/0.8v=12.5mAを超える電流で決定されなければならない。
1.スイッチングメカニズムは通常2つ以上のデバイスである。第1のデバイス、メインスイッチは、通電して、インダクターを充電フェーズに設定する。第2のデバイスはダイオード(図13Aに示されるように)またはスイッチであり得て、その機能は、放電フェーズ中にはインダクターを負荷に接続する、または、エネルギー貯蔵デバイスに出力し、充電フェーズ中には負荷からインダクターを取り外す。
2.スイッチングメカニズムでは、スイッチング損失を最小化するために低スイッチノードキャパシタンスが要求される。
PSW2=0.5×Csw×VO 2×f。
レーザ電力の50%を超える電力を抽出するためには、スイッチノードキャパシタンスは次式未満である必要がある。
4.スイッチノードのメインスイッチの直列抵抗は、そのスイッチはインダクターをグランドに接続させるか光電気電力コンバータをインダクターに接続させるが、以下の式未満であることが必要である。
1.エネルギー貯蔵デバイスはコンデンサーまたはバッテリーまたはその両方であり得る。
2.インダクターが出力から切断される充電フェーズ中に、エネルギー貯蔵デバイスには出力電圧を維持することが要求される。貯蔵デバイスのキャパシタンスはスイッチング周波数、レーザ電力および所望の出力リップル電圧に基づいて選択される。
COUT>PLASER_DRIVER/(f×VO×ΔVO)
ここでΔVOは所望の出力リップル電圧である。
3.光パスの一時的な中断の間は、エネルギー貯蔵デバイスは電力を負荷に供給することもできる。中断しないで電力を供給するためには、エネルギー貯蔵デバイスは最小動作出力電力(POUT_MIN)に中断時間間隔(TINT)を乗算した値に等しい量のエネルギーを少なくとも保存しなければならない。
EOUT_MIN≧POUT_MIN×TINT。
コンデンサーがエネルギー貯蔵デバイスとして使用される場合には、キャパシタンスは次式COUT≧2×EOUT/VOUT 2よりも大きい必要がある。
10mWを超える最小動作出力電力で100msを超える中断時間間隔で未中断動作をするためには、貯蔵されるエネルギーは1mJを超える必要があり、キャパシタンスは80μFを超える必要がある(VOUT=5Vと仮定する)。
太陽電池の電力出力は入力される光電力およびそれに適用される負荷によって異なる。したがって、最適な負荷条件で太陽電池の最大出力電力を生成するので、電圧コンバータの制御メカニズムは負荷ポイントをレギュレートしなければならない。制御メカニズムは、多くの場合に最大電力動作ポイントとして知られるセル端子間で定電圧を維持する動作をするように、または、セル出力電力を測定し、すべての動作条件で最適なセル電圧を探索することによって最大電力動作ポイントを追跡できるように設計できる。第1のアプローチは簡単であり、第2のアプローチは電力効率がよりよい。
ビームステアリング装置はコントローラによって制御され、最も都合がよい場合には同一のコントローラがレーザドライバを制御するために使用される。
ビームステアリング装置は8kW/m2/ステラジアンを超えるビームを複数の方向のいずれの方向にも指向させることができるように構成される。
ビームステアリング装置の損傷閾値はビームの放射輝度に耐え得ることが必要である。
例えば、開口数0.5を有するフォーカッシングメカニズムを使用してビームがミラーに焦点を結ぶ場合には、8kW/m2/ステラジアンのビームに対してミラーは少なくとも6.7kW/m2の電力密度に耐える必要がある。より高放射輝度のビームが使用される場合には、それに対応してより高い損傷閾値を有するようにミラーが選択される必要がある。
高放射輝度ビームが使用される場合には、ミラーで反射される電力はそれに対応して線形的に増加する。
ビームはまったく均一ではない場合があり得るので、ビーム平均に比較して10倍の放射照度を有する場合がある「ホットスポット」が生成され得る。
したがって、実際のビーム放射照度およびミラーへのフォーカッシングメカニズムの開口数に合わせて、ミラーは図14に示される値よりも好ましくは少なくとも10倍の損傷閾値を持つべきである。
(a)レーザドライバの状態を変更すること。
(b)ビームを指向させる方向、あるいは、方向が変化する速度等のビームステアリング装置の動作特性を変更すること。
コントローラ13は当該信号に応答して、レーザドライバ12に次のいずれかまたは両方を命令する。利得媒体11に入力される電力Pを変化させること、および、ミラー14にそのビームを指向させる走査速度または速度を変化させるかその位置を保持すること、走査ステップの速度を変えること。利得媒体11がレーザ電力供給部12から異なる電力Pを受信すると、その小信号利得−1つの光子が利得媒体を横断する時に得られる利得であって同時には他の光子が利得媒体を横断しない利得−が変化する。バックミラー10と出力カップラー9との間の方向に指向された光子が利得媒体11を通過すると、複数の光子が同一方向に放射され、ビーム15のそれはバックミラー10と出力カップラー9との間で光共鳴を生成する。
このために、利得媒体11には好ましくは熱抵抗が小さい熱を伝導する半田である結合剤33を使用してヒートシンク34を取り付ける。結合剤33は導電性の接着剤であってもよい。結合剤33の熱膨張係数は利得媒体11とヒートシンク34の間であり得る。ヒートシンク34は一般的に金属から形成される低熱抵抗ヒートシンクであり得て、その表面領域を増やすためのフィン、または、ファンまたは流体ポンプ35等の外部流体ポンピングシステムが備えられ得る。
