近年来，物联网、无人机、可穿戴设备等技术领域有了很大发展，这些领域的设备通常由电池供电，能够无人值守自主工作。然而，电池的续航时间远小于系统用电设备的使用寿命，一旦电量耗尽，大量的节点电池需要充电或者更换，会大大提高工作人员的工作量。因此，电源续航时间短的问题始终是限制这些自治系统有效应用的技术瓶颈。

针对此问题，目前有两种解决方案：一种使用能量收集技术，另一种是无线充电技术。能量收集技术是将应用环境中的振动能、风能、太阳能和温差等形式的能量转化为电能，是一种自发电技术。然而，环境中的这些能源并不能持续且稳定地供能，不能保证系统工作的可靠性。无线充电技术将能量以电、磁、微波、超声波、激光等形式传输给应用接收端，这种方式能够根据节点的功耗需求传输足够的能量，保证节点持续稳定工作。

激光以光能的形式传输，功率密度高，传输距离远，抗电磁干扰性能优良，方向性好，在高电压、强电磁、静电、易燃易爆等恶劣环境中有显著的优势。

那么，激光供能到底是怎么样的技术呢？经历了怎样的发展历程？有哪些不同的技术路线？激光供能的效果怎么样呢？这项技术还存在怎样的挑战？

1．激光供能

激光供能主要分为发射端和接收端。激光器发射端包括激光器、聚焦准直、云台和控制等部分。光纤激光器、薄片激光器辐射率高，但效率低，波长与砷化镓（GaAs）电池不匹配。半导体激光器的波长为800nm左右，转换效率较高，达到50%，但辐射率低。二极管泵浦固体激光器在波长范围、效率等方面有一定的优势，但商业化普及率不够。在长距离传输时，激光光束的扩散在接收端形成较大光斑，造成光能的损失。因此，需要聚焦准直系统，常用的有单透镜、望远镜。

研究人员早就对激光功能技术开展研究。

早在1992年，ABB 公司就开始研究电子式电流互感器的激光供能技术，实现了高压线的电流监测，现已逐渐代替传统的CT取电的电流互感器。同一时期，美国国防部和NASA开始测试为卫星供能的激光供能技术。

2001年，Parise 等人利用200W的激光成功驱动了月球探测机器人。美国激光驱动公司将几百瓦的激光传送到1km外的无人机上。

2005年，NASA的马歇尔空间飞行中心首次用功率为500 W、波长为940 nm 的激光器对15m外的微型飞行器提供6W的电能，让飞行器运作了15 min。

2013年，美国海军实验室用2kW 的激光器给40m外的无人机远程供电。近年来，在无人机对电池续航能力的需求逐渐增大的背景下，国内南京航空航天大学、武汉大学、山东航天电子技术研究所、中国电子科技集团公司第十八研究所等科研院所大力开展激光供能机理、移动目标跟踪等方面的研究工作。

目前在很多研究中，激光器和接收端相对静止，无须动态跟踪；但是在无人机、无人车等热门领域对电池续航能力要求较高且需求较大和军事应用背景下，对具有动态目标跟踪对准功能的激光传电技术的需求将更为迫切。美国、欧洲、俄罗斯的航天部门先后探索了激光供能在卫星和微型飞行器上的应用，结果表明激光供能能够显著延长无人系统的续航能力。国内南京航空航天大学、山东航天电子技术研究所、武汉大学等单位也致力于激光传能的目标跟踪技术研究，首先利用姿态、GPS、机器视觉等方法初始对准，然后结合激光精确对准。

激光接收和转换部分则采用光伏电池将接收到的激光能量转化电能，同时考虑电源管理，如最大功率点跟踪、充电技术等。部分研究者在接收端增加了光信号的采集和转换电路，能够实现信号和能量的同时传输。

在视距内，激光能量无线传输受环境、天气等因素的影响较大。图 1为大气的吸收光谱，从中可以看出，500～1500 nm、3～4μm、8～13μm 波段内的大气透射率较高，但3～4μm 和 8～13μm 对应波长的激光器技术尚未成熟，一般选择 500～1500 nm波段。

