激光能量传输的无“线”可能

该文章刊登于《科技导报》杂志2025年第9期，题目为《无“线”可能：激光能量传输如何重塑能源未来》。

随着科技及新型生产力迅猛进步的潮流，以低空领域和商业航天领域为标志的众多新兴产业如雨后春笋般不断出现，它们持续地改变着我们的日常生活和未来的走向。在此背景下，无线能量传输技术应运而生。特别是激光无线能量传输（LWPT）技术，凭借其卓越的方向性、高能量密度以及长距离传输的能力，显现出极大的发展潜力，并展现出广泛的应用前景。因此，《科技导报》特邀该领域内的专家学者刘劼玮、薛傅龙、王志峰，对激光无线能量传输技术（简称LWPT）的核心原理进行了深入剖析，同时，他们还就这一技术的起源背景以及未来的潜在应用领域展开了广泛讨论。

自20世纪初尼古拉特斯拉这位美国科学家提出了无线电力传输的构想并着手研究，历经百年技术沉淀与需求的持续攀升，曾经只存在于科幻故事中的技术，如今正逐步走向现实。激光无线能量传输技术，即LWPT，通过电磁波束将能量从发射源传输至接收端，从而创造了一种无需物理接触的全新能源补给途径。这项技术不仅能持续为无人机、飞行汽车等低空飞行器供电，而且在卫星、太空站以及深空探测器等航天领域展现出广阔的应用潜力。

技术能力的不断升级，使得LWPT技术不再局限于能源传输的范畴，而是跃升为推动交通、信息、能源三网融合的关键动力。展望未来，交通系统将与信息及能源网络紧密融合，形成一个有序、高效的有机整体，促进交通、信息和能源的协同进步。作为无线能量传输的先锋，LWPT技术将在这一进程中发挥极其重要的作用。这些突破性的创新与变革，将为人类社会形态的全新塑造带来无限的前景，同时引领我们步入智能交通系统的新纪元（图1）。

图1 LWPT能源互联概念图

[id_590905363]

激光无线能量传输的原理与技术特点

电磁波束的长距离无线能量传输技术主要分为微波和激光（LWPT）两种途径。这种技术的基础在于将电能转换为激光能量，以实现远距离的传输。它涵盖了激光发射、传输、接收以及能量转换这四个关键步骤。如图2所示，首先，激光器通过受激辐射的原理，将输入的电能成功转换为激光能量。接着，激光光束经过光学系统的调整和塑造，以增强其方向性和光束的纯净度。在传播阶段，激光光束在空气或真空中进行传播。最终，接收端的光电转换设备——即激光电池，运用半导体光伏发电的原理，将接收到的激光能量高效地转换成电能，为各类负载提供能量支持。

图2 激光无线能量传输系统示意

LWPT技术具备以下显著特性：首先，它表现出极高的方向性；其次，能量密度同样非常高；再者，安全性是其一大优势；此外，它还具备较强的远距离传输能力；最后，其可选的频率范围十分广泛。

目前，在LWPT技术领域，应用广泛的激光器类型包括半导体激光器（如图3（a）所示）、全固态激光器以及光纤激光器等。同时，激光电池的性能优劣直接影响到LWPT系统的整体效率。目前市场上常见的激光电池主要有以下三种类型：Ⅲ−V族化合物半导体激光电池、硅激光电池以及采用钙钛矿或有机材料制成的激光电池。图3（b）所示的Ⅲ−V族化合物半导体激光电池，其带隙与第一大气窗口相吻合，且效率出众、抗辐射性能卓越，然而其成本相对较高。随着技术的持续发展，我们有理由期待激光电池在效率、稳定性和成本方面的性能将得到显著提升，进而为无线能量传输技术在各个领域的广泛应用提供更广阔的前景。

图3 LWPT技术可使用激光器

除此之外，LWPT系统在传输阶段所遭遇的大气衰减以及光学系统的损耗，还有在能量传递过程中系统对准的精确度问题，这些因素同样对LWPT系统的整体性能产生了限制。

02

激光无线能量传输系统研究与应用

LWPT技术的应用前景极为广阔，它不仅涉及陆地与海洋，还包括地球与太空，以及民用与军事等多个层面。国内外众多研究机构已经对LWPT系统进行了相应的验证性实验，并在此过程中取得了一定的成就。

