专利名称：激光谐振耦合无线能量传输装置及方法
技术领域：
本发明属于无线能量传输技术领域，特别涉及激光谐振耦合无线能量传输装置及方法。
背景技术：
目前无线能量传输方式主要有四种，其中，近距离两种包括电磁感应方式和磁共振方式；远距离两种包括微波方式和激光方式。与其它无线能量传输方式相比，激光具有波长短、发散角小、相干性好、能量密度高、发射接收设备体积小等特点。因此，激光方式是无线能量传输的重要手段，尤其在真空环境下，激光方式更是无线能量传输的理想选择。传统的激光无线能量传输方式多采用的方法如下在发射端，激光器将电能转化为激光能量，并通过光学发射天线向接收端传送激光能量；在接收端，采用光电池将激光能量转化为电能并存贮，从而完成点对点的激光无线能量传输。传统激光能量传输方式的缺点是一、在远距离传输情况下，接收光学天线口径与接收处激光光斑直径的比值决定了接收端的能量捕获效率，受激光发散角的影响和接收光学天线口径的限制，传输距离越远则能量捕获效率越小；二、能量传输通道中，激光能量的发射和接收相对独立，接收端没有能量传输的控制权只是被动接收能量。因此，无法实现能量的智能传输。
发明内容
本发明针对上述缺陷公开了激光谐振耦合无线能量传输装置及方法。激光谐振耦合无线能量传输装置由发射组件和接收组件构成，或者由第I-N发射装置和接收装置构成；发射组件和接收组件被自由空间或外层空间隔离，第I-N发射装置和接收装置被自由空间或外层空间隔离；发射组件的结构如下全反射镜和激光增益介质依此安装在二维转台的前方， 45°全反射镜和扩束器安装在二维转台上；接收组件的结构如下角反射器阵列安装在光电池阵列的前方；第I-N发射装置的结构都与发射组件相同，接收装置的结构与接收组件相同。所述的角反射器阵列是激光谐振腔的输出耦合镜，位于角反射器阵列中的角反射器均镀有部分反射率膜。所述角反射器阵列由于具有定向反射特性，其形状为平面或球面，角反射器阵列中的角反射器是棱锥角反射器或利用猫眼效应的光学角反射器。所述激光增益介质为激光晶体、陶瓷、光纤、半导体或其他具有激光增益的介质。所述扩束器是一个望远光学系统，其作用是进行光束变换扩大激光束口径以减小衍射损耗。所述第I-N发射装置中的N个全反射镜、N个激光增益介质与接收装置中的角反射器阵列构成N个激光谐振腔；
激光谐振耦合无线能量传输方法的工作流程如下全反射镜、激光增益介质、45° 全反射镜、扩束器与所述的角反射器阵列构成激光振荡器，全反射镜与角反射器阵列定义了一个激光谐振腔，激光束在激光谐振腔的发射端获得增益进行功率放大从而提取能量， 激光束在激光谐振腔的接收端进行激光能量的耦合输出同时又为激光增益介质提供激光正反馈；角反射器阵列是激光振荡器的输出耦合镜；耦合输出的能量由光电池阵列接收并转化为电能储存，激光谐振腔内振荡激光束在发射端和接收端之间循环振荡，这样就可实现激光谐振腔内振荡激光束的持续产生，并进一步实现能量的谐振耦合无线传输。所述振荡激光束反复在扩束器和角反射器阵列组成的孔阑传输线中传播从而在空间上约束了光波场，即能量谐振传输只在发射端和接收端进行，开腔之外不存在光波场， 进而提高了激光的无线传能效率。本发明的有益效果是在空间上将光波场约束在发射端和接收端之间从而提高了能量的传输效率。本发明在近距离自由空间和远距离外层空间能够实现能量的无线高效传输和智能传输。
图1为本发明的原理示意图；图2为本发明端到端能量传输的具体实施例示意图；图3为本发明多端到单端能量传输的具体实施例示意具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明如图1所示，激光谐振耦合无线能量传输装置，其特征在于，它由发射组件S和接收组件R构成，或者由第I-N发射装置Sl-SN和接收装置R’构成；发射组件S和接收组件 R被自由空间或外层空间隔离，第I-N发射装置Sl-SN和接收装置R’被自由空间或外层空间隔离；发射组件S的结构如下全反射镜Ml和激光增益介质LC依此安装在二维转台T 的前方，45°全反射镜M3和扩束器EX安装在二维转台T上；接收组件R的结构如下角反射器阵列M2安装在光电池阵列PC的前方；第I-N发射装置Sl-SN的结构都与发射组件S相同，接收装置R’的结构与接收组件R相同。