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激光无线能量传输发射光学系统研制

孟祥翔 尚涵 辛明瑞 王旭东 邱明杰

孟祥翔, 尚涵, 辛明瑞, 王旭东, 邱明杰. 激光无线能量传输发射光学系统研制[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(9): 20230115. doi: 10.3788/IRLA20230115
引用本文: 孟祥翔, 尚涵, 辛明瑞, 王旭东, 邱明杰. 激光无线能量传输发射光学系统研制[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(9): 20230115. doi: 10.3788/IRLA20230115
Meng Xiangxiang, Shang Han, Xin Mingrui, Wang Xudong, Qiu Mingjie. Development of emission optical system for laser wireless power transmission[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(9): 20230115. doi: 10.3788/IRLA20230115
Citation: Meng Xiangxiang, Shang Han, Xin Mingrui, Wang Xudong, Qiu Mingjie. Development of emission optical system for laser wireless power transmission[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(9): 20230115. doi: 10.3788/IRLA20230115

激光无线能量传输发射光学系统研制

doi: 10.3788/IRLA20230115
基金项目: 山东省自然科学基金项目(ZR2022QF095)
详细信息
    作者简介:

    孟祥翔,男,高级工程师,博士,主要从事激光光学系统方面的研究

    通讯作者: 辛明瑞,男,研究员,博士,主要从事空间激光无线能量传输方面的研究
  • 中图分类号: O439

Development of emission optical system for laser wireless power transmission

Funds: Natural Science Foundation of Shandong Province of China (ZR2022QF095)
  • 摘要: 为了提升激光无线能量传输系统光能传输效率,避免使用准直镜头导致在数百米距离处接收端光斑边界模糊和照度均匀性差现象的发生,开展了基于共轭成像原理的可调焦发射光学系统研制。首先理论分析了准直法和共轭成像法的设计原理,然后针对光纤输出的808 nm半导体激光光源,采用共轭成像法设计了焦距550 mm、口径260 mm的发射光学系统,通过光纤端面的移动实现调焦设计,分析了不同调焦距离下光纤端面的移动量,并与准直法设计结果调焦后对比,在200 m~1 km处的波像差明显较小。利用Lighttools软件模拟对比了调焦前后的照射光斑,验证了调焦的作用。模拟结果显示,通过对基于共轭成像原理设计的发射光学系统增加调焦机构,可在不同距离处得到清晰的光斑边界。最后对激光发射光学系统进行了加工,经测试,波像差RMS为0.092λ (λ=632.8 nm)。结果表明:激光无线能量传输系统使用基于共轭成像原理设计的可调焦发射光学系统可获得边界清晰、更加均匀的照明光斑。
  • 图  1  (a)准直镜头高斯光路;(b)成像镜头高斯光路

    Figure  1.  (a) Gaussian optics of collimator lens; (b) Gaussian optics of imaging lens

    图  2  (a)像距500 m时的设计结果;(b) 500 m距离处不同视场光线的聚焦效果

    Figure  2.  (a) Design results of 500 m image distance; (b) Focusing effect from different fields at 500 m

    图  3  (a)波长808 nm波像差;(b)波长632.8 nm波像差

    Figure  3.  (a) Wavefront aberration of wavelength 808 nm; (b) Wavefront aberration of wavelength 632.8 nm

    图  4  不同调焦距离下的光纤端面移动量

    Figure  4.  Optical fiber end face movement at different focusing distances

    图  5  两种设计方法调焦后的波像差对比

    Figure  5.  Comparison of wavefront aberration of two design methods after focusing

    图  6  (a) 纤芯600 μm×600 μm时,在200 m处的光斑;(b) 纤芯200 μm×200 μm时,在1 km处的光斑

    Figure  6.  (a) Spot at 200 m with fiber core of 600 μm×600 μm; (b) Spot at 1 km with fiber core of 200 μm×200 μm

    图  7  (a) 200 m处未调焦光斑;(b) 300 m处未调焦光斑;(c) 200 m处调焦后光斑;(d) 300 m处调焦后光斑;

    Figure  7.  (a) Unfocused spot at 200 m; (b) Unfocused spot at 300 m; (c) Focused spot at 200 m; (d) Focused spot at 300 m

    图  8  激光发射光学系统整体三维模型

    Figure  8.  Three-dimensional model of laser emission optical system

    图  9  (a)研制的激光发射光学系统;(b)置于转台上

    Figure  9.  (a) Developed laser emission optical system; (b) Installed on rotational platform