在地面的应用场景中，LWPT技术适用于为无人机、电动汽车等可移动设备提供无线充电服务。以2009年为例，美国LaserMotive公司便运用激光技术，成功为四旋翼直升机实现了无线供电，并使其在空中悬停长达12.5小时。2010年，该公司成功运用激光无线充电技术，为位于1公里之外的鹈鹕无人机（UAV）提供能源（见图4（a）和4（b）），此举显著提升了无人机的续航能力，由原先无激光充电时的5分钟延长至12小时。

在电动汽车领域，2003年，Steinsiek等人成功开展了利用激光为地面移动小车进行无线充电的实验（图4（c））。此外，在太空领域，激光无线能量传输技术（LWPT）可应用于卫星充电、太空站能源补给以及深空探测器的供电，为人类探索宇宙提供了稳定的能源支持（图4（d））。

在军事领域，美国国防高级研究计划局（DARPA）致力于LWPT技术的应用研究，这一研究涵盖了为远程武器系统、无人机等设备提供无线电力，旨在提升作战效能与保障安全。

此外，LWPT技术还可用于水下设备的能量传递。以2018年为例，浙江大学首次提出了依托太阳能板的水下无线光通信（UWOC）系统，该系统能够同时实现光通信与能量传输的双重效果（图4（e））。

总体而言，LWPT技术在太空、地面、军事以及水下等多个领域展现出巨大的应用潜力。伴随着技术的持续发展与应用范围的持续扩大，LWPT技术有望为人类社会带来更多的便捷与福祉，同时，它还将对新兴产业的革命性创新以及人类的可持续发展作出关键性的贡献。

图4 LWPT系统的相关研究与应用案例

03

光无线能量传输的原理与技术特点

LWPT技术在众多领域展现出广阔的应用前景，因而备受瞩目。它预示着能源传输领域的未来发展方向，蕴藏着巨大的发展潜力。尽管如此，若要推动这项技术的实用化并扩大其应用范围，我们仍需面对诸多挑战。

激光发射器构成了LWPT系统的核心部件。借助光纤耦合与光束合并技术，众多低功率激光器的光线得以汇聚，从而产生千瓦级乃至兆瓦级的激光输出。但与此同时，高功率激光器在产生强大光能的同时，也产生了大量的热量，这无疑给散热问题带来了挑战。为了解决这一难题，我们必须实施高效的热沉设计方案，借助独特的散热材料和构造，迅速将热量散去；此外，还需运用低应力且热导率高的封装技术，以保证激光器在运作时温度得以保持在适宜区间，从而实现稳定的工作状态。

其次，激光电池，也称作激光能量转换器（LPC），其主要功能是吸纳激光能量，并将其转化为电能，这一部分在LWPT系统中扮演着至关重要的角色。目前，采用GaAs材料的LPC在光电转换效率方面已实现74.7%的佳绩，而在1064 nm波长的激光照射下，InGaAs材料的LPC光电转换效率也达到了50.8%（见图5）。然而，高功率激光的能量传递会引起LPC温度的上升，进而导致其效率下降甚至可能损坏。鉴于此，研发高效的散热结构显得尤为关键，比如运用新型的散热材料和设计散热鳍片，以增强电池的散热性能，确保激光电池能够长期稳定运行。

图5 LWPT研究中的激光电池最高效率统计与相关公司

此外，传输损耗亦是LWPT系统效能的关键影响因素。在激光传播之际，大气条件会对其造成干扰，进而引发能量衰减。为了减少大气造成的损耗，我们必须挑选恰当的激光波长和传输路线，并且利用自适应光学系统对波前畸变进行校正。此外，激光发射与接收装置之间的对准不准确也会引起能量损耗。为此，我们必须研制出具有高精度的激光束追踪调节系统，以确保激光束能够精确地照射到目标位置。

在系统设计层面开yun体育app官网网页登录入口，为确保能量转换的效率，必须确保激光发射与接收器的能带相匹配。同时，研究人员正在研究钙钛矿材料以及有机光伏材料等新型材料在长波红外光子晶体（LWPT）系统中的应用，旨在进一步提升能带匹配的效率。同时，该LWPT系统被设计为模块化形态，便于进行系统的更新与维护操作，显著增强了系统的灵活性与扩展能力，从而便于在多样化的应用场景中得到部署与运用。

