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基于无衍射光束的高效远距离无线能量传输技术①

更新时间:2009-03-28

0 引言

无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)系统是指不依赖能源输送线,利用微波、激光等无线手段,向特定环境下工作的目标机器提供能源支持,使其顺利完成指定任务的能源输送系统。目前,无线能量传输技术成为向远端供电的唯一选择。微波无线能量传输技术可实现中远距离能量传输,其突出优点是大气穿透能力强,传输功率大,但微波手段的发射和接收天线尺寸都较大,对电子设备有强电磁干扰。同时,由于弥散与不期望的吸收与衰减,传输效率相对较低,限制了微波无线能量传输技术的应用[1,8]

激光无线能量传输技术以大功率激光光束为能量介质,利用光电效应实现能量传输,适于中远距离无线能量传输。由于激光光束发散角度小、能量密度大,传输和接收设备口径较小,非常适合于空间应用[2-4]。但在穿越大气的时候,由于激光波长短,受大气影响严重(激光透过率最高0.8,微波0.9),影响传输效率。虽然中红外波段大气窗口(3~5 μm,8~14 μm)可减弱大气影响,但当前该波段的大功率激光器效率较低。近年来,大功率、新型激光发射器技术、高效率光电转换技术的发展,为激光无线能量传输技术的进一步研究应用提供了现实基础,尤其是本文采用的一种基于无衍射光束的激光传能系统,采用相位调控技术产生无衍射光束,提高激光光束的传输距离,减少激光光束在远距离传输过程中的能量损失,从而提高到靶功率密度,实现接收端高效能量转换,进而降低接收端光电池的接收面积及系统的体积重量。

1 无衍射光束传输特性

衍射是一种常见的光学现象,对所有的传统波场都有影响,是光的波动性所决定的。在衍射过程中,光波的振幅或/和相位发生变化,从而产生衍射。高斯光束在传输了瑞利长度是光束初始半径)之后,就明显地体现出衍射效应,光斑开始发散,其发散角正比于高斯光束的束腰半径。在长距离传输过程中,激光光束的展宽是一个影响激光应用很重要的因素。

1987年, Durnin J 发现了麦克斯韦电磁场波动方程的零阶贝塞尔(Bessel)函数形式的严格解,并用实验证明此解所对应的波具有无衍射特性[5-7]。至此,“无衍射”光束的概念正式提出,引起了国内外学者的广泛关注与研究兴趣。理想的贝塞尔光束可表示为[7]

E(rφz)=A0exp(ikz)Jn(krr)exp(±i)

(1)

式中 Jnn阶贝塞尔函数;kzkr分别为轴向和径向波矢,满足

将正轴棱锥顶点由B2点移动到B3点,增加正负轴棱锥之间的距离L,从而出射光线与x轴的会聚交点也发生了后移,增大了无衍射长度,如图4所示。因此,当无法继续减小正、负轴棱锥底角及匹配液折射率时,可通过改变正、负轴棱锥之间的距离L来进行增大无衍射距离。图5为本文设计加工的无衍射光学系统结构。

其中:Q为流量,m3/min;D为水平输料管的直径,m;v为管道内气体流速,m/s。设计取D=0.036 m,v=30 m/s,则Q=1.83 m3/min。

由式(1)可知,贝塞尔光束沿z方向传播时,其光强分布满足I(xyz≥0)=I(xy),即贝塞尔光束截面上的光强分布不随传播距离改变,因而贝塞尔光束被认为是“无衍射”、“传输不变”光束。式(1)中,如果kr=0、n=0,则有E(rzt)=exp[i(kz-ωt)]。此时,贝塞尔光束退化为平面波,因此可认为平面波是贝塞尔光的一个特例,平面波在自由空间传输时光强分布保持不变,显然贝塞尔光束的光强也保持不变。图2显示了无衍射光束在不同传输距离的光强分布,横轴为光斑尺寸,纵轴为光强分布[9]。图2中,1~4曲线分别表示0.5、1、1.5、2 km四种不同传输距离时无衍射光束的光强分布。由图2可见,随着传输距离的增加,无衍射光束的主光斑光强逐进降低,但主光斑的光斑尺寸基本保持不变,说明了在长距离传输时,使用无衍射光束能够保持长距离不发散。

