原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025年第 9 期 《無“線”可能：激光能量傳輸如何重塑能源未來 》

在科技與新質(zhì)生產(chǎn)力快速發(fā)展的浪潮中，以低空產(chǎn)業(yè)和商業(yè)航天為代表的新興產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)，并持續(xù)重塑著我們的生活和未來。無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中，激光無線能量傳輸（LWPT）技術(shù)，以其高方向性、高能量密度和遠(yuǎn)距離傳輸能力，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。因此，《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覄卢|、薛傅龍、王志峰分析了激光無線能量傳輸（laser wireless power transmission，LWPT）技術(shù)的基本原理，并探討了其發(fā)展背景及未來應(yīng)用。

自20世紀(jì)初，美國科學(xué)家尼古拉特斯拉提出無線電力傳輸?shù)脑O(shè)想并開展研究以來，經(jīng)過百年的技術(shù)積累和需求的不斷增長(zhǎng)，這一曾被視為科幻場(chǎng)景的技術(shù)如今正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。激光無線能量傳輸（laser wireless power transmission，LWPT）技術(shù)利用電磁波束將能量從發(fā)射端傳遞到接收端，提供了一種無需物理連接的全新能源補(bǔ)給方案。這一技術(shù)不僅可以為無人機(jī)、飛行汽車等低空飛行器提供持續(xù)的能源支持，還在衛(wèi)星、太空站及深空探測(cè)器等航天應(yīng)用中具有極大的應(yīng)用前景。

隨著技術(shù)能力的持續(xù)進(jìn)步，LWPT技術(shù)將超越單純的能源傳輸功能，成為推動(dòng)交通–信息–能源三網(wǎng)融合的核心驅(qū)動(dòng)力。未來的交通系統(tǒng)將是與信息和能源網(wǎng)絡(luò)緊密相連的、高度有序的有機(jī)整體，從而實(shí)現(xiàn)交通、信息和能源的協(xié)同發(fā)展。LWPT技術(shù)作為無線能量傳輸?shù)拇恚瑢⒃谄渲邪缪葜陵P(guān)重要的角色。這些創(chuàng)新和變革將為未來人類社會(huì)形態(tài)的重塑提供無限可能，開啟智能交通系統(tǒng)的新時(shí)代（圖1）。

圖1 LWPT能源互聯(lián)概念圖

01

激光無線能量傳輸?shù)脑砼c技術(shù)特點(diǎn)

基于電磁波束的長(zhǎng)距離無線能量傳輸技術(shù)主要有微波和激光（LWPT）2種路線。LWPT技術(shù)的基礎(chǔ)是將電能轉(zhuǎn)化為激光能量進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，主要包括激光發(fā)射、傳輸、接收和能量轉(zhuǎn)換4個(gè)主要步驟。如圖2所示，首先，激光器基于受激輻射原理，將輸入的電能轉(zhuǎn)化為激光能量。隨后，激光束通過光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直和整形，以提高光束的方向性和光束質(zhì)量。在傳輸過程中，激光束在大氣或真空介質(zhì)中傳播。最后，接收端的光電轉(zhuǎn)換裝置（激光電池）利用半導(dǎo)體光伏發(fā)電原理，將接收到的激光能量高效轉(zhuǎn)化為電能，為各種負(fù)載提供能量供應(yīng)。

圖2 激光無線能量傳輸系統(tǒng)示意

LWPT技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)。（1）高方向性；（2）高能量密度；（3）安全性；（4）遠(yuǎn)距離傳輸能力；（5）可選頻率范圍廣。

目前，LWPT技術(shù)可使用的激光器主要有半導(dǎo)體激光器（圖3（a））、全固態(tài)激光器、光纖激光器等類型。此外，激光電池的性能也是決定LWPT系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵要素。目前主要有3種類型的激光電池：Ⅲ?V族化合物半導(dǎo)體激光電池、硅激光電池、基于鈣鈦礦或有機(jī)材料的激光電池。其中，Ⅲ?V族化合物半導(dǎo)體激光電池（圖3（b））具有帶隙與第一大氣窗口匹配、效率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是成本較高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以期待激光電池的效率、穩(wěn)定性和成本將會(huì)得到進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高無線能量傳輸技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖3 LWPT技術(shù)可使用激光器

此外，LWPT系統(tǒng)在傳輸過程中的大氣衰減和光學(xué)系統(tǒng)損耗，以及能量傳輸過程中系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度的問題，也制約著LWPT系統(tǒng)的性能。

