基于超快激光诱导等离子体的无线能量传输技术

杨秉新李维刘勋刘世炳宋海英阮宁娟（ 北京空间机电研究所， 北京工业大学激光工程研究院）



基于超快激光诱导等离子体的无线能量传输技术

杨秉新1李维1刘勋1刘世炳2宋海英2阮宁娟1
（1 北京空间机电研究所，2 北京工业大学激光工程研究院）

作为一种有效利用太阳能的方法，空间太阳能电站吸引了世界研究人员的关注。无线能量传输是实现空间太阳能电站最重要的组成部分，已经过多年研究。为了进一步提高传输效率，空间太阳能电站对新型技术的需求不断增强。

1 引言

太阳是地球能源的主要来源。太阳辐射的热量高达3.7×1014TJ/s，其中只有1.2×105TW到达地球，即每年3.8×1021kW ·h。目前，已经建造了很多地面太阳能电站，这些电站的发电量级从0.5～10MW不等，每年的发电总和约为40MW。但是，这些已有的地面电站存在一些问题，比如受到天气与季节的影响等。因此，空间太阳能电站被视为解决太阳能利用的有效途径。无线能量传输是实现此过程的重要环节，已有的技术途径包括微波无线能量传输与激光无线能量传输。为了使更多的能量传输到地面，需要首先解决以下3个问题：降低能量损耗，实现长距离传输和提高传输效率。当能量从空间太阳能电站传输到地面接收设备，能量波束将经历不同的空间环境。为了获得更高的传输效率，可以在不同环境条件中使用不同的无线能量传输技术。

微波（左）与激光（右）无线传输概念图

等离子体导电特性

2 基本原理

超快激光

超快光学是瞬态光学领域的最前沿技术领域。作为超快光学的重要研究内容，超快激光所对应的时间尺度在飞秒或者更小的量级。自20世纪80年代，超快激光发展迅速，并展现出广阔的应用前景。超快激光最突出的特点有2个：一个是极短的脉冲宽度，在飞秒量级，即10-15s；另一个是高峰值功率，可以达到1021W/cm2量级。

等离子体通道

当气体原子的外层电子被剥离，气体将变为等离子体状态，包含原子核与自由电子。等离子体被视为物质的第四态，其中的自由电子整体移动时，电流将产生，可以作为电能传输的媒介。

当超快激光在大气中传输时，由于其高峰值功率，空气将被电离为等离子体。在非线性作用下，克尔自聚焦作用与等离子体散焦作用达到平衡，形成可长距离传输的等离子体通道。等离子体通道中有大量的自由电子，可以作为一条虚拟的导线，实现电能的无线输送。这个过程可以简单描述为：超快激光脉冲释放至空气中，激光脉冲电离空气形成等离子体通道，进而传递能量。2007年，法国的研究人员通过实验证实了利用等离子体通道完成电流的无接触捕获，并希望用这种方法为法国高速列车充电。2014年，《自然·光电子》期刊公布了最新的重要进展，美国的研究人员使用高斯光束与环状光束实现了等离子体通道长度的量级延长，并强调了此项技术在远程能量传输领域的应用前景。

克尔自聚焦与等离子体散焦过程

实验中获得的明亮的等离子体通道

三步模型设想图

无线能量传输系统构成

3 三步模型概念

基于此项技术，我们提出了三步模型概念：第一步，空间太阳能电站收集太阳能，并转换为电能；第二步，在空间太阳能电站与地面设备之间增加诸如平流层飞艇这样的驻留平台，电能转换为微波或者激光传输至平流层飞艇上，转换为电能；第三步，电能沿着等离子体通道传输至地面接收设备。这种方式可以有效减少大气环境对能量的损耗，并且实现几十千米的长距离传输。由于克尔自聚焦与等离子体散焦过程平衡，等离子体通道这条虚拟导线将始终被约束在一个很小的尺度，不易发散，有效降低地面设备的体积。

4 实验与研讨

该项工作的主要内容包括3个方面：系统设计、理论与仿真研究、实验研究。在此项研究中，使用中心波长为800nm的超快激光，激光系统的重复频率是10Hz， 脉冲宽度40fs，激光脉冲能量为26mJ。激光脉冲在焦距4m的透镜作用后形成等离子体通道。两个直径100mm的电极垂直放置。高压源为系统提供静态高电压，并与电极I连接。电极II安装在自动平台上，移动位置可远程控制。在2个电极板的中心均有直径1mm的圆孔，使等离子体穿过圆孔后将2个电极连通。

等离子体通道在2个极板间的空气间隙引起预电离现象，使得在相同高电能输入条件下2个极板间电能传输距离显著提高。我们进一步使用等离子体通道传输电能成功驱动发光器件工作，首次证实了基于等离子体通道的电能无线传输技术的可行性与系统工作原理的正确性。

与此同时，对电能传输过程中的物理机制进行了理论与仿真研究，通过仿真分析了等离子体通道产生、电能传输、环境因素影响等物理过程，并在研究中发现高斯与环状光束在延长等离子体通道长度方面的显著作用。通过研究电子的能量谱分布特点来了解复杂环境对电能传输的影响，为进一步进行外场试验时充分考虑环境适用性等问题奠定了基础。

等离子体通道传输电能实验布局图

等离子体通道的延长

5 结束语

笔者研究了基于超快激光诱导等离子体的无线能量传输技术，并提出了空间太阳能传输的三步模型。我们认为此项技术可发展为具有兆瓦级传输功率、千米级传输距离的无线能量传输系统。除了用于空间太阳能传输，此项技术还可以用于飞机能源补给，电动汽车动力补给，为海岛、山区等偏远地区进行电能补给等。

Wireless Energy Transmission Technology Based on Ultrafast Laser Induced Plasma