在科技與新質生產力快速發展的浪潮中，以低空產業和商業航天為代表的新興產業不斷涌現，并持續重塑著我們的生活和未來。無線能量傳輸技術應運而生。其中，激光無線能量傳輸（LWPT）技術，以其高方向性、高能量密度和遠距離傳輸能力，展現出巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。

自20世紀初，美國科學家尼古拉特斯拉提出無線電力傳輸的設想并開展研究以來，經過百年的技術積累和需求的不斷增長，這一曾被視為科幻場景的技術如今正逐漸成為現實。激光無線能量傳輸（laser wireless power transmission，LWPT）技術利用電磁波束將能量從發射端傳遞到接收端，提供了一種無需物理連接的全新能源補給方案。這一技術不僅可以為無人機、飛行汽車等低空飛行器提供持續的能源支持，還在衛星、太空站及深空探測器等航天應用中具有極大的應用前景。

隨著技術能力的持續進步，LWPT技術將超越單純的能源傳輸功能，成為推動交通–信息–能源三網融合的核心驅動力。未來的交通系統將是與信息和能源網絡緊密相連的、高度有序的有機整體，從而實現交通、信息和能源的協同發展。LWPT技術作為無線能量傳輸的代表，將在其中扮演至關重要的角色。這些創新和變革將為未來人類社會形態的重塑提供無限可能，開啟智能交通系統的新時代（圖1）。

圖1 LWPT能源互聯概念圖

01

激光無線能量傳輸的

原理與技術特點

基于電磁波束的長距離無線能量傳輸技術主要有微波和激光（LWPT）2種路線。LWPT技術的基礎是將電能轉化為激光能量進行遠距離傳輸，主要包括激光發射、傳輸、接收和能量轉換4個主要步驟。如圖2所示，首先，激光器基于受激輻射原理，將輸入的電能轉化為激光能量。隨后，激光束通過光學系統進行準直和整形，以提高光束的方向性和光束質量。在傳輸過程中，激光束在大氣或真空介質中傳播。最后，接收端的光電轉換裝置（激光電池）利用半導體光伏發電原理，將接收到的激光能量高效轉化為電能，為各種負載提供能量供應。

圖2 激光無線能量傳輸系統示意

LWPT技術具有以下技術特點：

（1）高方向性；

（2）高能量密度；

（3）安全性；

（4）遠距離傳輸能力；

（5）可選頻率范圍廣。

目前，LWPT技術可使用的激光器主要有半導體激光器（圖3（a））、全固態激光器、光纖激光器等類型。此外，激光電池的性能也是決定LWPT系統整體效率的關鍵要素。目前主要有3種類型的激光電池：Ⅲ?V族化合物半導體激光電池、硅激光電池、基于鈣鈦礦或有機材料的激光電池。其中，Ⅲ?V族化合物半導體激光電池（圖3（b））具有帶隙與第一大氣窗口匹配、效率高、抗輻射能力強等優勢，缺點是成本較高。隨著技術的不斷進步，可以期待激光電池的效率、穩定性和成本將會得到進一步優化，從而提高無線能量傳輸技術在各領域的應用前景。

圖3 LWPT技術可使用激光器

此外，LWPT系統在傳輸過程中的大氣衰減和光學系統損耗，以及能量傳輸過程中系統對準精度的問題，也制約著LWPT系統的性能。

02

激光無線能量傳輸系統

研究與應用

LWPT技術的潛在應用場景非常廣泛，涵蓋了從陸地到海洋，從地球到太空，從民用到軍事等多個領域。國內外多個研究機構已對LWPT系統開展過相關的驗證實驗，取得了一定的進展。

在地面應用中，LWPT技術可以用于無人機、電動汽車等移動設備的無線充電。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為1 km外的鵜鶘無人機（UAV）供電（圖4（a）和4（b）），將無人機的續航時間從無激光充電的5 min增加到12 h。

電動汽車方面，2003年，Steinsiek等進行了利用激光為地面移動小車無線供能的實驗（圖4（c））。在太空應用中，LWPT技術可用于衛星充電、太空站能量補給、深空探測器供電等，為人類探索宇宙提供可靠的能源保障（圖4（d））。

軍事方面，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）開展了LWPT技術在軍事領域的應用研究，包括用于遠程武器系統、無人機等設備的無線供電，提高作戰效率和安全性。

此外，LWPT 技術還可以應用于水下設備能量傳輸。例如：2018年，浙江大學首次提出了基于太陽能板的水下無線光學傳輸（underwater wireless optical communication，UWOC）系統，能夠實現光通信和能量傳輸的雙重功能（圖4（e））。

總的來說，LWPT 技術在太空、地面、軍事、水下等多個領域都具有廣泛的應用前景。隨著該技術的不斷進步和應用的不斷拓展，LWPT技術將為人類社會帶來更多的便利和福祉，并為新興產業的顛覆性創新和人類可持續發展做出重要貢獻。

圖4 LWPT系統的相關研究與應用案例

03

光無線能量傳輸的

原理與技術特點

LWPT技術因其在諸多領域的潛在應用前景，受到了廣泛關注。這項技術代表著未來能源傳輸領域的重要發展方向，擁有巨大的發展潛力。然而，要進一步實現技術的實用化并推廣其應用，仍需克服許多挑戰。