全反射镜Ml与角反射器阵列M2构成激光谐振腔。其中，全反射镜Ml镀有谐振激光波长的高反射膜；角反射器阵列M2由于具有定向反射特性，其形状为平面、球面或其他几何形状，角反射器阵列M2是激光谐振腔的输出耦合镜，位于角反射器阵列M2中的角反射器均镀有谐振激光波长的部分反射率膜，角反射器阵列M2中的角反射器是棱锥角反射器或利用猫眼效应的光学角反射器；全反射镜Ml、激光增益介质LC、扩束器EX与角反射器阵列M2组成了一个激光振荡器。激光介质LC提供谐振激光束所需的增益，激光增益介质LC 为激光晶体、陶瓷、光纤、半导体或者其他具有激光增益的介质。；扩束器EX是一个望远光学系统，起光束变换的作用以增大激光束口径，目的是减小激光振荡器的衍射损耗；45°全反射镜M3和扩束器EX安装在二维转台上以实现方位和俯仰的二维扫描；角反射器阵列M2将激光束部分反射回去为激光振荡器提供正反馈，角反射器阵列M2输出的部分激光束照射到它后面的光电池阵列PC上并转化为电能储存。发射端与接收端共同组成激光振荡器，振荡激光束从激光增益介质中提取能量并在接收端的角反射器阵列M2处耦合输出部分能量释放到光电池阵列PC上，从而完成激光的谐振耦合无线传能。受扩束器EX和角反射器阵列M2的衍射口径限制，振荡激光束反复在扩束器EX和角反射器阵列M2组成的孔阑传输线上传播从而在空间上约束了激光光波场， 只有满足自再现条件的光波模式才能在发射端和接收端之间的开腔内存在，开腔之外不存在光波场。能量谐振传输只在发射端和接收端进行，接收端的捕获效率是100%，提高了激光的无线传能效率。发射端和接收端都是激光振荡器的一部分，能量传输过程中发射端和接收端相互依赖，只有在构成谐振腔时才能传输能量。接收端并不是被动接收而是主动参与传能的过程，与发射端一样具有能量传输的控制权。一旦能量传输完成，接收端和发射端都可单方面破坏谐振腔终止传能。因此，可实现能量的无线智能传输。下面为本发明的两个实施例实施例一如图2所示，发射组件S包括全反镜Ml、激光增益介质LC、45°全反射镜M3、凹透镜M4、凸透镜M5和二维转台T ；接收端的接收组件R主要包括平面角反射器阵列M2和光电池阵列PC。接收端与发射端之间同样被自由空间或外层空间隔离。凹透镜M4 和凸透镜M5组成一个透射式望远光学系统即扩束器EX，扩束器EX也可采用反射式的卡塞格林光学系统。虚线框表示二维转台T，45°全反射镜M3、凹透镜M4和凸透镜M5固定在二维转台T上并可绕45°全反射镜中心的X轴和Y轴转动(Θ表示Y轴方向为由纸里向纸外)，以实现空间上的二维扫描，目的是为了易于与平面角反射器阵列M2对准。全反镜Ml 和45°全反射镜M3镀有谐振激光波长的高反膜，角反射器阵列M2是激光谐振腔的输出耦合镜，位于角反射器阵列M2中的角反射器均镀谐振激光波长的部分反射率膜，激光增益介质LC的端面、凹透镜M4、凸透镜M5都分别镀有谐振激光波长的增透膜以降低透过损耗；角反射器阵列M2是由多个棱锥角反射器组成的平面或半球面；角反射器阵列M2后面放置光电池阵列PC将谐振耦合输出的光能转化为电能，光电池也可采用直接固定在棱锥角反射器四个侧面的安装方式。采用上述技术方案，激光束在发射端和接收端之间谐振，从发射端提取能量然后在接收端释放能量同时在空间上将激光束约束在透镜M5与平面角反射器阵列M2之间，进而实现端对端基于激光谐振耦合的无线高效能量传输。实施例二 如图3所示，激光谐振耦合无线能量传输装置包括第I-N发射装置 Sl-SN ；接收端包括一个接收装置R’。接收装置R’中的角反射器阵列M2采用多个棱锥角反射器组成的半球形角反射器阵列。由于角反射器阵列M2具有定向反射特性，角反射器阵列M2能够与第I-N发射装置Sl-SN构成N个激光振荡器。位于角反射器阵列M2后方的光电池阵列PC也呈半球形排列或者直接固定在四棱锥角反射器的外侧面，用来完成光电转换储能。利用第I-N发射装置Sl-SN和1个接收装置R’组成的N个激光振荡器可实现多端到单端的激光无线传能。采用上述技术方案，能量可以通过激光谐振耦合的方法从多端同时传输到一个接收端。所带来的有益效果是一方面，接收组件可以从多个不同的发射组件提取能量；另一方面，也降低了单个发射组件的功率。 本发明的具体实施例是用来阐述激光谐振耦合无线能量传输技术的思想；并不用以局限本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。以下结合附图对本发明的具体实施过程作进一步的说明。
