反馈弥补激光能量传输中部分反射镜反射损失

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Using optical feedback to compensate for thepartialy reflecting mirror in laserHuang Hu，Li Bin，(State ，Laboratory of Precision Measuring Technologyreflection loss caused bypower beamingYou Zheng，Wang Weiand Instruments，Tsinghua University，Beijing 100084，Chimt)Abstract：The photocell is usually covered by a layer of partially reflecting mirror in laser power beaming， which isused to reflect partial laser light，control the light power of receiver in real time and adjust the beam pointing fromtransmitter to receiver.The partially reflecting mirror will decrease the power transmission efficiency.In this paper amethod of optical feedback laser power beaming is presented，the theoretical model is established and the laser outputpower expression is derived.The expression shows that the optical feedbaek can reduce the 1aser threshold currentand increase the laser output power.The laser threshold currents and output powers in feedback and non feedbackconditions were measured in experiments.The experiment results show that in optical feedback condition the thresholdcurrent is reduced by 25% and the output power is increased by 1 0% at the driving current of 60mA compared withthose in non feedback condition.In the experiment.the output powers in the conditions with feedback and without re。

flecting mirror were also measured.The results show that the optical feedback can reduce the reflection loss caused byreflecting mirror from 10% to 3% .The opticaledback laser power transmission method compensates the reflectionloss of the reflecting mirror and improves the power transmission eficiency。

Keywords：edback；eficiency；partially reflecting mirror；reflection loss引 目无线能量传输是-项可广泛应用于移动设备供能的技术。比如为手机、Ipad等手持设备无线供能，可解决日常使用中较为昔啮的待机时间短的问题。目前无线能量传输主要有4种方式：电磁感应方式、磁共振耦合方式、微波方式和激光方式。电磁感应方式利用变压器原理，研究较为成熟，但传输距离非滁 j。目前市场上已有-些利用此原理的手持设备无线充电板，需将手持设备贴合在充电板上使用。

磁共振耦合方式由M1T的研究人员于2006年首先提出，将电磁能量传输距离突破性的提升至2 Il 。微波方式传输收稿日期：2012-06 Received Date：2012-06基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA120603)资助项目第 1期 黄 虎 等：反馈弥补激光能量传输中部分反射镜反射损失 81距离远，是太阳能卫星电站考虑的主要能量传输方式之- j，但微波的波长较长，发射接收设备尺寸大。激光方式准直l生好，能量密度高，发射接收设备尺寸小，是-种很有前景的能量传输方式。美国NASA进行了小型飞机激光供能的演示实验 ，并已举办多期激光能量传输技术竞赛 ，大大推动了激光能量传输的研究进展。

激光能量传输的激光发射设备-般是激光器，由于在各类激光器中，半导体激光器的电-光转换效率最高，因此可使用半导体激光器作为能量发射设备，激光能量传输的接收设备主要是光电池 。

在激光能量传输过程中，为了直接控制光电池接收能量的大小，防止光电池因被照射能量过大而损毁，-般在整块光电池表面安装部分反射镜，将照射在其表面的激光部分反射至发射端，作为闭环反馈信号，实时控制激光发射的能量。

另-方面，在激光发射端和激光接收端的瞄准及跟踪过程中，也常常是在接收端安置-面部分反射镜 ，形成反射信号光，根据反射信号光线的方向调整发射激光的角度 ，保证发射端和接收端激光的对准度。

接收端部分反射镜反射的信号激光只有-小部分进入发射端的监测传感器，成为有用信号，其余的反射激光则成为无用光而被浪费，造成了能量的损失，降低了能量传输效率。为了减小这种能量损失，本文提出激光反馈式能量传输方式，即将反射的信号激光反励入激光器 ，利用反坤光可降低激光器阈值电流，增大激光器输出功率 的原理，对反射信号光线进行再利用，从而弥补反射镜的反射损失。

