近年來，物聯(lián)網(wǎng)、無人機、可穿戴設備等技術(shù)領(lǐng)域有了很大發(fā)展，這些領(lǐng)域的設備通常由電池供電，能夠無人值守自主工作。然而，電池的續(xù)航時間遠小于系統(tǒng)用電設備的使用壽命，一旦電量耗盡，大量的節(jié)點電池需要充電或者更換，會大大提高工作人員的工作量。因此，電源續(xù)航時間短的問題始終是限制這些自治系統(tǒng)有效應用的技術(shù)瓶頸。

針對此問題，目前有兩種解決方案：一種使用能量收集技術(shù)，另一種是無線充電技術(shù)。能量收集技術(shù)是將應用環(huán)境中的振動能、風能、太陽能和溫差等形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，是一種自發(fā)電技術(shù)。然而，環(huán)境中的這些能源并不能持續(xù)且穩(wěn)定地供能，不能保證系統(tǒng)工作的可靠性。無線充電技術(shù)將能量以電、磁、微波、超聲波、激光等形式傳輸給應用接收端，這種方式能夠根據(jù)節(jié)點的功耗需求傳輸足夠的能量，保證節(jié)點持續(xù)穩(wěn)定工作。

激光以光能的形式傳輸，功率密度高，傳輸距離遠，抗電磁干擾性能優(yōu)良，方向性好，在高電壓、強電磁、靜電、易燃易爆等惡劣環(huán)境中有顯著的優(yōu)勢。早在1992年，ABB 公司就開始研究電子式電流互感器的激光供能技術(shù)，實現(xiàn)了高壓線的電流監(jiān)測，現(xiàn)已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CT取電的電流互感器。同一時期，美國國防部和NASA開始測試為衛(wèi)星供能的激光供能技術(shù)。2001年，Parise 等人利用200W的激光成功驅(qū)動了月球探測機器人。美國激光驅(qū)動公司將幾百瓦的激光傳送到1km外的無人機上。2005年，NASA的馬歇爾空間飛行中心首次用功率為500 W、波長為940 nm 的激光器對15m外的微型飛行器提供6W的電能，讓飛行器運作了15 min。2013年，美國海軍實驗室用2kW 的激光器給40m外的無人機遠程供電。近年來，在無人機對電池續(xù)航能力的需求逐漸增大的背景下，國內(nèi)南京航空航天大學、武漢大學、山東航天電子技術(shù)研究所、中國電子科技集團公司第十八研究所等科研院所大力開展激光供能機理、移動目標跟蹤等方面的研究工作。

1.激光供能

激光供能主要分為發(fā)射端和接收端。激光器發(fā)射端包括激光器、聚焦準直、云臺和控制等部分。光纖激光器、薄片激光器輻射率高，但效率低，波長與砷化鎵(GaAs)電池不匹配。半導體激光器的波長為800nm左右，轉(zhuǎn)換效率較高，達到50%，但輻射率低。二極管泵浦固體激光器在波長范圍、效率等方面有一定的優(yōu)勢，但商業(yè)化普及率不夠。在長距離傳輸時，激光光束的擴散在接收端形成較大光斑，造成光能的損失。因此，需要聚焦準直系統(tǒng)，常用的有單透鏡、望遠鏡。

目前在很多研究中，激光器和接收端相對靜止，無須動態(tài)跟蹤;但是在無人機、無人車等熱門領(lǐng)域?qū)﹄姵乩m(xù)航能力要求較高且需求較大和軍事應用背景下，對具有動態(tài)目標跟蹤對準功能的激光傳電技術(shù)的需求將更為迫切。美國、歐洲、俄羅斯的航天部門先后探索了激光供能在衛(wèi)星和微型飛行器上的應用，結(jié)果表明激光供能能夠顯著延長無人系統(tǒng)的續(xù)航能力。國內(nèi)南京航空航天大學、山東航天電子技術(shù)研究所、武漢大學等單位也致力于激光傳能的目標跟蹤技術(shù)研究，首先利用姿態(tài)、GPS、機器視覺等方法初始對準，然后結(jié)合激光精確對準。

激光接收和轉(zhuǎn)換部分則采用光伏電池將接收到的激光能量轉(zhuǎn)化電能，同時考慮電源管理，如最大功率點跟蹤、充電技術(shù)等。部分研究者在接收端增加了光信號的采集和轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)崿F(xiàn)信號和能量的同時傳輸。

在視距內(nèi)，激光能量無線傳輸受環(huán)境、天氣等因素的影響較大。圖 1為大氣的吸收光譜，從中可以看出，500～1500 nm、3～4μm、8～13μm 波段內(nèi)的大氣透射率較高，但3～4μm 和 8～13μm 對應波長的激光器技術(shù)尚未成熟，一般選擇 500～1500 nm波段。

從能量轉(zhuǎn)換效率的角度來看，能量經(jīng)過電—光—電的轉(zhuǎn)換，總體的能量轉(zhuǎn)換效率主要受到激光器的電光轉(zhuǎn)換效率、傳輸路徑的損失、光伏電池的轉(zhuǎn)換效率、管理電路的轉(zhuǎn)換效率等因素的影響，整體效率的評估需要通過實驗分析。其中，激光器和光伏電池的效率是整個系統(tǒng)的核心，管理電路主要是解決如何將不穩(wěn)定的光伏電池輸出轉(zhuǎn)化為可用的電能，而傳輸路徑的損失受距離、大氣吸收、天氣等不可控因素的影響較大。

