0 引言

无线能量传输是指在不使用能源输送线情况下，对特定环境下工作的目标机器提供能源支持，使其能够顺利完成被指定的任务的能量传输技术。对于远距离无线能量传输方式主要有微波和激光无线能量传输，由于激光传能具有指向性好、能量集中、传输距离远，而且发射与接收规模是微波无线能量传输的1/10，这些优势使得激光传能被用于无人机充电、模块航天器间能量传输、空间太阳能电站等领域，在地-空、空-空无线能量传输得到广泛关注[1-2]。

国外方面，早在2002年， Steinsiek F等用Nd：YAG全固态激光器倍频输出532 nm波长，功率5 W，用于驱动装备有光伏电池的小车[3]。2003年，日本近畿大学采用812.3 nm半导体激光器，实现1.2 km距离的激光传能；而后于2011年，专门设计了为30 m距离的无人机激光充电，其采用了3台半导体激光器，功率为200 W+200 W+180 W，光纤输出芯径为400 μm，数值孔径NA为0.22，测试到靶的功率为560 W，光功率密度预计为0.617 W/cm2，光电电池输出功率为140 W，光-电转换效率25%[4-5]。2005 年，NASA的马歇尔空间飞行中心首次利用强激光功率500 W、输出波长940 nm，对15 m外微型飞行器进行照射，保证了微型发动机(工作功率6 W)的正常工作[6]。2009年，美国LaserMotive公司，采用德国DILAS公司提供的两个二极管阵列红外激光器，每一个功率为2.25 kW，总功率为4.3 kW，波长810 nm，攀登装置攀登高度达到1 km。后来，美国LaserMotive公司采用激光无线能量传输技术在室内将无人机的续航时间提高24倍，验证了激光供能的可行性[7-8]。2015年，日产汽车研发中心的Masaki Hirota等采用软边垂直腔表面发射半导体激光器，其波长为975 nm，调整激光功率为0.5～3 W，电光效率为45%，采以单晶硅光电池片为接收端，激光传输距离为10 cm，最终获得光-电转换效率为28%～32%。

国内方面，2013年，北理赵长明课题组以793 nm激光为传输介质，基于GaAs材料的无线能量传输演示系统的优势较为明显，传输距离10 m[9]。2015年，军械工程学院的刘晓光等用940 nm半导体激光器，进行近距离桌面试验[10]。2015年，装备学院的崔晓阳，电池尺寸为20 mm×20 mm，针对GaAs光电池选用了780 nm半导体激光器，针对硅光电池选用了940 nm半导体激光器，两种激光光束为高斯光束[11]。2017年9月，武汉大学李志鹏等进行了针对无人机为平台的激光传能试验，采用808 nm激光器，进行200～400 m，为搭载在无人机的2 W的LED供电试验，整体光电效率约为17%[12]。山东航天电子技术研究所，在“十二五”期间，开展了对激光无线能量传输总体方案初步设计和关键技术梳理，利用试验验证，采用飞艇间的试验，激光采用808 nm，激光发射功率28 W，实现工作距离100～200 m[13～15]。

由于砷化镓光电转换效率较高，匹配的激光器波长有808 nm，因此通常的激光传能试验选用该波段激光器。但考虑到光电池成本，比如选用成本低廉的硅基光电池，可促进激光传能技术推广，实现军民融合的一种方式，本文采用了40 W光纤耦合输出的975 nm半导体激光器和多晶硅光电池，研究了该波长激光在近距离的激光传能光电转换，该研究为低成本激光传能技术积累了基础。

1 试验方案和测试方法

1.1 试验材料

激光传能选用了2个975 nm光纤耦合半导体激光器，单激光器功率为25 W，通过2合1光纤耦合器合束，试验装置见图1。合束后，最大输出功率可达43 W。对每一个半导体激光器进行温控处理，采用了80 W制冷功率TEC片，设置温度为25℃。光电池选用多晶硅材质，为阵列结构，光电池接收面积约为286.8 cm2。采用FLUKE 15B+数字万用表测试短路电流和开路电压。采用THORLABS PM320E双通道光功率计，测试光纤输出半导体激光器功率。

光电阵列的最大功率Pm是指在最佳的工作电压Vm和电流Jm，以及负载情况下光转换电的功率输出值，即Pm=Vm×Jm。在激光辐照光电池板，其开路电压Voc和短路电流Jsc与填充因子FF有如下关系：