2 理论分析激光能量传输示意图如图 1所示。光电池表面覆盖有- 块部分反射镜，用于产生反射信号光。激光器发射的激光照射到部分反射镜，-部分透射到光电池，转换为电能，另-部分激光则会被反射。若激光被反镭激光器，则激光器和部分反射锯 组成了-个外腔反馈式激光器 ，如图2所示。

准直天线图 1 能量传输示意图Fig.1 Schematic diagram of power beaming激光反馈式能量传输简化的理论模型可用图 3表示。Ld 、L ：分别是激光器晶体的2个端面，G 是部分反射镜。激光器晶体的 2个端面组成内部谐振腔 ，由于部分反射镜的反馈作用，L 端面将与部分反射镜 G 组成- 个外部谐振腔。3个端面的功率反射率分别是 .、和 半导体晶体折射率为 n ，外部谐振腔折射率为n半导体晶体和外部谐振腔的长度分别是 和- 准直天线外腔反馈式激光器图2 反馈式激光器示意图Fig.2 Schematic diagram of feedback laser。j/- ( 二)- a最图3 外腔反馈式激光器理论模型Fig.3 Theoretical model of external cavity feedback laser5 ㈩ (去- flI ref√ - - - -L - - - 1、，/R 尺2e。 (2)等效反射率 r 可用等效反射因子 表示 为：r 口，/R2X (3)等效透射率用部分反射镜反射率 和 端面反射率 表示为：teflt： (4) -1 R2Rexe-i r5 表示激光器注入电流大于其阈值电流时的腔内光子数，其表达式为 ：82 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷Sc - t ) (5)式中：g 表示激光器的阈值增益， 表示激光器的阈值电流。

激光器的阈值增益 g 可用算式表示为 ： 1n( )1 1n( )- 1 ln(I X I) (6)式中： 表示光束在内部谐振腔中往返-周的损耗。

令 ：△g ÷In(I X I) (8)则有：gm：gh0-△g h (9)从式(9)中可发现反馈作用在普通激光器的阈值增益中增加了-个因子 △g ，当Ag >0时，反馈作用可降低激光器的阈值增益。

由阈值增益可推导出激光器的阈值电流为：，t ，tm- e V c△gtn (10)从式(10)可看出外腔反馈作用在降低激光器阈值增益的同时，相应的降低了激光器的阈值电流。

将式(3)、式(5)代人式(1)并定义斜率效率 田为：hc 1叩 2-ndA-La丢·n(志) ·X I(去- 。

从式可以看出，对于选定的激光器，新组成的外腔反馈式激光器的斜率效率只与部分反射镜的反射率尺 有关。

从外腔面输出的激光功率可用斜率效率及注入电流表示为：P叼×(，- ) (12)部分反射镜是否将激光反射回激光器具有相同的斜率效率，但将激光反射回激光器降低了激光器的阈值电流， 。因此从式可发现激光器的输出功率增大，输出效率提高，从而弥补了部分反射镜的反射损失。

3 实验研究为了验证激光反馈对于激光器输出效率的提升作用，进行了实验研究。实验光路示意图如图4所示，激光器发射的激光经准直天线准直扩束后，照射到部分反射镜，在部分反射镜后置有激光功率计，用于测量从部分反射镜透射出的光强大校图4中分别测量了激光反劳无反馈时从部分反射镜输出光强的大校激光反馈的光路示意图如图4(a)所示，调节部分反射镜的角度，使照射其上的激光部分反射进入激光器，在部分反射镜后方使用光功率计测量输出激光的光强。无反馈的光路示意图如图4(b)所示，调节部分反射镜的角度，使反射激光不能照射进入激光器，同样在部分反射镜后方使用光功率计测量输出光功率。