在众多实际应用场景中，对LWPT系统的设计还需进行深入优化，以确保其效率得到显著提升，满足用户的使用要求。同时，LWPT系统的整体造价依然较高kaiyun全站网页版登录，这主要是因为大功率激光器和高效LPC的制造费用较高。为了解决这个问题，我们可以通过使用激光二极管阵列以及光束合并技术，实现高效且成本低的激光输出，进而有效降低LWPT系统的整体造价。

04

发展建议

LWPT技术，作为一种新兴的无线能量传输手段，尽管在航天航空、便携设备充电以及交通领域等众多方面展现出了广阔的应用前景，然而，它仍遭遇了一系列技术难题。为了促进LWPT技术的持续进步，我们特此提出以下几项发展策略（如图6所示）。

图6 LWPT发展建议

首先，强化基础研究是促进LWPT技术进步的核心要素。其次，这一研究范畴需包括激光的发射、传输、接收以及能量转换等关键环节。此外，还需攻克光束的瞄准与跟踪、大气环境的影响以及能量转换效率等领域的重大技术挑战。

二是，实施应用示范是检验LWPT技术实际操作可行性与经济效益的关键方法。通过在具体应用场合展示，我们能够评估LWPT技术的表现与可靠性，从而为该技术的普及与实施提供坚实的保障。

降低成本对于增强LWPT技术市场竞争力至关重要。首先，通过技术革新，研发新型激光器和光电转换器件的制造技术，从而提升生产效率，减少制造成本；其次，通过实现大规模生产，优化供应链管理，借助规模效应进一步降低每件产品的成本。

四是确立标准与规范对于LWPT技术的持续进步至关重要。这些规范有助于统一技术参数，规范设备性能，进而为技术的推广与应用奠定坚实基础。

五是，强化国际间的协作与沟通是促进LWPT技术进步的关键途径。这种合作应包括技术研发、设备生产、市场拓展等多个方面，旨在共同推进LWPT技术在全球范围内的广泛应用。

最终，随着低空产业、商业航天等新兴领域的迅猛增长，LWPT技术得以与激光通信、卫星遥感定位等技术实现深度融合，从而在各个时空维度上实现能源与信息的全面互联互通，进而塑造出一种全新的社会形态。

05

结论

总体来看，无线能量传输技术，尤其是LWPT技术，具备为低空产业以及航空航天等行业带来颠覆性变革的显著潜力。在无人机、飞行汽车、太空发电以及空间能量传输等新兴领域，对于高效、便捷的能源传输方式的需求正日益增强。LWPT技术以其出色的方向性、高能量密度以及长距离传输优势，有望打破传统能源传输的限制，为新兴产业的蓬勃发展提供强劲的推动力。然而，在技术发展的道路上，LWPT技术遭遇了诸如光束的精确瞄准与追踪、能量转换效率的提升以及成本控制等难题。但相信通过不断的科技创新和产业进步，这些问题将逐步得到克服。

在未来的某个时刻，无人机或许能够在城市上空自如翱翔kaiyun官方网站登录入口，并持续执行物流配送任务；同时，卫星在太空领域或许能够借助能源的紧密连接，为全球的通信和数据传输提供稳固的保障。这一切的实现，都将得益于LWPT技术的日益成熟。要紧紧把握这一历史性的发展良机，加速推进技术的研究与普及，促进交通、信息以及能源领域的紧密融合，打造智能化、自动化程度高且运作高效的交通体系，为国家科技进步与经济增长注入强大动力。

本文作者：刘劼玮、薛傅龙、王志峰

刘劼玮，任职于中国科学院大连化学物理研究所，担任副研究员一职，专注于光电能源的转化与利用领域；薛傅龙，作为本研究的通讯作者，他在清华大学车辆与运载学院及嘉兴南湖路空协同立体交通产业研究院担任高级工程师，主要研究飞行汽车及低空交通技术；王志峰，北京九天行歌航天科技有限公司的高级工程师，他的研究重点在于航天装备的设计与制造。

文章出处：刘劼玮、薛傅龙、王志峰共同撰写的《无“线”可能：激光能量传输如何重塑能源未来》一文，发表于《科技导报》2025年第43卷第9期，页码为15至23。