02

激光無線能量傳輸系統(tǒng)研究與應(yīng)用

LWPT技術(shù)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，涵蓋了從陸地到海洋，從地球到太空，從民用到軍事等多個(gè)領(lǐng)域。國內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)已對(duì)LWPT系統(tǒng)開展過相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，取得了一定的進(jìn)展。

在地面應(yīng)用中，LWPT技術(shù)可以用于無人機(jī)、電動(dòng)汽車等移動(dòng)設(shè)備的無線充電。例如：2009年，美國LaserMotive公司使用激光為四旋翼直升機(jī)無線供電，使其在空中停留12.5 h。2010年，該公司使用激光無線充電系統(tǒng)為1 km外的鵜鶘無人機(jī)（UAV）供電（圖4（a）和4（b）），將無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間從無激光充電的5 min增加到12 h。

電動(dòng)汽車方面，2003年，Steinsiek等進(jìn)行了利用激光為地面移動(dòng)小車無線供能的實(shí)驗(yàn)（圖4（c））。在太空應(yīng)用中，LWPT技術(shù)可用于衛(wèi)星充電、太空站能量補(bǔ)給、深空探測(cè)器供電等，為人類探索宇宙提供可靠的能源保障（圖4（d））。

軍事方面，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）開展了LWPT技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究，包括用于遠(yuǎn)程武器系統(tǒng)、無人機(jī)等設(shè)備的無線供電，提高作戰(zhàn)效率和安全性。

此外，LWPT 技術(shù)還可以應(yīng)用于水下設(shè)備能量傳輸。例如：2018年，浙江大學(xué)首次提出了基于太陽能板的水下無線光學(xué)傳輸（underwater wireless optical communication，UWOC）系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)光通信和能量傳輸?shù)碾p重功能（圖4（e））。

總的來說，LWPT 技術(shù)在太空、地面、軍事、水下等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著該技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展，LWPT技術(shù)將為人類社會(huì)帶來更多的便利和福祉，并為新興產(chǎn)業(yè)的顛覆性創(chuàng)新和人類可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

圖4 LWPT系統(tǒng)的相關(guān)研究與應(yīng)用案例

03

光無線能量傳輸?shù)脑砼c技術(shù)特點(diǎn)

LWPT技術(shù)因其在諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，受到了廣泛關(guān)注。這項(xiàng)技術(shù)代表著未來能源傳輸領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)技術(shù)的實(shí)用化并推廣其應(yīng)用，仍需克服許多挑戰(zhàn)。

首先，激光發(fā)射器是LWPT系統(tǒng)的核心。通過光纖耦合技術(shù)和光束合并技術(shù)，可以將多個(gè)低功率激光器的光束合并，實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)甚至兆瓦級(jí)的激光輸出。然而，高功率激光器產(chǎn)生的熱量也帶來了散熱難題。為解決這一問題，需要采用高效率的熱沉設(shè)計(jì)，利用特殊的散熱材料和結(jié)構(gòu)，將熱量快速散發(fā)出去；同時(shí)，采用低應(yīng)力、高熱導(dǎo)率的封裝工藝，確保激光器在工作過程中溫度能控制在合理范圍，維持穩(wěn)定運(yùn)行。

其次，激光電池（laser power converter，LPC）負(fù)責(zé)接收激光能量并將其轉(zhuǎn)換為電能，是LWPT系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。目前，基于GaAs的LPC的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到74.7%，而InGaAs LPC在1064 nm激光照射下，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 50.8%（圖5）。然而，高功率激光能量傳輸會(huì)導(dǎo)致LPC溫度升高，其效率降低甚至損壞。因此，開發(fā)高效的散熱結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，例如采用新型散熱材料和散熱鰭片設(shè)計(jì)，加強(qiáng)電池的散熱能力，以保證激光電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖5 LWPT研究中的激光電池最高效率統(tǒng)計(jì)與相關(guān)公司

此外，傳輸過程損耗也是影響LWPT系統(tǒng)效率的重要因素。激光在傳播過程中會(huì)受到大氣的影響，從而導(dǎo)致能量損失。為了降低大氣損耗，需要選擇合適的激光波長(zhǎng)和傳輸路徑，并采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來校正波前畸變。同時(shí)，激光發(fā)射器和接收器之間的對(duì)準(zhǔn)誤差也會(huì)導(dǎo)致能量損失。因此，需要開發(fā)高精度的激光跟蹤控制系統(tǒng)來保證激光束的準(zhǔn)確照射。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，需要保證激光發(fā)射器和接收器的能帶匹配。研究人員也在探索包括鈣鈦礦材料或有機(jī)光伏材料在內(nèi)的新型材料在LWPT系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期進(jìn)一步提高能帶匹配的效率。同時(shí)，將LWPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，可以方便進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，便于在不同應(yīng)用場(chǎng)景中部署和使用。