准直天线 部分反射镜(a1激光反馈光路(a)Optical path with light feedback解准直天线 部分反射镜(b)激光无反馈光路(b)Optical path without light feedback图4 激光反馈/无反励入激光器光路Fig.4 Optical paths with/without light feedback实验中选用的激光器是 THORLABS公司的半导体激光器，发射激光波长是 940 Fin，准直天线的通光孔径为5 mm，实验中使用的部分反射镜在 940 nnl波长处的反射率为 10%。

从图5的实验结果可发现，激光反馈时的阈值电流约15 mA，无反馈时的阈值电流约20 mA，反馈作用使激光器的阈值电流降低了25%。由于阈值电流的降低，使得在相同注入电流时，反馈状态下激光器的输出功率大于无反馈时的输出功率。从实验结果可看出，在驱动电流为60 mA时，反馈作用提升了约 10%的输出功率。

3025≥量20得龚15丑嫘 105驱动电流/mA图5 激光反馈/无反馈时输出功率Fig.5 Output powers with/without light feedback第1期 黄 虎 等：反馈弥补激光能量传输中部分反射镜反射损失 834 部分反射镜的反射损失弥补由于部分反射镜的反射造成了能量的损失，为了测量反馈作用对于这种反射损失的弥补效果，使用光功率计分别测量了无部分反射镜时的光功率以及有部分反射镜激光反馈/无反馈时的光功率。

无部分反射镜的光路如图6所示 ，相当于激光直接照射到光电池的效果。激光反馈/无反馈的实验光路仍如图4所示，实验测量结果如图7所示。

准直天线图6 无部分反射镜的光路Fig.6 Optical path without partialy reflecting mirror从图7所示实验结果中可以看出，驱动电流较小时，激光反馈的输出功率大于无反射镜时的输出功率；当驱动电流增大到约53 mA时，激光反馈的输出功率与无部分反射镜的输出功率相等，两曲线相交于-点。而有部分反射镜但无反馈的输出功率则-直小于无部分反射镜反射时的输出功率。

图7的实验结果说明将反射激光反馈 回激光器，驱动电流较小时，透过部分反射镜的光强甚至大于无部分反射镜时的光强；电流增大到 53 mA，反馈的输出功率会达到与无部分反射镜时相等的效果；驱动电流进-步增大，虽然反馈照射到光电池的功率比无部分反射镜时照射到光电池的功率小，但相比于无反馈时的功率大，减小了功率损失。从实验结果可以看出，驱动电流为 60 mA时，反馈功率损失约为3%，而部分反射镜的反射损失为10%，降低了7%的功率损失，弥补了部分反射镜的反射损失。 图7 功率曲线Fig.7 Output power CHIVES5 结 论激光能量传输是-种重要的无线能量传输方式，光电池是常用的能量接收设备。激光能量传输过程中通常在光电池表面覆盖-层部分反射镜，产生反射光信号，用于实时控制照射到光电池的光强大小以及调整发射端和接收端的对准度。由于光电池表面反射镜的反射作用，造成部分激光的损失，降低了能量传输效率。

本文提出了激光反馈式能量传输方式，将部分反射镜反射的激光反励入激光器，利用反坤光可降低激光器阈值电流，增大激光器输出功率的原理，弥补反射镜的反射损失。

文中建立了激光反馈的理论模型，给出了反坤光器阈值电流及输出功率的表达式，从表达式中可看出反馈作用确实降低了激光器的阈值电流，增大了激光器输出功率。

通过实验测量了激光反劳无反馈时激光器的阈值电流及输出功率。从实验结果中可以发现激光反馈时，激光器的阈值电流比无反馈时降低了25%，输出功率提升了10%。

实验还使用光功率计测量了无部分反射时接收端的光功率，将激光反励人激光器时的输出光功率以及无反射镜时的光功率进行对比，发现在激光器驱动电流较小时反馈的输出光功率甚至大于无反射镜时的光功率，而激光器驱动电流达到 60 mA时，反馈作用将反射镜的反射功率损失从 10%降低到了3%，弥补了反射镜的反射损失，增大了激光能量传输的效率。