圖1 大氣的吸收光譜

2.光伏電池

光伏電池是激光供能的核心元件。根據(jù)光生伏特效應，材料吸收了光子，使得價帶中的電子躍遷到導帶，形成自由電子。

光子能量：E=hv,其中, h為普朗克常量，v為光的頻率(v= c/λ， c為光速，λ為波長)。若發(fā)生光生伏特效應，要求光子能量大于等于禁帶寬度，否則沒有足夠的能量激發(fā)電子。光電池禁帶寬度 Eg對應的截止波長：λc = hc/Eg,

圖2為不同光伏電池的光譜響應特性，從中可以看出不同材料光電池的光波范圍不同，小于材料特定的截止波長。其中，III-V 族化合物砷化鎵(GaAs)電池的轉(zhuǎn)換效率最高，理論上超過了50%，已報道的實驗室內(nèi)最高轉(zhuǎn)換效率可以達到 61.2%，在810 nm 附近轉(zhuǎn)換效率最高;但是，砷化鎵(GaAs)電池售價昂貴，是Si太陽能電池的10倍以上，不適合大范圍應用。AlGaAs與GaAs類似，轉(zhuǎn)換效率略低，光譜范圍在600nm 以下。Si太陽能電池最為常見,分為單晶硅電池和多晶硅電池，盡管其轉(zhuǎn)換效率相對不高(低于40%)，但是Si太陽能電池成本低、制造工藝簡單、電池使用壽命長、可靠性高，在激光供能領(lǐng)域也有廣泛的應用。

圖2 光電池轉(zhuǎn)換效率譜

楊鵬、孫浩等對比研究了在激光照射下單晶硅、GaAs等光伏電池的開路電源、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等方面的性能，實驗結(jié)果體現(xiàn)了砷化鎵(GaAs)電池的優(yōu)越性。此外，他們還分析了輸出激光強度、波長、入射角等參數(shù)對輸出性能的影響。在高功率激光長期照射下，會對光伏電池產(chǎn)生不可逆的損傷。實驗結(jié)果表明：導致光伏電池受到損傷的激光功率具有一定的閾值。

3.激光供能對比分析

表1總結(jié)了目前激光供能方面的研究情況，從中可以發(fā)現(xiàn)，砷化鎵(GaAs)電池的轉(zhuǎn)換效率高，國內(nèi)報道指出砷化鎵(GaAs)電池轉(zhuǎn)換效率達到57.9%，而硅電池的最大轉(zhuǎn)換效率為 27.7%。同時發(fā)現(xiàn)，接收端光伏電池的輸出較低，對于耗電量大的無人機、無人車等系統(tǒng)，難以實現(xiàn)長期供電;但是，對低功耗的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，其功耗在 mW 級別，完全可以滿足供電需求。

表1 激光供能技術(shù)統(tǒng)計

4.激光供能技術(shù)的挑戰(zhàn)

提高激光供能系統(tǒng)輸出功率的方法，除了選用高轉(zhuǎn)換效率的砷化鎵(GaAs)電池，還可以在發(fā)射端增加電流，提高激光的發(fā)射功率。然而，高功率的激光會嚴重燒蝕光伏電池，對它造成不可逆的損傷。研究表明：光斑較小時對電池的整體性影響不大，但達到3 mm光斑時，會對晶體硅造成損壞。張宇的研究表明平均功率大于5.5W/cm2時，會導致電池性能出現(xiàn)不可逆的衰退，激光功率密度越高，衰退越嚴重。因此，激光供能系統(tǒng)的輸出功率就出現(xiàn)了增長瓶頸。在接收端增加散熱降溫裝置，能夠適當緩解燒蝕現(xiàn)象，但也會增加電能消耗。

激光傳電的特點在于激光的單向性和能量的聚集性，因此在遠程能量無線傳輸方面具有顯著的優(yōu)勢，但是在超長距離的條件下，激光的衰減是一個較大的問題。激光的光強與傳輸距離的平方成反比，同時能見度和天氣情況也是影響激光衰減率的關(guān)鍵因素。周瑋陽在研究無人機的激光充電時指出，若滿足無人機6 h 的電力時，12km的高空要有95%以上的無云遮擋概率。因此，不同的季節(jié)云量差別大，對無人機的激光充電技術(shù)影響很大。

激光的發(fā)散會使得光斑擴大，因此需要聚焦元件、準直元件、光伏眼元件等，也要考慮接收端光伏電池的受光面積。實驗研究表明：激光光斑在分布較好地覆蓋整個光電池陣列時，全部的光電池發(fā)生光伏作用，能最大限度地進行光電轉(zhuǎn)換，整體光電轉(zhuǎn)換效率較高;若只是照射一部分，則其他部分發(fā)電功率低，會降低整體轉(zhuǎn)換效率。因此，考慮激光發(fā)散角的同時，應適當?shù)財U束，使光電池陣列全部覆蓋。隨著無人機、無人車在軍民領(lǐng)域的應用普及，激光供能技術(shù)對運動目標的識別、跟蹤和對準將成為重要的研究熱點，特別是對超遠距離、高速目標的跟蹤系統(tǒng)軟件和硬件的要求更高，同時會大幅增加成本，因此急需研發(fā)低成本的跟蹤和對準技術(shù)。

5.結(jié)語

本文分析了目前激光供能技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，對比研究了光伏電池的性能，得出砷化鎵(GaAs)電池具有優(yōu)異的性能，分析了國內(nèi)在激光供能方面的研究，普遍存在傳輸距離近、功率低的問題，總結(jié)了激光供能系統(tǒng)在激光燒蝕、超長距離充電等研究領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