从能量转换效率的角度来看，能量经过电—光—电的转换，总体的能量转换效率主要受到激光器的电光转换效率、传输路径的损失、光伏电池的转换效率、管理电路的转换效率等因素的影响，整体效率的评估需要通过实验分析。其中，激光器和光伏电池的效率是整个系统的核心，管理电路主要是解决如何将不稳定的光伏电池输出转化为可用的电能，而传输路径的损失受距离、大气吸收、天气等不可控因素的影响较大。

大气的吸收光谱

2．光伏电池

光伏电池是激光供能的核心元件。根据光生伏特效应，材料吸收了光子，使得价带中的电子跃迁到导带，形成自由电子。

光子能量：E=hv,其中, h为普朗克常量，v为光的频率（v= c/λ， c为光速，λ为波长）。若发生光生伏特效应，要求光子能量大于等于禁带宽度，否则没有足够的能量激发电子。光电池禁带宽度 Eg对应的截止波长：λc = hc/Eg,

图2为不同光伏电池的光谱响应特性，从中可以看出不同材料光电池的光波范围不同，小于材料特定的截止波长。其中，III-V 族化合物砷化镓（GaAs）电池的转换效率最高，理论上超过了50%，已报道的实验室内最高转换效率可以达到 61.2%，在810 nm 附近转换效率最高；但是，砷化镓（GaAs）电池售价昂贵，是Si太阳能电池的10倍以上，不适合大范围应用。AlGaAs与GaAs类似，转换效率略低，光谱范围在600nm 以下。Si太阳能电池最为常见,分为单晶硅电池和多晶硅电池，尽管其转换效率相对不高（低于40%），但是Si太阳能电池成本低、制造工艺简单、电池使用寿命长、可靠性高，在激光供能领域也有广泛的应用。

光电池转换效率谱

杨鹏、孙浩等对比研究了在激光照射下单晶硅、GaAs等光伏电池的开路电源、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等方面的性能，实验结果体现了砷化镓（GaAs）电池的优越性。此外，他们还分析了输出激光强度、波长、入射角等参数对输出性能的影响。在高功率激光长期照射下，会对光伏电池产生不可逆的损伤。实验结果表明：导致光伏电池受到损伤的激光功率具有一定的阈值。

3．无线“充电宝”

激光输电的原理类似于太阳能充电，但是比太阳光在能量传输上更具优势。一方面激光方向性强、能量集中，其光照强度是太阳光的500倍，可以携带大量的能量，作为一种远距离传输手段不仅输出功率大而且光电转换效率高（在不考虑其他因素的影响下，太阳能电池在激光照射下将比在太阳光照射下多输出1倍的电能）。另一方面激光的照射时间和角度可人为控制，这样可为供能对象提供24h不间断的电力，而且通过控制激光的入射角度，可以保证太阳能电池始终输出最大功率，从而能大大减少供能对象的储能设备。

目前，鉴于激光输电的特殊优势，各国纷纷开始了此类研究工作，并运用于实际中。如随着无人机的普及，其续航时间短的缺点日益受到重视，而激光输电为解决这一问题提供了有效出路。

洛克希德·马丁公司和激光动力公司的研究结果表明,激光充电技术可以极大地提高其续航能力。他们利用全新的激光充电系统,令Stalker无人机在空中连续飞行了48小时,增加无人机续航时间2400%。他们认为,这种激光充电系统甚至可以让无人侦察机进行不间断飞行,一直留在天空中，大大增加无人机的作战效能。

2018年，美国五角大楼发起一项新竞赛——以蝙蝠和昆虫为灵感，设计激光动力无人机。这型无人迹具备更灵活的飞行性能，但与生物原型不同，在激光充能技术进一步完善后，这些无人机甚至无需降落，可一直保持留空飞行。

“激光充能”技术更是听起来像是科幻小说中的新颖设计，毕竟提到激光技术在军事领域的应用时，人们会先和防空、反导及致盲等硬杀伤系统和效能联系起来，但实际上，激光技术在雷达探测、能量传输等其他方面也有发挥作用。

这项新技术已经通过了一系列的测试，并被验证了可行性。测试的内容包括在风洞内使用地基激光充能系统，为“潜行者”手掷式单兵无人机充能等。测试的结果是成功将该型无人机的飞行时间增加到48小时以上，续航能力扩展了24倍。