Claims (24)
- 光によって無線電力を電力受信装置に伝送するためのシステムであって、
終端反射体を有し、光ビームを放射するために使用される光共振器と、
前記光共振器の内部に配置され第1のバンドギャップエネルギーを有する利得媒体であって、冷却システムに熱的に接着され、利得媒体を通過する光を増幅するように構成される前記利得媒体と、
電力を前記利得媒体に供給し、前記利得媒体の小信号利得を制御するドライバと、
前記光ビームを複数の方向の少なくとも1つに向けるように構成されるビームステアリング装置と、
前記光ビームを、電圧を有する電力に変換するように構成される光電気電力コンバータであって、第2のバンドギャップエネルギーを有する前記光電気電力コンバータと、
前記光電気電力コンバータによって生成された前記電力の前記電圧を異なる電圧に変換するように構成された電気的電圧コンバータであって、インダクター、エネルギー貯蔵デバイスおよびスイッチを有する前記電気的電圧コンバータと、
前記光電気電力コンバータの少なくとも1つの表面であって、前記利得媒体と前記光電気電力コンバータの間で光学的に露出される前記表面と、
前記光ビームが前記光電気電力コンバータに衝突したことを示す信号を提供するように構成される検出器と、
前記ビームステアリング装置と前記ドライバの状態の少なくとも1つを制御するように構成されるコントローラであって、少なくとも前記検出器から制御入力信号を受信する前記コントローラとを含み、
前記少なくとも1つの表面はそこに入射される光の一部分を、
(i)拡散的に、または
(ii)反射された光が前記表面に対して前記光共振器から離れる方向に位置する虚焦点を有するように、または
(iii)前記反射された光が前記表面から前記光共振器の方向に少なくとも1cmに位置する実焦点を有するように反射する特性を有し、
前記コントローラは前記検出器から受信される前記制御入力信号に応答して以下の工程の少なくとも1つを実施させるように構成され、
前記ドライバに前記利得媒体の前記小信号利得を変化させ、
前記光ビームの放射輝度を変化させ、
前記ドライバによって供給される電力を変化させ、
前記ビームステアリング装置の走査速度を変化させ、
前記ビームステアリング装置の走査位置を変化させ、
前記光電気電力コンバータの位置を規定する走査位置を記録させ、
前記利得媒体はNdイオンがドープされた半導体デバイスまたは固体ホストであり、波数が8、300cm−1から12、500cm−1の範囲にある少なくとも1つの周波数の放射を減衰させるフィルタを含み、
前記第2のバンドギャップエネルギーは前記第1のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
前記第1のバンドギャップエネルギーは0.8eV〜1.1eVの間であり、
前記スイッチのクローズド直列抵抗は次式で与えられるRよりも小さく、
E利得は前記第1のバンドギャップエネルギーであって、測定される単位はジュールであり、
Pレーザドライバは、レーザドライバから前記利得媒体に供給される電力であって、測定される単位はワットであり、
前記光ビームの放射輝度は少なくとも8kW/m2/ステラジアンであり、周波数は約6940cm−1に位置するC−H吸収の第1の倍音と第2の倍音との間であるシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、前記異なる電圧は前記光電気電力コンバータによって生成される前記電圧よりも高い電圧であるシステム。
- 請求項1または2に記載のシステムにおいて、前記ビームステアリング装置の前記状態は前記ビームステアリング装置の照準方向または走査速度の少なくとも1つであるシステム。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光ビームの放射輝度は少なくとも800kW/m2/ステラジアンであるシステム。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光共振器の前記終端反射体のそれぞれは(i)誘電体ミラー、(ii)ブラッグミラー、(iii)フレネル反射体あるいは(iv)異なる屈折率を有する誘電体または半導体材料の層を交互に配置した層からなるミラーのいずれかであるシステム。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記利得媒体はNdイオンがドープされた透明固体ホスト材料または半導体であるシステム。
- 請求項6に記載のシステムにおいて、波数が8300cm−1よりも大きい放射を抽出するためのフィルタをさらに含むシステム。
- 請求項6に記載のシステムにおいて、前記半導体である場合には前記利得媒体は量子ドット利得媒体であるシステム。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記冷却システムはヒートシンク、ペルチエダイオード、および流体冷却プレートの少なくとも1つであるシステム。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記冷却システムはファンも備えるシステム。