    图  10  波像差RMS测试结果

    Figure  10.  Test result of wavefront aberration RMS

    表  1  激光发射光学系统设计参数

    Table  1.   Design parameters of laser emission optical system

    ParameterSpecification
    Wavelength/nm808 & 632.8
    Focal length/mm550
    Aperture/mm≥240
    Optical length/mm≤660
    Focusing range/m200-1000
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-02
  • 修回日期:  2023-04-10
  • 刊出日期:  2023-09-28

激光无线能量传输发射光学系统研制

doi: 10.3788/IRLA20230115
    作者简介:

    孟祥翔,男,高级工程师,博士,主要从事激光光学系统方面的研究

    通讯作者: 辛明瑞,男,研究员,博士,主要从事空间激光无线能量传输方面的研究
基金项目:  山东省自然科学基金项目(ZR2022QF095)
  • 中图分类号: O439

摘要: 为了提升激光无线能量传输系统光能传输效率,避免使用准直镜头导致在数百米距离处接收端光斑边界模糊和照度均匀性差现象的发生,开展了基于共轭成像原理的可调焦发射光学系统研制。首先理论分析了准直法和共轭成像法的设计原理,然后针对光纤输出的808 nm半导体激光光源,采用共轭成像法设计了焦距550 mm、口径260 mm的发射光学系统,通过光纤端面的移动实现调焦设计,分析了不同调焦距离下光纤端面的移动量,并与准直法设计结果调焦后对比,在200 m~1 km处的波像差明显较小。利用Lighttools软件模拟对比了调焦前后的照射光斑,验证了调焦的作用。模拟结果显示,通过对基于共轭成像原理设计的发射光学系统增加调焦机构,可在不同距离处得到清晰的光斑边界。最后对激光发射光学系统进行了加工,经测试,波像差RMS为0.092λ (λ=632.8 nm)。结果表明:激光无线能量传输系统使用基于共轭成像原理设计的可调焦发射光学系统可获得边界清晰、更加均匀的照明光斑。

English Abstract

    • 激光无线能量传输系统利用激光束作为能量载体、光伏电池作为接收端光电转换器件,是远距离无线充电的重要方式[1-5],其具有能量光束准直性好、体积和质量小、移动灵活的优点,已在无人机远距离充电[6-7]、飞艇间传能[8]、传能通信一体化[9]等领域进行了深入的研究。

      由于GaAs光伏电池在808 nm左右波段的光电转换效率高,发射端常采用电光转换效率较高的808 nm波长半导体激光器[10]作为激光光源。而高功率的半导体激光器光束质量相对较差,在激光无线传能系统发射端需采用激光发射光学系统压缩光束发散角才能提高传输距离,减轻接收端体积和质量。发射端激光器采用矩形纤芯光纤可提高光斑均匀度,而且光伏电池也是矩形[11-12],不仅降低了光电池的排布难度,而且提高了接收端的占空比。

      目前,激光无线传能系统的发射镜头多为准直镜头。2013年,何滔等[12]采用准直镜头搭建了传输距离为10 m的激光无线传能系统,并开展了传输效率实验研究。2019年,时振磊等[13]针对采用准直镜头的无人机激光无线传能系统开展了跟踪瞄准设计研究;此外,于2014年完成的两飞艇之间的激光无线能量传输试验[8]亦是采用了准直镜头作为激光发射系统。准直镜头采用光纤准直原理和光学设计软件的无焦模式进行设计,将光纤端面置于镜头物方焦面处,轴上、轴外光束均以平行光的形式对外发射。实际装调中以标准平面镜反射光束的最优波像差来确定光纤端面的固定位置。由于光纤端面有一定的物高,轴外出射光束和轴上出射光束之间存在一定的几何发散角,对于像面在无穷远的准直镜头,在较近距离处的被照射面上,轴上光束和轴外光束呈现出交错叠加的状态。即使采用矩形纤芯的出射端面照度分布是均匀的,在传能被照射面上的光斑仍呈现出由中心逐渐向四周减弱的高斯分布,光斑边界亦不清晰,降低了激光无线能量传输系统的光能传输效率。

      文中采用共轭成像原理设计了激光无线传能发射光学系统,增加调焦机构改变物距,在不同距离处均可得到边界清晰、照度分布与光纤端面一致的照射光斑,最终完成了可调焦发射镜头的研制与测试。

    • 传统准直镜头的设计原理如图1(a)所示,光纤端面置于准直镜头的物方焦面处,此时与光纤端面共轭的像面在无穷远处。在设计时通常采用无焦模式或者理想透镜聚焦的方式。准直镜头出射光束的发散角$ \theta $如下:

      图  1  (a)准直镜头高斯光路;(b)成像镜头高斯光路

      Figure 1.  (a) Gaussian optics of collimator lens; (b) Gaussian optics of imaging lens

      $$ \theta = {\text{arctan}} \left( { \frac{D}{{2{f'}}}{\text{ }}} \right) $$ (1)

      式中:$ D $为光纤纤芯直径;$ {f'} $为准直镜头焦距。这种准直镜头的设计方法适用于接收端在几十、数百千米的系统,比如激光通信。而在百米、千米级激光无线能量传输系统中使用这种准直镜头作为激光发射光学系统,会导致轴上平行光束和轴外平行光束交错叠加,接收端接收到的光斑界线不清晰,光斑直径偏大,影响激光充电效率。出现这种现象的原因是接收端在较近距离处已不再和置于准直镜头物方焦面的光纤端面共轭。此时,激光发射光学系统的设计原理如图1(b)所示。

      图1(b)中光纤端面和光伏接收面呈物像共轭关系,满足高斯成像公式:

      $$ \frac{1}{{{l{'}}}} - \frac{1}{l} = \frac{1}{{{f^{'}}}} $$ (2)

      式中:$ - l $为光纤端面到发射镜头主面的距离,即发射镜头的物距;$ {l{'}} $可为近似为光伏接收面到发射镜头的距离;$ {f{'}} $为发射镜头焦距。由公式(2)可知,图1(a)为图1(b)在$ {l{'}} \to \infty $时的特殊情况。因此,可通过设置调焦机构,改变$ - l $的大小,得到共轭的$ {l{'}} $,使得光伏接收面在不同传能距离处均可得到边界清晰、照度分布与光纤端面一致的照射光斑。

    • 光纤准直镜头的常用设计方法有两种,一种是采用光学设计软件的无焦模式,以平行光的波像差作为评价条件;另一种是在准直镜头后增加一个理想透镜,优化理想透镜的聚焦光斑。这两种方法都可以看做是光纤端面与无穷远共轭。针对数百米、千米级的激光无线传能系统,激光发射镜头可直接采用有限距共轭成像法进行设计。

      文中面向的激光无线传能系统要求为:针对808 nm半导体激光器,当尾纤参数为NA0.22、纤芯为600 μm×600 μm时,在200 m处光斑边长在200~220 mm之间;当尾纤参数为NA0.22、纤芯200 μm×200 μm时,在1 km处光斑边长在360~380 mm之间;同时保证200 m~1 km之间光斑边界清晰。利用公式(2)及垂轴放大倍率公式计算,该设计要求可用定焦镜头结合调焦实现,综合考虑系统总长限制,确定激光发射镜头设计参数如表1所示。

      表 1  激光发射光学系统设计参数

      Table 1.  Design parameters of laser emission optical system

      ParameterSpecification
      Wavelength/nm808 & 632.8
      Focal length/mm550
      Aperture/mm≥240
      Optical length/mm≤660
      Focusing range/m200-1000

      表1中,设计波长加入了632.8 nm是为了装配后检测波像差。设计中,对808 nm和632.8 nm波长采用多重结构,在632.8 nm波长结构中的光纤端面前加入平行平板,用来消除与808 nm波长的色差,使两波长的物方焦面位置重合。装配检测时,在设计位置加入平行平板,利用632.8 nm波长检测;实际使用时,去掉平行平板,转变成808 nm波长的光路。

      由于要求在200 m~1 km之间光斑边界清晰,设计中,首先固定像距为500 m,在该距离下设计满足要求后,再固定所有透镜半径、材料及透镜间隔,使像距在200 m~1 km范围内变化,优化光纤端面与第一透镜的间距,得到不同像距下的光纤端面位置。

      该激光发射光学系统视场小、口径大,主要像差为球差,为降低加工成本,避免使用大口径的非球面镜片,采用三透镜的“正-正-负”结构,加入负透镜的目的为补偿正透镜产生的球差;两正透镜在前,可以起到压缩口径的作用,使系统通光口径尽可能接近理论值。固定像距为500 m的设计结果如图2(a)所示,焦距550 mm,光学总长650.01 mm,最大通光口径243 mm。图2(b)为500 m距离处不同视场光线的聚焦结果。

      图  2  (a)像距500 m时的设计结果;(b) 500 m距离处不同视场光线的聚焦效果

      Figure 2.  (a) Design results of 500 m image distance; (b) Focusing effect from different fields at 500 m

