基于超快激光誘導等離子體的無線能量傳輸技術

楊秉新李維劉勛劉世炳宋海英阮寧娟（ 北京空間機電研究所， 北京工業大學激光工程研究院）

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基于超快激光誘導等離子體的無線能量傳輸技術

楊秉新1李維1劉勛1劉世炳2宋海英2阮寧娟1
（1 北京空間機電研究所，2 北京工業大學激光工程研究院）

作為一種有效利用太陽能的方法，空間太陽能電站吸引了世界研究人員的關注。無線能量傳輸是實現空間太陽能電站最重要的組成部分，已經過多年研究。為了進一步提高傳輸效率，空間太陽能電站對新型技術的需求不斷增強。

1 引言

太陽是地球能源的主要來源。太陽輻射的熱量高達3.7×1014TJ/s，其中只有1.2×105TW到達地球，即每年3.8×1021kW ·h。目前，已經建造了很多地面太陽能電站，這些電站的發電量級從0.5～10MW不等，每年的發電總和約為40MW。但是，這些已有的地面電站存在一些問題，比如受到天氣與季節的影響等。因此，空間太陽能電站被視為解決太陽能利用的有效途徑。無線能量傳輸是實現此過程的重要環節，已有的技術途徑包括微波無線能量傳輸與激光無線能量傳輸。為了使更多的能量傳輸到地面，需要首先解決以下3個問題：降低能量損耗，實現長距離傳輸和提高傳輸效率。當能量從空間太陽能電站傳輸到地面接收設備，能量波束將經歷不同的空間環境。為了獲得更高的傳輸效率，可以在不同環境條件中使用不同的無線能量傳輸技術。

微波（左）與激光（右）無線傳輸概念圖

等離子體導電特性

2 基本原理

超快激光

超快光學是瞬態光學領域的最前沿技術領域。作為超快光學的重要研究內容，超快激光所對應的時間尺度在飛秒或者更小的量級。自20世紀80年代，超快激光發展迅速，并展現出廣闊的應用前景。超快激光最突出的特點有2個：一個是極短的脈沖寬度，在飛秒量級，即10-15s；另一個是高峰值功率，可以達到1021W/cm2量級。

等離子體通道

當氣體原子的外層電子被剝離，氣體將變為等離子體狀態，包含原子核與自由電子。等離子體被視為物質的第四態，其中的自由電子整體移動時，電流將產生，可以作為電能傳輸的媒介。

當超快激光在大氣中傳輸時，由于其高峰值功率，空氣將被電離為等離子體。在非線性作用下，克爾自聚焦作用與等離子體散焦作用達到平衡，形成可長距離傳輸的等離子體通道。等離子體通道中有大量的自由電子，可以作為一條虛擬的導線，實現電能的無線輸送。這個過程可以簡單描述為：超快激光脈沖釋放至空氣中，激光脈沖電離空氣形成等離子體通道，進而傳遞能量。2007年，法國的研究人員通過實驗證實了利用等離子體通道完成電流的無接觸捕獲，并希望用這種方法為法國高速列車充電。2014年，《自然·光電子》期刊公布了最新的重要進展，美國的研究人員使用高斯光束與環狀光束實現了等離子體通道長度的量級延長，并強調了此項技術在遠程能量傳輸領域的應用前景。

克爾自聚焦與等離子體散焦過程

實驗中獲得的明亮的等離子體通道

三步模型設想圖

無線能量傳輸系統構成

3 三步模型概念

基于此項技術，我們提出了三步模型概念：第一步，空間太陽能電站收集太陽能，并轉換為電能；第二步，在空間太陽能電站與地面設備之間增加諸如平流層飛艇這樣的駐留平臺，電能轉換為微波或者激光傳輸至平流層飛艇上，轉換為電能；第三步，電能沿著等離子體通道傳輸至地面接收設備。這種方式可以有效減少大氣環境對能量的損耗，并且實現幾十千米的長距離傳輸。由于克爾自聚焦與等離子體散焦過程平衡，等離子體通道這條虛擬導線將始終被約束在一個很小的尺度，不易發散，有效降低地面設備的體積。

4 實驗與研討

該項工作的主要內容包括3個方面：系統設計、理論與仿真研究、實驗研究。在此項研究中，使用中心波長為800nm的超快激光，激光系統的重復頻率是10Hz， 脈沖寬度40fs，激光脈沖能量為26mJ。激光脈沖在焦距4m的透鏡作用后形成等離子體通道。兩個直徑100mm的電極垂直放置。高壓源為系統提供靜態高電壓，并與電極I連接。電極II安裝在自動平臺上，移動位置可遠程控制。在2個電極板的中心均有直徑1mm的圓孔，使等離子體穿過圓孔后將2個電極連通。

等離子體通道在2個極板間的空氣間隙引起預電離現象，使得在相同高電能輸入條件下2個極板間電能傳輸距離顯著提高。我們進一步使用等離子體通道傳輸電能成功驅動發光器件工作，首次證實了基于等離子體通道的電能無線傳輸技術的可行性與系統工作原理的正確性。

與此同時，對電能傳輸過程中的物理機制進行了理論與仿真研究，通過仿真分析了等離子體通道產生、電能傳輸、環境因素影響等物理過程，并在研究中發現高斯與環狀光束在延長等離子體通道長度方面的顯著作用。通過研究電子的能量譜分布特點來了解復雜環境對電能傳輸的影響，為進一步進行外場試驗時充分考慮環境適用性等問題奠定了基礎。

等離子體通道傳輸電能實驗布局圖

等離子體通道的延長

5 結束語

筆者研究了基于超快激光誘導等離子體的無線能量傳輸技術，并提出了空間太陽能傳輸的三步模型。我們認為此項技術可發展為具有兆瓦級傳輸功率、千米級傳輸距離的無線能量傳輸系統。除了用于空間太陽能傳輸，此項技術還可以用于飛機能源補給，電動汽車動力補給，為海島、山區等偏遠地區進行電能補給等。

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