多晶硅填充因子FF选用参考值0.795[17]，本文通过测试开路电压和短路电流，进而可利用式(1)获得最大功率数值Pm=Jsc×Voc×FF，激光辐照强度为P，那么光电池阵列的光电转换效率η：

  

图1 975 nm光纤耦合半导体激光器-多晶硅激光传能试验装置

 

Fig.1 975 nm fiber coupling diode laser-polycrystalline based solar cell for laser energy transmission equipment

1.2 试验方案与方法

激光传能试验装置见图1，采用多晶硅阵列电池，带隙1.12 eV，覆盖975 nm吸收波长[16]，电池的光电转换效率受到激光辐照功率密度及其温度影响。所以，试验开展并研究一定激光功率条件下，该种电池材料对975 nm激光波长的光电转换效率变化，通过调整激光功率，即改变辐照功率密度变化，观察对应光电转换效率的变化。通过改变电池阵列板与激光输出端的距离，研究光斑在电池板上的分布面积对光电转换效率的影响。因此，选取两者相距0.4 m和0.8 m，0.8 m处时激光光斑可以完全覆盖电池板。

根据测试数据以及式(1)和式(2)，获得了多晶硅光电池板在位置A(0.4 m)和B(0.8 m)处的光电转换效率η，见图2。

通过图2可看到，多晶硅光电池阵列处于位置A时，光电转换效率较低，还可观察到随着激光功率增加，光电转换效率呈现下降的趋势，0.18%减低到0.13%。而且在激光供电电流在5 A及以后，输出开路电压增幅不大，基本恒定在5.6 V，而短路电流稍微增加。光电池阵列处于位置B时，其光电转换效率随激光功率呈现波动，9.0%～10.0%，在激光供电电流在4 A及以后，开路电压基本恒定在6.1 V，短路电流缓慢增大。

2 结果和分析

2.1 测试结果

收集哈尔滨医科大学附属肿瘤医院(2010年1月—2013年12月)手术切除的26例TSCC组织标本及癌旁正常舌黏膜组织，迅速放置于-80℃液氮中保存。全部病例为经过两位独立的病理学专家确诊的初发TSCC患者，全身检查未发现远处肿瘤转移，术前和术后未施行放疗、化疗及生物治疗。本试验所有收集的TSCC组织样本及癌旁正常舌黏膜组织样本全部征得患者及家属同意，并签署生物标本二次利用知情同意书。

 

表1 975 nm光纤耦合半导体激光器功率

 

Table 1 The power of 975 nm fiber coupling diode laser

  

电流J/A23456789激光功率P/W7.612.818.022.627.331.835.939.8激光功率密度Ps/[mW/cm2]26.544.662.878.895.2110.9125.2138.8

 

表2 位置A不同激光功率辐照下Voc和Jsc

 

Table 2 The Voc and Jsc with different power density at the point of A

  

电流J/A23456789开路电压Voc/V5.235.45.55.55.65.65.65.6短路电流Jsc/mA3.35.26.98.49.410.311.111.6

 

表3 位置B不同激光功率辐照下Voc和Jsc

 

Table 3 The Voc and Jsc with different power density at the point of B

  

电流J/A23456789开路电压Voc/V5.75.95.96.06.16.16.16.1短路电流Jsc/mA167.4250355431.5547628705737

2.2 结果与分析

数学是专业术语极多的一门课程，比如说我们在学“直线、线段、射线”这一章节中，就有一个关于两点之间直线最短的描述，课本中的术语是“两点能且只能确定一条直线，两点之间线段最短”，若是只根据教材中的原句进行描述，超强的抽象性，是极大多数小学生都无法理解的，在无法真正理解的情况下，只依靠死记硬背，根本就不能形成正确的思维方式，所以数学中超多的术语以及照本宣科方式的教学，也严重限制了小学生思维能力的发展。

FF=Pm/(Jsc×Voc)

(1)

其中，Yit表示被解释变量，分别反映企业的总税负率和销售利润率；core表示“营改增”政策；lnbou表示外购商品及劳务；brb表示营业毛利率；dra表示资产负债率；lnsize表示企业规模；εit表示误差项。

η=Pm/P=Jsc×Voc×FF/P

(2)

（3）具体设计过程中存在失误，设计人员在具体作业过程中，没有做好相应的调查工作，对于地基土具体特性的了解不够透彻，针对土的荷载，以及承载力的估算都存在错误，从而致使设计时出现错误[1]。

