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高功率半导体激光器助威美国光能定向传输竞赛

2008-10-14 15:30
老猫
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高功率半导体激光器助威美国光能定向传输竞赛

 

    半导体激光器效率的提高以及光伏市场的增长提高了人们对光能定向传输(power beaming,无线功率传输)的兴趣。由美国国家航空航天局(NASA)主办的太空电梯竞赛是目前光能定向传输最热门的应用。

 

作者:George Treusch     德国DILAS半导体激光公司副总裁
      Tobias Koenning    德国DILAS半导体激光公司产品工程师
      Ben Shelef         美国太空发展基金会创始人与负责人
编译:杨  林             德国DILAS半导体激光公司中国区市场总监

 

    自从Nikola Tesla进行耦合调谐电路振荡器实验以来,光能定向传输(从一个地方到另一个地方的无线能量传输)已经走过了很长的历程。尽管无线光能定向传输的效率小于导线传输,但是对于无法铺设电力传输线的情况,无线光能定向传输是向远处供电的唯一选择,比如对需要从地球表面上升10万公里进入太空的太空电梯进行供电(见图1)。

 

                               

图1 图中显示的太空电梯,也即一个由地基半导体激光器供电的平台通过带子或绳索从地面上升到太空。

 

    2004年,美国太空发展基金会要求NASA的“百年挑战”办公室为组成太空电梯的核心技术设立两项竞赛:一个针对非常结实的绳索,另一个针对改进的光能定向传输系统。[1]而NASA对这两项竞赛的兴趣在于,竞赛结果可能会应用于其他领域。这两项竞赛的共同目标是推进技术发展,提高公众认知度,同时对太空电梯的概念加以宣传。

 

    2007年光能定向传输竞赛的目标是挑战太空电梯在50s内上升100m的极限。考虑到竞赛小组使用的光电池接收器的材料硅和砷化镓的响应波段以及功率密度,领先的参赛队(包括获得冠军的加拿大Saskatchewan大学队)选择近红外激光器作为光能定向传输系统的光源。光能定向传输的应用远不限于太空电梯,当然,其他波长可能更适合于不同于太空电梯的应用领域。

 

    尽管最终太空电梯所需的功率(1MW)、光束模式(TEM00)和传输距离(100,000km)远远超过目前的技术水平,但在2007年,德国DILAS半导体激光公司在非常短的时间内(三个星期)研制的光能定向传输光源提供了最好的性能,它使用了一种新型的基于半导体激光器模块的光能定向传输器,该光能定向传输器可同时适用于地面或太空飞行应用。

 

    2007年光能定向传输竞赛


    在2005年和2006年50m和100m的竞赛挑战中,使用的光源是聚光灯和太阳光。但在2007年,参赛队决定使用激光器作为光源,试图令太空电梯在50s内上升100m。2006年,参赛队曾尝试过非相干光源,但其并没有实现所需要的上升速度。

 

    2007年,参赛队使用硅基以及具有一个扩展吸收光谱的砷化镓基光电池来适应波长大于1µm的半导体泵浦固体(DPSS)激光器。由于其优异的光束质量和功率密度,该DPSS激光器满足了领先的参赛队对光源的期望。

 

    参赛队认为,要使太空电梯在50s内上升100m所需的光源功率在5~15kW之间。与半导体激光器相比,光纤激光器和圆片激光器(Disk lasers)可以提供更优异的光束质量,并具有小于10mm×1mrad的光束参量积(光束半径×发散角)。假设最小的光电池面板面积为1m2,使用直径为100mm或更小的光学元件, DPSS激光器的光能定向传输的极限大约是2.5km。半导体激光器发射的光束具有更大的发散角(典型值是快轴为6mrad,慢轴为20~30mrad),在使用与上述相同的光学元件和1m2的光电池接收器时,其光能定向传输的极限距离为1km。使用更大的光学元件和光电池面板面积,可以成比例地提高光能定向传输的距离。与半导体激光器相比,DPSS激光器不但价格昂贵,而且其电光转换效率(30%)也比半导体激光器的(70%)要低很多。最后,德国DILAS公司为加拿大Saskatchewan大学队提供了10kW的半导体激光器作为光能定向传输的光源,使他们不必再为光纤激光器和DPSS激光器的昂贵费用而头疼。

 

    德国DILAS公司在微通道水冷半导体激光垂直叠阵E系列基础上建造了10kW的二维叠阵。这个模块设计的最初挑战是:如何选择最合适的半导体封装结构,使每个激光二极管阵列的输出功率大于100W,并使其快轴发散角小于6mrad、慢轴发散角小于30mrad。10kW的输出功率是通过将3个由30个激光二极管阵列组成的垂直叠阵组合在一起实现的,每个垂直叠阵的输出功率为3.5kW(见图2)。每个激光二极管阵列都同时安装了快轴和慢轴准直透镜。在机架上还有一套扩束聚焦透镜组,用于光束的可变扩束以配合用电机驱动的第二套透镜组的尺寸,结合第二套外部扩束聚焦透镜系统,使光束可以在上升100m过程中和光电池面板的尺寸相匹配。这种光学设计可以使三个垂直叠阵中、每个叠阵的95%的光束都在100m处的1m2面板上重叠;其余的5%,由于半导体光源结构使每个半导体叠阵之间(中心到中心)有5cm的间距,在向上传输到光电池时透过了标准的由电机带动的光学元件。

 