图4中,γ是轴棱锥的锥角,θ表示轴棱锥的折射角,满足θ=(n1/n2-1)γ。其中,n1表示轴棱锥材料的折射率,n2表示轴棱锥后面的材料的折射率。而轴棱锥的无衍射距离满足:

  

(a)光强分布曲线 (b)无衍射亮核

 

图1 零阶贝塞尔光束光强分布

 

Fig.1 Intensity distribution of the zero order Bessel beam

  

图2 不同传输距离无衍射光束的光强分布

 

Fig.2 Intensity distribution of the non-diffracting beam with different transmission distances

2 无衍射光学系统设计

标准英语学习的一个重要方面是发音要准确、地道。中国学生由于在校学习的是普通话,在家看电视,平时与人交流主要也是普通话,所以学习和表达英语时非常容易受到普通话的影响。比较普通话和英语语音差异,并进行针对性教学,对提高学生的英语口语水平大有裨益。

由于传统的激光无线能量传输系统使用的激光束为高斯光束,高斯光束在经过长距离大气传输后,存在激光光束能量衰减及展宽问题。为了解决大气衰减以及光束发散的问题,激光无线能量传输系统中采用了无衍射光束进行能量传输。由于理想的无衍射Bessel光束的在其横向上的光场能量是非平方可积的,因而需要无穷大的能量,才能产生完整的无衍射Bessel光束,实际应用中无法得到理想的无衍射Bessel光束。在有限孔径下的研究表明,可用环缝系统、全息放大、谐振腔法、锥形透镜法、球面像差法等多种方案产生近似无衍射光束。轴棱锥可产生光束质量很好的近似无衍射光束,而且本身具有结构简单、转换效率高、光损伤阈值高等优点而被广泛应用。激光器输出高斯光束,经过轴棱锥后变换成零阶的贝塞尔光束,即无衍射光束,如图3所示。

  

图3 零阶贝塞尔光束的产生方法

 

Fig.3 An axon pyramid generation method for zero order Bessel beam

因此,终生学习,看似童话,实为悲剧。终生学习设想得很美好,很励志,看似童话。但实际上,一经分析便可知道,绝大多数人不可能终生学习。即便终生学习,绝大多数人也会被淘汰。所以,终生学习本质上是一个悲剧。

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(1)根据烟台市地下水水质评价结果显示,区内水质总体一般,较差区域的超标因子主要有亚硝酸盐、硝酸盐、氯化物、溶解性总固体(TDS)、总硬度、氨氮、镉、铅、挥发酚等。

 

(2)

图8为高斯光束传输距离为16 m和50 m处的光斑图。

提高无衍射光束的无衍射距离的方法有增大入射光束的光束尺寸,但这将大大增加整个激光器系统的体积;还可通过减小轴棱锥的折射角,但现有的工艺局限,一般只能做到0.3°。

本文采用一种新型组合轴棱锥的方法,可实现长无衍射距离。角度越小的元件对加工技术和精度要求就越高,采用组合锥透镜的等效底角由正、负轴棱锥的底角之差决定,即可通过较大底角的正、负轴棱锥组合,使其特性与小角度的正轴棱锥相同。实现了通过较大角度的正、负轴棱锥元件也能产生长距离的无衍射光束。

零阶贝塞尔光束的光强结构如图1所示,具有无衍射亮核。

  

图4 组合式轴棱锥系统结构

 

Fig.4 Composite axon pyramid system structure

  

图5 无衍射光学系统结构

 

Fig.5 Structure diagram of non-diffracting optical system

3 无衍射光束传输实验研究

3.1 无衍射光束传输系统组成

无衍射光束传输系统由激光源、准直扩束系统、无衍射光学系统及CCD组成,实验装置原理框图如图6所示。激光器选用实验室1064 nm固体激光器作为激光发射源,输出功率1 W,准直扩束系统扩束倍率可调(1~4倍),CCD用于光斑成像测量。无衍射光学系统作为无线能量传输系统的关键部件,实现无衍射光束的产生,主要由浸液式正负组合轴棱锥组成。图7为实验室搭建的无衍射光束传输系统演示装置。

  

图6 无衍射光束传输实验装置框图

 

Fig.6 Block diagram of experimental device for non-diffracting beam transmission

  

图7 实验室无衍射系统演示装置

 