975 nm光纤输出半导体激光器的功率测试结果见表1。位置A(0.4 m)及B(0.8 m)处多晶硅光电池在不同电流条件下的开路电压Voc和短路电流Jsc，测试结果分别见表2和表3。

129 CT signs and diagnostic significance in patients with benign or malignant pulmonary ground-glass nodules

试验方法具体操作如下：首先，启动温控仪，控制半导体激光器温度稳定在25 ℃；然后，测试了不同电流下的光纤输出半导体激光器的功率，将光功率计对光纤输出口，通过红外热像仪，确定光斑落在探片中央；最后，开展激光传能试验，将多晶硅光电池排放在距离光纤输出口0.4、0.8 m的A与B两处位置，通过成像仪，确定光斑在光电池阵列的中央位置，测试每一位置处的开路电压和短路电流，测试装置见图1。

  

图2 975 nm激光辐照位置A(0.4 m)和位置B(0.8 m)光电池阵列的光电转换效率η

 

Fig.2 Photoelectric conversion efficiency η of polycrystalline based solar cell base on 975 nm laser transmission for the point of A and B

通过红外成像观察光电阵列处于位置A与位置B两处时的激光光斑分布情况，可看到激光光斑覆盖的范围不同，在位置A时，即多晶硅光电池距离光纤激光出口0.4 m，光斑集中于光电池的中央一部分，光斑分布呈现中间光强，边缘光弱，属于典型的高斯分布。在位置B处时，距离远离光纤激光出口0.8 m，整个光斑基本覆盖整个光电池面板。两处位置激光光斑在光电池阵列分布情况见图3。

当激光光斑只覆盖光电池阵列一部分时，连接在整个光电池组里的那些没有接受激光辐照的光电池相当于电阻，即发生光电转换电池只是其中的一定数量，剩下的光电池增加了光电转换电路中的阻值。因此，光电转换效率较低。还发现，当激光光斑覆盖一部分光电池时，随着激光功率增加光电转换效率逐渐降低；而当激光光斑较好地覆盖整个光电池阵列，全部的光电池发生光伏作用，最大限度地进行光电转换，整体光电转换效率较高。

作为光电池的材料的多晶硅，是晶态比大于90%的混相体系，晶粒在微米量级，其能带结构与单晶硅类似，单晶硅禁带宽度Eg=1.12 eV，根据带隙与截止光子响应波长λ关系，λ=hc/Eg，截止波长约1100 nm，该值基本与文献报道一致，其峰值响应波长约900 nm[16]，975 nm并不在最佳配波长。另外，除了波长的匹配，电池片的温控是影响光电转换效率的重要因素。本文采用的多晶硅材料，波长在975 nm，实验获得的较高的最大光电转换效率为9.98%。由于本试验未专门采用专门的散热结构，试验中观察到40 W大功率激光辐照下，在较短时间内，光电池面板温度快速升温至60 ℃，推测这是导致位置A和位置B两处，光电转换效率波动的重要因素。后续拟在该试验的光电池片的热控管理方面以及光斑光束控制两个方面优化光电转换效率。

  

(a)位置A

  

(b)位置B

 

图3 光斑覆盖电池板情况

 

Fig.3 The laser spot distribution on the polycrystalline cell panel with 975 nm laser transmission

该多晶硅光电池在太阳辐照下，辐照强度1353 mW/cm2，可输出5 V、4.5 W。在本实验中，采用的975 nm照激光强度Ps为138.8 mW/cm2，即为太阳辐照强度的1/10，可提供电压约6 V、功率3.6 W，实现了近距离定向激光传能。

3 结论

采用975 nm光纤耦合半导体激光器和多晶硅光电池阵列，开展了0.4 m和0.8 m近距离激光光电转换研究，测试并讨论了光斑部分覆盖和全覆盖电池阵列情况下的光电转换效率，在激光光斑全覆盖情况下，传输距离0.8 m，光电转换效率为9.98%，可提供3.6 W最大电功率输出。相比化合物类光电池，硅类电池价格低得多，具有应用于地面激光传能领域的优势。所以，本文探索了低成本光电池激光传能方面的效果，对于激光传能民用推广具有一定价值。后续还将开展电池板的温控问题研究，进一步研究影响硅基材料电池的光电转换效率的不同环境条件等技术因素问题。

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