而“潜行者”无人机户外飞行测试更是表明，激光充能系统可以在昼、夜条件下为“潜行者”无人机传输能量，而且不会受到强风和高温影响。

今年年初，据俄罗斯“能源”火箭航天公司专家表示，该公司计划利用激光进行无线输电实验，为未来太空能源传输提供可行性测试，而这也将是世界上首次进行类似太空实验。

此次的太空激光输电实验，是国际空间站俄罗斯部分的长期科学实验计划之一，代号为 “鹈鹕”，指的是航天器之间利用激光进行输电。报道称，“能源”公司将在国际空间站俄罗斯部分的舱段外面安置发射器，在“进步”号货运飞船安装接收器。远程输电实验将首先在1公里距离内进行测试，并逐步加大功率，然后在5公里距离内进行测试。据俄方相关负责人表示，如果太空无线电力传输实验成功，将允许在未来将电能从具有强大发电能力的航天器传输到配备接收-转换器的其他航天器上，为微型卫星等提供电力以延长寿命，另外未来此类技术还可以从空间太阳能发电站向地球上的偏远地区输电，以及在月球轨道上向月球车输电。

4.激光供能对比分析

表1总结了目前激光供能方面的研究情况，从中可以发现，砷化镓（GaAs）电池的转换效率高，国内报道指出砷化镓（GaAs）电池转换效率达到57.9%，而硅电池的最大转换效率为 27.7%。同时发现，接收端光伏电池的输出较低，对于耗电量大的无人机、无人车等系统，难以实现长期供电；但是，对低功耗的无线传感网络节点，其功耗在 mW 级别，完全可以满足供电需求。

激光供能技术统计

5.激光供能技术的挑战

提高激光供能系统输出功率的方法，除了选用高转换效率的砷化镓（GaAs）电池，还可以在发射端增加电流，提高激光的发射功率。然而，高功率的激光会严重烧蚀光伏电池，对它造成不可逆的损伤。研究表明：光斑较小时对电池的整体性影响不大，但达到3 mm光斑时，会对晶体硅造成损坏。张宇的研究表明平均功率大于5.5W/cm2时，会导致电池性能出现不可逆的衰退，激光功率密度越高，衰退越严重。因此，激光供能系统的输出功率就出现了增长瓶颈。在接收端增加散热降温装置，能够适当缓解烧蚀现象，但也会增加电能消耗。

激光传电的特点在于激光的单向性和能量的聚集性，因此在远程能量无线传输方面具有显著的优势，但是在超长距离的条件下，激光的衰减是一个较大的问题。激光的光强与传输距离的平方成反比，同时能见度和天气情况也是影响激光衰减率的关键因素。周玮阳在研究无人机的激光充电时指出，若满足无人机6 h 的电力时，12km的高空要有95%以上的无云遮挡概率。因此，不同的季节云量差别大，对无人机的激光充电技术影响很大。

激光的发散会使得光斑扩大，因此需要聚焦元件、准直元件、光伏眼元件等，也要考虑接收端光伏电池的受光面积。实验研究表明：激光光斑在分布较好地覆盖整个光电池阵列时，全部的光电池发生光伏作用，能最大限度地进行光电转换，整体光电转换效率较高；若只是照射一部分，则其他部分发电功率低，会降低整体转换效率。因此，考虑激光发散角的同时，应适当地扩束，使光电池阵列全部覆盖。随着无人机、无人车在军民领域的应用普及，激光供能技术对运动目标的识别、跟踪和对准将成为重要的研究热点，特别是对超远距离、高速目标的跟踪系统软件和硬件的要求更高，同时会大幅增加成本，因此急需研发低成本的跟踪和对准技术。

6.结语

本文分析了目前激光供能技术领域的关键技术，对比研究了光伏电池的性能，得出砷化镓（GaAs）电池具有优异的性能，分析了国内外在激光供能方面的研究，普遍存在传输距离近、功率低的问题，总结了激光供能系统在激光烧蚀、超长距离充电等研究领域存在的挑战。

文章来源： 激光行业观察，苍蓝观察，长江新闻号