Fig.7 An experimental device diagram of a non-diffracting system

3.2 实验结果及分析

式中 Bω为入射到轴棱锥的光束半径。

高斯光束在16 m处光斑直径约为20 mm,光斑平均光功率密度为0.32 W/cm2,高斯在50 m处光斑直径约为40 mm,光斑平均光功率密度为0.08 W/cm2。由此可看出,高斯光束随着传输距离的增大,光斑直径展宽,功率密度不断降低。

图9为高斯光束与无衍射光束传输16 m处的光斑对比图。图10为平行光通过浸液式组合轴棱锥后距离15、30、60 m处截面上的一维光强分布图。

铁钻工底座主要用来支撑铁钻工绝大部分质量。底座插入到底座套筒中,将整个折臂式铁钻工安装在钻台上,由图1可知底座主要容易产生弯曲,所以将底座设计成圆柱形状并对底座圆柱弯曲强度进行计算。通过计算得到满足条件的圆柱形底座。

  

(a)16 m (b)50 m

 

图8 高斯光束传输距离16 m和50 m处的光斑图

 

Fig.8 Gauss beam transmission distance of 16 m and 50 m

  

(a)高斯光束 (b)无衍射光束

 

图9 实测高斯光束与无衍射光束图

 

Fig.9 Measured Gauss beam and the non-diffracting beam diagram

  

(a)z=15 m (b)z=30 m (c)z=60 m

 

图10 光束通过轴棱锥后不同距离处的一维光强分布

 

Fig.10 One-dimensional intensity distributions of the Bessel beam at locations corresponding to distance

由图9和图10所示,在传输相同距离的情况下,无衍射光束相比高斯光束随着传输距离的增加,无衍射光束的主光斑光强逐渐降低,但主光斑的光斑尺寸基本保持不变,说明在长距离传输时,使用无衍射光束能够保持长距离不发散。

在相同激光光功率下,轴棱锥组合镜(D=100 mm)与卡塞格林望远镜(D=100 mm)理论计算及仿真结果如图11所示。无衍射光学系统相比传统光学发射系统,在相同传输距离下具有更高的平均光功率密度。

  

图11 相同口径下无衍射光学系统与传统光学系统平均功率密度分布

 

Fig.11 Average power density distribution of nondiffracting optical system and traditional optical system under the same aperture

4 结束语

在长距离光传输、抑制大气湍流、激光精确准直等应用中,相比于传统的高斯光束,无衍射光束具有很大的优势。研究表明,相比于常规的高斯光束,随着传输距离的增加,无衍射光束的主光斑光强逐渐降低,但主光斑的光斑尺寸基本保持不变。说明在长距离传输时,使用无衍射光束能够保持长距离不发散。因此,无衍射光束能够提高激光光束的传输距离,减少激光光束在远距离传输过程中的能量损失,从而提高到靶功率密度,实现接收端高效能量转换,进而降低接收端光电池的接收面积及系统的体积重量。本文的研究将为无线激光能量远距离传输提供一种高效的解决手段。

参考文献

[1] 石德乐,李振宇,吴世臣.激光无线能量传输机理分析及仿真[J].空间电子技术,2013,10(3):66-70.

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[3] Takuo Tanaka,Sadahiko Yamamoto.Comparison of aberration between axicon and lens[J].Opt.Commun.,2000,184:113-118.

[4] Zhao Bin,Li Zhu.Diffraction property of an axicon in oblique illumination[J].AppZ.Opt.,1998,37(13):2563-2568.

[5] Antti Vasara,Jari Turunen,Ari T Friberg.Realization of general nondiffracting beams with computer-generated holograms[J].J.Opt.Soc.Am.A,1989,6(11):1748-1754.

[6] Burvall A,Kolacz K,Jaroszewicz Z.Simple lens axicon[J].Appl Opt,2004,43(25):4838-4844.

[7] Ahluwalia B P S,Cheong W C,Yuan X C.Design and fabrication of a double-axicon for generation of tailorable self-imaged three-dimensional intensity voids[J].Opt.Lett,2006,31(7):987-989.

[8] 李振宇,张建德,黄秀军.空间太阳能电站的激光无线能量传输技术研究[J].航天器工程,2015,24(1):31-37.

[9] 曾夏辉,吴逢铁,邢笑雪,等.轴棱锥非圆对称加工误差对贝塞耳光束质量的影响[J].中国激光,2006,33(6):809-813.

 
黄秀军,宋镇江,刘亮,徐红艳,石德乐
《空间电子技术》 2018年第02期
《空间电子技术》2018年第02期文献

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