      采用多重结构对808 nm波长和632.8 nm波长分别设计。在500 m像距下,系统在两波长的波像差如图3所示。对于808 nm波长,波像差RMS为0.116λ (λ=632.8 nm);对于632.8 nm波长,波像差RMS为0.084λ

      图  3  (a)波长808 nm波像差;(b)波长632.8 nm波像差

      Figure 3.  (a) Wavefront aberration of wavelength 808 nm; (b) Wavefront aberration of wavelength 632.8 nm

      以500 m像距下的光纤端面位置为零位,其位置移动量与像距的关系如图4所示,其中光纤端面向左移动为负,向右移动为正。由图4可知,200 m~1 km调焦范围对应的光纤端面总移动量为1.19 mm。

      图  4  不同调焦距离下的光纤端面移动量

      Figure 4.  Optical fiber end face movement at different focusing distances

      对比该设计与无焦模式设计的传统准直镜头移动光纤端面在200 m~1 km调焦时各像距处的波像差结果,如图5所示。由图5可知,与无焦模式设计的传统准直镜头在200~500 m调焦后的波像差相比,该设计的波像差明显较小。

      图  5  两种设计方法调焦后的波像差对比

      Figure 5.  Comparison of wavefront aberration of two design methods after focusing

    • 采用Lighttools对系统进行仿真,以面光源作为光纤端面,空间分布设置为均匀分布,依照图4调节光纤端面位置,模拟尾纤参数为 NA0.22、纤芯600 μm×600 μm时,在200 m处的光斑如图6(a)所示,光斑边长约为220 mm;模拟尾纤参数为NA0.22、纤芯200 μm×200 μm时,在1 km处光斑如图6(b)所示,光斑边长约为360 mm,均满足设计要求。

      图  6  (a) 纤芯600 μm×600 μm时,在200 m处的光斑;(b) 纤芯200 μm×200 μm时,在1 km处的光斑

      Figure 6.  (a) Spot at 200 m with fiber core of 600 μm×600 μm; (b) Spot at 1 km with fiber core of 200 μm×200 μm

      设计要求在200 m~1 km之间光斑边界清晰,选取表2中200、300 m波像差较大的距离,尾纤参数为 NA0.22、纤芯600 μm×600 μm,模拟在不调焦时照明光斑如图7(a)、(b)所示,依照图4调焦后的照明光斑如图7(c)、(d)所示,对比可见,调焦设计对于保证光斑边界清晰具有重要作用。

      图  7  (a) 200 m处未调焦光斑;(b) 300 m处未调焦光斑;(c) 200 m处调焦后光斑;(d) 300 m处调焦后光斑;

      Figure 7.  (a) Unfocused spot at 200 m; (b) Unfocused spot at 300 m; (c) Focused spot at 200 m; (d) Focused spot at 300 m

    • 对激光发射光学系统进行结构设计,整体三维模型如图8所示,放大之处为光纤端面调焦结构,调焦结构件转动360°,光纤端面移动2 mm,满足200 m~1 km距离范围内光纤端面总移动量1.19 mm的要求。

      图  8  激光发射光学系统整体三维模型

      Figure 8.  Three-dimensional model of laser emission optical system

      激光发射光学系统研制完成后如图9(a)所示,图9(b)为激光发射光学系统置于激光无线传能发射端的转台上。

      图  9  (a)研制的激光发射光学系统;(b)置于转台上

      Figure 9.  (a) Developed laser emission optical system; (b) Installed on rotational platform

      将激光发射光学系统调焦至无穷远,采用ZYGO干涉仪、标准镜头以及平面反射镜搭建光路,测试激光发射光学系统波像差,结果如图10所示,调焦至无穷远时,系统波像差为0.092λ

      图  10  波像差RMS测试结果

      Figure 10.  Test result of wavefront aberration RMS

    • 文中研制了一台以光纤输出808 nm半导体激光器为光源的可调焦激光发射镜头,适用于百米级与千米级距离的激光无线能量传输。通过理论分析,针对非无穷远的传输距离,采用共轭成像原理设计了焦距550 mm、口径260 mm的激光发射光学系统,分析了不同传能距离与调焦移动量的关系,仿真对比了不同距离处调焦前后的光斑变化,对系统进行了加工,完成装配后的波像差RMS为0.092λ。该系统通过调焦机构改变光源位置,能够在200 m~1 km距离处均可得到边界清晰且照度分布与光纤端面一致的传能光斑,可提升激光无线能量传输接收端的光电转换效率。

参考文献 (13)

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