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反馈谐振式激光能量传输理论及实验研究

作　者: 黄虎
导　师: 尤政
学　校: 清华大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 无线能量传输激光能量传输反馈谐振式效率
分类号: V442
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着现代卫星技术的发展以及航天应用需求的增长，分离模块卫星系统（System F6）引起了越来越多研究者的兴趣。无线能量传输技术是分离模块卫星系统中的一项关键技术，其中激光能量传输具有传输距离远、设备体积重量小、能量密度高等特点，是一种重要的空间无线能量传输方式。激光能量传输在分离模块卫星系统中采用“申请-应答”工作模式，由能源控制中心控制能量的分配与传输。在传统的激光能量传输中，通过刻蚀处理降低接收端光电池表面反射率是提高能量传输效率的重要手段之一，然而刻蚀处理不仅增大了光电池的成本，而且增加了装调和使用难度，太空中使用还容易升温。因此本文提出了一种反馈谐振式激光能量传输方法，将发射端和接收端组成一个激光谐振腔，接收端光电池表面反射的激光仍处于谐振腔内，来回振荡，在反馈回激光器后激发出更多光子，增大受激辐射比率，提高激光器的电-光转换效率，降低激光器的发热量。反馈谐振式激光能量传输要求接收端表面光滑，无需对光电池进行刻蚀处理，既可降低光电池的成本又可提高能量传输效率。本文建立了反馈谐振式能量传输的理论模型，对反馈谐振式激光能量传输的效率进行了仿真。通过仿真发现，反馈谐振式能量传输将激光器的阈值电流降低了25%，当激光器驱动电流为30mA，接收模块反射率为10%时，传输的光功率提升了48%。在实验室内使用半导体激光器和表面反射率为6%@940nm的硅光电池进行了激光能量传输实验，实验结果表明，反馈谐振式激光能量传输将能量传输总效率从4.7%提升到了6%。反馈谐振式能量传输的关键在于将能量限制于谐振腔内，使接收端反射的激光尽量多的反馈回发射端。本文使用ZEMAX软件仿真了在远距离以及失调情况下球面部分反射镜和镀有部分反射膜的角锥棱镜的能量反馈率，仿真结果表明球面部分反射镜的能量反馈率大，然而抗失调性能差，适用于具有高精度姿控能力的模块间能量传输。镀有部分反射膜的角锥棱镜的能量反馈率低，但抗失调性能强，适用于姿控能量弱的模块间能量传输。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章. 绪论  9-26
  1.1 课题研究背景  9-10
  1.2 无线能量传输技术研究概况  10-23
    1.2.1 电磁感应方式  10-12
    1.2.2 磁共振耦合方式  12-15
    1.2.3 微波方式  15-18
    1.2.4 激光方式  18-23
  1.3 小结  23
  1.4 论文的研究思路  23-24
  1.5 论文内容安排  24-26
第2章. 激光能量传输技术在 F6 系统中的应用设计与分析  26-37
  2.1 引言  26
  2.2 激光能量传输在 F6 系统中的应用设计  26-29
    2.2.1 能源的分配  26-28
    2.2.2 能源传输模式  28-29
  2.3 激光的产生和发射  29-31
  2.4 激光的接收与转换  31-32
  2.5 传统激光能量传输的模式及特点  32-34
  2.6 反馈谐振式激光能量传输的原理及特点  34-35
  2.7 本章小结  35-37
第3章. 反馈谐振式激光能量传输效率建模分析  37-54
  3.1 引言  37-38
  3.2 系统等效模型  38-43
  3.3 传输光功率模型  43-46
  3.4 光功率仿真  46-48
  3.5 能量传输效率  48-52
    3.5.1 能量传输效率理论模型  48-49
    3.5.2 光电池参数  49-50
    3.5.3 能量传输效率仿真  50-52
  3.6 本章小结  52-54
第4章. 反馈谐振式能量传输效率影响因素分析  54-66
  4.1 引言  54
  4.2 接收端反射率对于反馈谐振式能量传输的影响  54-57
    4.2.1 阈值电流  54-55
    4.2.2 斜率效率  55-56
    4.2.3 传输光功率  56-57
  4.3 光学天线反射率对于传输光功率的影响  57-63
  4.4 反馈系数对于传输光功率的影响  63-64
  4.5 能量传输距离对于谐振的影响  64-65
  4.6 本章小结  65-66
第5章. 反馈谐振式激光能量传输实验  66-90
  5.1 引言  66
  5.2 反馈谐振方式传输光功率测量  66-71
    5.2.1 测量原理  66-67
    5.2.2 测量设备  67-68
    5.2.3 传输的光功率测量  68-69
    5.2.4 接收端反射率对于传输光功率的影响  69-70
    5.2.5 反馈光斑尺寸的影响  70-71
  5.3 反馈谐振式能量传输功率  71-88
    5.3.1 测量原理  71-72
    5.3.2 传输电功率测量  72-85
    5.3.3 远近距离传输能量比较  85-87
    5.3.4 定负载传输功率  87-88
  5.4 能量传输效率  88-89
  5.5 本章小结  89-90
第6章. 空间应用远距离能量反馈率研究  90-105
  6.1 引言  90
  6.2 仿真模型  90-91
  6.3 能量谐振损耗  91-93
  6.4 能量反馈率  93-97
    6.4.1 球面部分反射镜能量反馈率  93-95
    6.4.2 角锥棱镜能量反馈率  95-97
  6.5 抗失调性能  97-104
    6.5.1 角度失调  97-101
    6.5.2 距离失调  101-104
  6.6 本章小结  104-105
第7章. 总结展望  105-108
  7.1 论文工作主要内容  105-106
  7.2 主要创新点  106
  7.3 进一步工作和进展  106-108
参考文献  108-115
致谢  115-117
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  117-118

反馈谐振式激光能量传输理论及实验研究

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