                                             

图2 在2007年太空电梯竞赛中使用的10kW半导体激光器光源包括3个由30个激光二极管阵列组成的叠阵阵列,每个叠阵的输出功率为3.5kW(左上图)。这个光能定向传输模块照明一个面积为1m2的光电池面板(右上图),由半导体激光器光束提供能量使上升平台沿着一条绳索上升(下图)。

 

    对于长距离光能定向传输的应用而言,光束发散角至关重要。为了使激光二极管阵列快轴发散角小于6mrad输出,激光二极管阵列必须具有非常小的“微笑(Smile)”效应。Smile效应是指激光二极管阵列的多个发光点在封装到热沉上后出现的弯曲现象,Smile效应大最终会增加整形后的光束发射角或形成多光束。实现激光二极管阵列Smile小于0.5µm的封装技术,以及在线检测的透镜装配过程(二者均由德国DILAS开发),最终激光二极管叠阵可提供4mrad的快轴发散角,并保持95%的激光输出功率。为了使激光二极管阵列的慢轴发散角达到30mrad,德国DILAS选择了与发射器的尺寸和发散角相匹配的慢轴准直透镜。最终,光束的慢轴发散角通过光束5倍扩束后降低到6mrad。

 

    尽管加拿大Saskatchewan大学队在2007年的竞赛中获胜,但他们仍然比规定的时间延迟了2s(费时52s)上升到100m。在2008年,竞赛的挑战目标将调整为:垂直上升距离增加10倍至1km,上升速度增加到5m/s。

 

    针对2008年竞赛的优化设计


    使用低成本的硅基或非常先进砷化镓基的光伏(PV)电池,来自不同参赛队的新型光能定向传输器的设计考虑了多种方法。材料选择、光伏电池和光束特性是参赛队需要考虑的因素。2008年的挑战目标只设定了距离和最小平均爬升速度。每个队都可能使用自己的方法建造光能定向传输系统,功率范围从2.5kW到超过10kW不等。

 

    光能定向传输的光源波长很可能会在800~900nm之间。高功率半导体激光器的效率大于60%,并且每10mm激光二极管阵列的功率水平大于100W。恰巧,与大于1 µm的波长相比(这是光纤激光器和圆片激光器的输出波长范围),在这个光谱范围内,硅光电池和砷化镓光电池具有更高的效率。

 

    增加光能定向传输器亮度和功率的一个方法是,使用双色镜来耦合不同波长激光二极管发射的808nm、880nm、915nm、940nm和980nm的激光。然而,一个优化的系统必须考虑光伏电池材料的响应波段。因为在目前的情况下,光伏电池材料的选择(硅或砷化镓)还是未知的,德国DILAS决定在2008年的光能定向传输器示范模块上,不使用波长耦合方案。基本单元将包含两个由12条激光二极管组成的叠阵,输出单一波长,总输出功率超过2.5kW。

 

    其他技术如偏振耦合、光束交叉以及快轴和慢轴准直,可以产生一个输出孔径为100×100mm2、两轴最小发散角为1mrad的光束(见图3)。通过仔细调整出射透镜和内部透镜组之间的距离,使光束尺寸与能在1km之内内匹配到1m2的范围内。下一步可以使用波长耦合来获得最高的亮度,甚至实现更高的高度。

 


                               
图3 光线跟踪结果显示了从两个由12条激光二极管组成的叠阵在快轴方向(左上图)和慢轴方向(右上图)的光路。扩束光学元件(非球面透镜)在出射透镜处产生两轴最小发散角为1mrad的100mm×100mm的光束。在距激光二极管50m处的功率分布在1m×1m的方形光斑里(左下图),光束传输1km后的分布(右下图)仍然可以通过调节光学元件之间的距离加以改进。

 

    2008年的设计也将结合电机控制的光学元件,来控制到达电池面板的光束发散角,并相应地控制光束投射在可变距离处的光伏电池面板上的尺寸。可以在光能定向传输器里增加更多激光二极管发光面板,以此提高光伏电池面板上的功率。每个面板发射的激光在光伏电池面板上重叠,并有一小部分抵消,这与叠阵的排列和面板尺寸有关。若每个面板的尺寸为110×110×450mm3,需要最大电流110A、46V的电能以维持2.5kW的输出功率。也可以将多个面板串联起来,所需电压随着激光二极管数目的增加而倍增。为获得最好的性能,每个激光二极管面板需要最低为6L/Min的水流量。这种设计并不限于光能定向传输的应用,由于在光束扩束器内光斑尺寸小到0.25×0.25mm2,这能将光束耦合到400µm的光纤里(数值孔径为0.2),因此能在各种工业和科学领域找到应用空间。

 

    参考文献:


1. B.C. Edwards and E.A. Westling, The Space Elevator: A Revolutionary Earth-to-Space Transportation System, publisher BC Edwards (2003).

 

德国DILAS半导体激光公司简介:

 

    德国DILAS半导体激光公司是全球最领先的高功率半导体激光器研发、设计和制造商,一直致力于为工业制造、国防、印刷、医疗以及科研市场提供最先进的产品和技术。DILAS于1994年成立于德国美因兹,是全球唯一在德国、美国和中国(南京)建有生产基地的高功率半导体公司。DILAS的一贯宗旨是最新、最好、最多,真诚为全球客户提供高功率、高性能、高亮度半导体激光器件以及光纤耦合半导体激光产品。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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