目前，在多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化LWPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)以達(dá)到更高的效率以滿足使用需求。此外，LWPT系統(tǒng)的整體成本仍然偏高，這主要來自大功率激光器和高效率LPC的制造成本。對(duì)此，可以通過采用激光二極管陣列和光束合并技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的激光輸出，從而降低LWPT系統(tǒng)的整體成本。

04

發(fā)展建議

LWPT技術(shù)作為一種新型的無線能量傳輸技術(shù)，雖然在航空航天、移動(dòng)設(shè)備充電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但仍面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。為了推動(dòng)LWPT技術(shù)的健康發(fā)展，我們提出以下發(fā)展建議（圖6）。

圖6 LWPT發(fā)展建議

一是加強(qiáng)基礎(chǔ)研究是推動(dòng)LWPT技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。基礎(chǔ)研究應(yīng)涵蓋激光發(fā)射、傳輸、接收和能量轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，以及光束瞄準(zhǔn)與跟蹤、大氣影響、能量轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵技術(shù)難題。

二是開展應(yīng)用示范是驗(yàn)證LWPT技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。通過在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行示范，可以驗(yàn)證LWPT技術(shù)的性能和穩(wěn)定性，為技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供有力支持。

三是降低成本是提高LWPT技術(shù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要措施。一方面，通過技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)新型的激光器和光電轉(zhuǎn)換器件制造工藝，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本；另一方面，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，優(yōu)化供應(yīng)鏈管理，利用規(guī)模效應(yīng)降低單位產(chǎn)品成本。

四是制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是保證LWPT技術(shù)健康發(fā)展的重要保障。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以統(tǒng)一技術(shù)參數(shù)、規(guī)范設(shè)備性能，為技術(shù)推廣和應(yīng)用提供依據(jù)。

五是加強(qiáng)國際合作與交流是推動(dòng)LWPT技術(shù)發(fā)展的重要手段。國際合作應(yīng)涵蓋技術(shù)研發(fā)、設(shè)備制造、市場(chǎng)推廣等環(huán)節(jié)，共同推動(dòng)LWPT技術(shù)在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用。

最后，伴隨低空產(chǎn)業(yè)和商業(yè)航天等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，LWPT技術(shù)可以與激光通信、衛(wèi)星遙感定位等技術(shù)深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全時(shí)空領(lǐng)域的能源與信息全面互聯(lián)，打造出全新的人類社會(huì)形態(tài)。

05

結(jié)論

綜上所述，無線能量傳輸技術(shù)，特別是LWPT技術(shù)，展現(xiàn)出為低空產(chǎn)業(yè)和航空航天等領(lǐng)域帶來革命性進(jìn)步的巨大潛力。在無人機(jī)、飛行汽車、太空發(fā)電和空間傳能等新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，人們對(duì)高效、靈活的能源傳輸技術(shù)需求愈發(fā)迫切。LWPT技術(shù)憑借其高方向性、高能量密度和遠(yuǎn)距離傳輸能力，有望突破傳統(tǒng)能源傳輸方式的局限，為新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。盡管在發(fā)展過程中，LWPT技術(shù)面臨諸如光束瞄準(zhǔn)與跟蹤、能量轉(zhuǎn)換效率和成本等挑戰(zhàn)，但通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這些問題將會(huì)逐步得到解決。

在未來，無人機(jī)或許可以做到在城市上空自由飛行，持續(xù)進(jìn)行物流配送；衛(wèi)星在太空中也許會(huì)依靠能源的無縫互聯(lián)，為全球通信和數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定保障。這一切都將因LWPT技術(shù)的成熟而成為可能。應(yīng)抓住這一歷史機(jī)遇，加快技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣，推動(dòng)交通、信息和能源的深度融合，構(gòu)建智能化、自動(dòng)化和高效化的交通系統(tǒng)，為國家的科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

本文作者：劉劼瑋、薛傅龍、王志峰

作者簡(jiǎn)介：劉劼瑋，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，副研究員，研究方向?yàn)楣怆娔茉崔D(zhuǎn)化利用；薛傅龍（通信作者），清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，嘉興南湖路空協(xié)同立體交通產(chǎn)業(yè)研究院，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)轱w行汽車與低空交通；王志峰，北京九天行歌航天科技有限公司，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教煅b備設(shè)計(jì)制造。

文章來 源 ： 劉劼瑋, 薛傅龍, 王志峰. 無“線”可能：激光能量傳輸如何重塑能源未來[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(9): 15?23 .

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