首先，激光發射器是LWPT系統的核心。通過光纖耦合技術和光束合并技術，可以將多個低功率激光器的光束合并，實現千瓦級甚至兆瓦級的激光輸出。然而，高功率激光器產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計，利用特殊的散熱材料和結構，將熱量快速散發出去；同時，采用低應力、高熱導率的封裝工藝，確保激光器在工作過程中溫度能控制在合理范圍，維持穩定運行。

其次，激光電池（laser power converter，LPC）負責接收激光能量并將其轉換為電能，是LWPT系統的關鍵組成部分。目前，基于GaAs的LPC的光電轉換效率已達到74.7%，而InGaAs LPC在1064 nm激光照射下，光電轉換效率達到 50.8%（圖5）。然而，高功率激光能量傳輸會導致LPC溫度升高，其效率降低甚至損壞。因此，開發高效的散熱結構至關重要，例如采用新型散熱材料和散熱鰭片設計，加強電池的散熱能力，以保證激光電池的長期穩定。

圖5 LWPT研究中的激光電池最高效率統計與相關公司

此外，傳輸過程損耗也是影響LWPT系統效率的重要因素。激光在傳播過程中會受到大氣的影響，從而導致能量損失。為了降低大氣損耗，需要選擇合適的激光波長和傳輸路徑，并采用自適應光學系統來校正波前畸變。同時，激光發射器和接收器之間的對準誤差也會導致能量損失。因此，需要開發高精度的激光跟蹤控制系統來保證激光束的準確照射。

系統設計方面，為了提高能量轉換效率，需要保證激光發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光伏材料在內的新型材料在LWPT系統中的應用，以期進一步提高能帶匹配的效率。同時，將LWPT系統設計成模塊化結構，可以方便進行系統升級和維護，提高系統的靈活性和可擴展性，便于在不同應用場景中部署和使用。

目前，在多數實際應用中，仍需要進一步優化LWPT系統設計以達到更高的效率以滿足使用需求。此外，LWPT系統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。對此，可以通過采用激光二極管陣列和光束合并技術，實現高效率、低成本的激光輸出，從而降低LWPT系統的整體成本。

04

發展建議

LWPT技術作為一種新型的無線能量傳輸技術，雖然在航空航天、移動設備充電、交通運輸等領域展現出巨大的應用潛力，但仍面臨著一些技術挑戰。為了推動LWPT技術的健康發展，我們提出以下發展建議（圖6）。

圖6 LWPT發展建議

一是加強基礎研究是推動LWPT技術發展的關鍵。基礎研究應涵蓋激光發射、傳輸、接收和能量轉換等環節，以及光束瞄準與跟蹤、大氣影響、能量轉換效率等關鍵技術難題。

二是開展應用示范是驗證LWPT技術可行性和經濟性的重要途徑。通過在實際應用場景中進行示范，可以驗證LWPT技術的性能和穩定性，為技術的推廣和應用提供有力支持。

三是降低成本是提高LWPT技術市場競爭力的重要措施。一方面，通過技術創新，研發新型的激光器和光電轉換器件制造工藝，提高生產效率，降低制造成本；另一方面，實現規模化生產，優化供應鏈管理，利用規模效應降低單位產品成本。

四是制定標準規范是保證LWPT技術健康發展的重要保障。標準規范可以統一技術參數、規范設備性能，為技術推廣和應用提供依據。

五是加強國際合作與交流是推動LWPT技術發展的重要手段。國際合作應涵蓋技術研發、設備制造、市場推廣等環節，共同推動LWPT技術在全球范圍內的應用。

最后，伴隨低空產業和商業航天等新興產業的蓬勃發展，LWPT技術可以與激光通信、衛星遙感定位等技術深度結合，實現全時空領域的能源與信息全面互聯，打造出全新的人類社會形態。

05

結論

綜上所述，無線能量傳輸技術，特別是LWPT技術，展現出為低空產業和航空航天等領域帶來革命性進步的巨大潛力。在無人機、飛行汽車、太空發電和空間傳能等新興產業相關領域，人們對高效、靈活的能源傳輸技術需求愈發迫切。LWPT技術憑借其高方向性、高能量密度和遠距離傳輸能力，有望突破傳統能源傳輸方式的局限，為新興產業的發展注入強大動力。盡管在發展過程中，LWPT技術面臨諸如光束瞄準與跟蹤、能量轉換效率和成本等挑戰，但通過持續的技術創新和產業發展，這些問題將會逐步得到解決。

在未來，無人機或許可以做到在城市上空自由飛行，持續進行物流配送；衛星在太空中也許會依靠能源的無縫互聯，為全球通信和數據傳輸提供穩定保障。這一切都將因LWPT技術的成熟而成為可能。應抓住這一歷史機遇，加快技術研發和應用推廣，推動交通、信息和能源的深度融合，構建智能化、自動化和高效化的交通系統，為國家的科技進步和經濟發展貢獻力量。

本文作者：劉劼瑋、薛傅龍、王志峰

作者簡介：劉劼瑋，中國科學院大連化學物理研究所，副研究員，研究方向為光電能源轉化利用；薛傅龍（通信作者），清華大學車輛與運載學院，嘉興南湖路空協同立體交通產業研究院，高級工程師，研究方向為飛行汽車與低空交通；王志峰，北京九天行歌航天科技有限公司，高級工程師，研究方向為航天裝備設計制造。

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]. 科技導報, 2025, 43(9): 15?23.

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本文轉載自“科技導報”，原標題《激光能量傳輸的無“線”可能》。

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