- 請求項9に記載のシステムにおいて、前記利得媒体は200゜ケルビン/ワット熱抵抗よりも小さい半田層を使用して前記冷却システムに取り付けられるシステム。
- 請求項9に記載のシステムにおいて、前記冷却システムは前記利得媒体と周囲空気との間の熱抵抗が200゜ケルビン/ワット未満であるシステム。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光電気電力コンバータは太陽電池であるシステム。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光電気電力コンバータの直列抵抗は1オーム未満であるシステム。
- 請求項13に記載のシステムにおいて、前記太陽電池はIII−V族デバイスであるシステム。
- 請求項1〜15のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記インダクターのオームを単位として測定された直列抵抗は、ジュールを単位として測定された前記第1のバンドギャップエネルギーの二乗を2×10−40にワットを単位として測定される前記ドライバの電力を乗算した値で除算した値よりも小さいシステム。
- 請求項1〜16のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記エネルギー貯蔵デバイスはコンデンサーまたは再充電可能なバッテリーのいずれかであるシステム。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載のシステムにおいて、リトロ反射体をさらに含むシステム。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記利得媒体は前記ドライバによって電気的にまたは光学的に励起されるシステム。
- 請求項1〜19のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記第2のバンドギャップエネルギーは前記第1のバンドギャップエネルギーの50%よりも大きいシステム。
- トランスミッタからレシーバへ電力を伝送するための方法において、
第1の電力を約6940cm−1に位置するC−H吸収の第1の倍音と第2の倍音との間の周波数を有する電磁波に変換する工程であって、前記電磁波の放射輝度は少なくとも8kW/m2/ステラジアンであり、前記変換する工程は終端反射体を有する光共振器と前記第1の電力を受信するレーザドライバに結合される利得媒体とを使用して実施され、前記利得媒体は0.8eV〜1.1eVの間の第1のバンドギャップエネルギーを有し、前記光共振器の中に位置し、冷却システムに熱的に接着され、通過する前記電磁波を増幅するように構成される工程と、
制御ユニットによって制御されるビームステアリング装置を使用して、前記電磁波を複数の方向の少なくとも1つに指向させる工程と、
ビームによる部分的に透明面を有するターゲットへの衝突を検知する工程であって、前記衝突に対応する指示によって前記制御ユニットを以下の工程の少なくとも1つを実施する工程であって、
前記利得媒体の小信号利得を変化させる工程と、
電磁ビームの放射輝度に変化を生じさせる工程と、
前記第1の電力に変化を生じさせる工程と、
前記ビームステアリング装置の走査速度に変化を生じさせる工程と、
前記ビームステアリング装置の走査位置に変化を生じさせる工程と、
前記ターゲットの位置を規定する走査位置を記録する工程とを含む工程と、
前記第1のバンドギャップエネルギーよりも小さい第2のバンドギャップエネルギーを有する光電気電力コンバータを使用して、前記電磁波を、電圧を有する第2の電力に変換する工程と、
電気的電圧コンバータを使用して前記電圧を異なる電圧に変換する工程であって、前記電気的電圧コンバータはインダクター、エネルギー貯蔵デバイスと次式で与えられるRよりも小さなクローズド直列抵抗を有するスイッチを含み、
E利得は前記第1のバンドギャップエネルギーであって、測定される単位はジュールであり、
Pレーザ_ドライバはワットを単位として測定される前記第1の電力であり、
表面は前記表面に入射する前記電磁波の一部分を、
(i)拡散的に、または
(ii)反射された光の虚焦点が前記表面に対して前記光共振器から離れて位置し、または
(iii)前記反射された光が前記表面に対して前記光共振器の方向に少なくとも1cmに位置する実焦点を有するように反射するように設計される工程と、
前記利得媒体はNdイオンがドープされた半導体デバイス、または固体ホストのいずれかであって、波数が8、300cm−1から12、500cm−1の範囲にある少なくとも1つの周波数に対して放射を減衰させるフィルタを有する方法。 - 請求項21または22に記載の方法において、前記ビームの前記ターゲットへの衝突の検出は、
前記ターゲットでのリトロ反射照度を前記トランスミッタで検出することによって、または
レシーバセンサを使用して前記ターゲットの照度を検出することによって実施される方法。 - 請求項21〜23のいずれかに記載の方法において、前記第2のバンドギャップエネルギーは前記第1のバンドギャップエネルギーの50%よりも大きい方法。
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