权利要求
1.激光谐振耦合无线能量传输装置，其特征在于，它由发射组件(S)和接收组件(R)构成，或者由第I-N发射装置(Sl-SN)和接收装置(R’ )构成；发射组件( 和接收组件(R) 被自由空间或外层空间隔离，第I-N发射装置(Sl-SN)和接收装置(R’)被自由空间或外层空间隔离；发射组件(S)的结构如下全反射镜(Ml)和激光增益介质(LC)依此安装在二维转台 (T)的前方，45°全反射镜(M3)和扩束器(EX)安装在二维转台(T)上；接收组件(R)的结构如下角反射器阵列(M2)安装在光电池阵列(PC)的前方；第I-N发射装置(Sl-SN)的结构都与发射组件(S)相同，接收装置(R’)的结构与接收组件(R)相同。
2.根据权利要求1所述的激光谐振耦合无线能量传输装置，其特征在于，所述的角反射器阵列(M》是激光谐振腔的输出耦合镜，位于角反射器阵列(M》中的角反射器均镀有部分反射率膜。
3.根据权利要求1所述的激光谐振耦合无线能量传输装置，其特征在于，所述角反射器阵列(M2)由于具有定向反射特性，其形状为平面或球面，角反射器阵列(M2)中的角反射器是棱锥角反射器或利用猫眼效应的光学角反射器。
4.根据权利要求1所述的激光谐振耦合无线能量传输装置，其特征在于，所述激光增益介质(LC)为激光晶体、陶瓷、光纤、半导体或其他具有激光增益的介质。
5.根据权利要求1所述的激光谐振耦合无线能量传输装置，其特征在于，所述扩束器 (EX)是一个望远光学系统，其作用是进行光束变换扩大激光束口径以减小衍射损耗。
6.根据权利要求1所述的激光谐振耦合无线能量传输装置，其特征在于，所述第I-N发射装置(Sl-SN)中的N个全反射镜(Ml)、N个激光增益介质(LC)与接收装置(R’ )中的角反射器阵列(M2)构成N个激光谐振腔。
7.激光谐振耦合无线能量传输方法，其特征在于，它的工作流程如下全反射镜(Ml)、 激光增益介质(LC)、45°全反射镜(M3)、扩束器(EX)与所述的角反射器阵列(M2)构成激光振荡器，全反射镜(Ml)与角反射器阵列(Μ》定义了一个激光谐振腔，激光束在激光谐振腔的发射端获得增益进行功率放大从而提取能量，激光束在激光谐振腔的接收端进行激光能量的耦合输出同时又为激光增益介质(LC)提供激光正反馈；角反射器阵列(M2)是激光振荡器的输出耦合镜；耦合输出的能量由光电池阵列(PC)接收并转化为电能储存，激光谐振腔内振荡激光束在发射端和接收端之间循环振荡，这样就可实现激光谐振腔内振荡激光束的持续产生，并进一步实现能量的谐振耦合无线传输。
8.根据权利要求7所述的激光谐振耦合无线能量传输方法，其特征在于，所述振荡激光束反复在扩束器(EX)和角反射器阵列(M2)组成的孔阑传输线中传播从而在空间上约束了光波场，即能量谐振传输只在发射端和接收端进行，开腔之外不存在光波场，进而提高了激光的无线传能效率。
全文摘要
本发明公开了属于无线能量传输技术领域的激光谐振耦合无线能量传输装置及方法。它由发射组件和接收组件构成，或者由第1-N发射装置和接收装置构成；激光束在发射端和接收端之间谐振，在空间上将激光束约束在发射端与接收端之间，同时振荡激光束从发射端提取能量然后在接收端释放能量，从而实现能量的无线高效传输。本发明的有益效果为在空间上将光波场约束在发射端和接收端之间从而提高了能量的传输效率。本发明在近距离自由空间和远距离外层空间能够实现能量的无线高效传输和智能传输。
文档编号H04B10/10GK102307062SQ20111026429
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者尤政, 李滨, 杨建中, 王巍, 黄虎 申请人:清华大学