摘要：NTT Inc. 和三菱重工株式会社 （MHI） 进行了一项光无线电力传输实验，使用激光束在1公里的距离内无线传输能量。通过照射光功率为1kW的激光束，该团队成功接收了152W的电力。这标志着在大气湍流强的环境中使用硅光电转换元件进行光无线电力传输的效率达到了

NTT Inc. 和三菱重工株式会社 （MHI） 进行了一项光无线电力传输实验，使用激光束在1公里的距离内无线传输能量。通过照射光功率为1kW的激光束，该团队成功接收了152W的电力。这标志着在大气湍流强的环境中使用硅光电转换元件进行光无线电力传输的效率达到了世界最高水平（图1）。

1、一种光无线电力传输系统示意图。三菱重工提供

结果证明了向遥远地点供电的可行性。未来，有望应用于无法安装电力电缆的偏远岛屿和灾区的按需输电。这一成果于2025年8月5日发表在英国杂志《电子快报》上。

近年来，智能手机、可穿戴设备、无人机和电动汽车等无需电缆即可供电的无线电力传输技术越来越受到关注。无线电力传输系统有两种类型：一种使用微波，另一种使用激光束。微波无线电力传输已经投入实际应用，并且其用途正在扩大。另一方面，利用激光束的光无线电力传输尚未投入实际应用，但利用激光束技术的高方向性，有望实现千米级的紧凑型长距离无线电力传输。

未来的展望设想了下一代基础设施的发展，能够在电力或通信网络不可用的情况下和地区（例如在灾害期间、偏远岛屿、山区或海上）供电并扩大通信覆盖范围。这包括精确地向特定区域或移动平台（例如无人机）提供电力。要实现如此高精度和长距离的电力传输，需要利用其强大的方向性进行基于激光的无线电力传输。

光无线电力传输技术的效率普遍较低，效率的提高是实际应用的一个问题。造成这种情况的原因之一是，当长距离激光束传播时，特别是在大气中，强度分布变得不均匀，光电转换元件中将激光束转化为电能的效率变得低。

在这项实验中，研究人员将NTT的光束整形技术与三菱重工的受光技术相结合，以提高激光无线功率传输的效率。该团队在室外环境中进行了长距离光无线电力传输实验，采用长距离平坦波束整形技术，在传输侧对波束进行整形，以实现均匀的波束强度，并在接收侧使用均质器和调平电路抑制大气波动影响的输出电流调平技术。

2025年1月至2月，三菱重工在和歌山县西室郡白滨町的南纪白滨机场的跑道上进行了光无线电力传输实验（图2）。在跑道的一端安装了一个配备发射激光束的光学系统的发射室，并在一公里外放置了一个装有受光板的接收室。

2. 在南纪白滨机场的跑道上进行了光无线电力传输实验。三菱重工提供

在传输过程中，激光的光轴被设置在离地面约一米的低高度并水平对齐。因此，该束受到地面加热和风的强烈影响，在大气湍流较强的条件下进行实验。

在传输室内，产生了光功率为 1,035 W 的激光束。使用衍射光学元件 （DOE） 对光束进行成型，使其在一公里的距离处形成均匀的强度分布。此外，还使用了光束转向镜将异形光束精确地引导至接收面板。光束通过传输室的孔隙流出，传播到一公里的空地，最终到达接收室。

在传播过程中，大气湍流导致光束强度波动，产生热点。这些通过接收室中的均质器扩散，从而将均匀的光束照射到接收面板上。然后将激光束有效地转换为电能（图 3）。接收面板采用硅基光电转换元件，同时考虑了成本和可用性。

3、实验系统示意图。三菱重工提供

在本实验中，从接收面板提取的平均电功率为152 W（图4），对应于15%的无线功率传输效率，定义为接收电功率与发射光功率的比率。这一结果标志着在强大气湍流条件下使用硅基光电转换元件所证明的世界上最高的光无线电力传输效率。此外，成功地将连续电力传输维持了 30 分钟，证实了使用该技术进行长时间电力传输的可行性。

4. 来自受光面板的电源。三菱重工提供

从安全角度出发，光传输系统和接收面板均安装在展位内，以防止意外暴露于高功率激光束和反射光的散射。

远距离平梁整形技术。为了提高光电转换效率，需要使入射到光电转换元件上的光束的强度分布均匀。在这项研究中，三菱重工提出了一种光束整形方法，该方法可以在长距离传播后实现强度均匀性。在这种方法中，利用轴锥透镜的效果将光束的外部转换为环形图案。光束的中心部分通过凹透镜的作用进行相位调制以扩展。随着光束的传播，环形光束和扩展的中心光束逐渐重叠，导致目标位置的强度分布均匀，如图5所示。

5. 光束整形图像。三菱重工提供

在实验中，三菱重工优化了光束设计，以在一公里的距离内实现所需的强度分布。使用衍射光学元件实现光束整形，提高了一公里外目标位置的光束强度的均匀性。

输出电流均衡技术。当激光束在大气中传播时，它会受到大气湍流的影响，从而扰乱强度分布。虽然上述平梁整形技术可以使强度分布更加均匀，但强烈的湍流仍然会导致高强度斑点的形成，如图6所示。

6. 均质机大气传播和扩散效应后的光束模式图像。三菱重工提供

为了解决这个问题，三菱重工在受光板前面放置了一台光束均质器。均质器扩散高强度光斑，使光束均匀地照射到面板上。此外，调平电路连接到接收面板上的每个光电转换元件。这些电路有助于抑制大气湍流引起的输出电流波动，并有助于更稳定的整体功率输出。

这两种技术使得在公里级传输中实现传统波束整形方法难以实现的波束均匀性成为可能，并在室外环境中稳定输出。因此，预计为孤岛和受灾地区等偏远地区提供稳定的电力供应将成为可能。

NTT 专注于光束整形技术等透射光学器件的设计和实现。同时，三菱重工管理了光电探测器光学器件的设计和实施，例如光电探测器面板、均质器和调平电路。

这项技术即使在大气湍流下也能实现高效、稳定的长距离能量传输。在本实验中，硅被用作光伏转换元件。然而，通过采用专门设计的与激光波长相匹配的光伏器件，可以预期更高的功率传输效率。此外，使用具有更高输出功率的激光光源将可以提供更多的电力。

因此，在受灾地区和偏远岛屿等偏远地区，传统上电力电缆的安装很困难，可以实现灵活、快速的电力输送。除了地面应用之外，还可以基于该技术设想广泛的新用例（图 7）。值得注意的是，激光束的高方向性和低发散度允许设计紧凑、轻便的接收设备。对于面临重量和有效载荷能力严格限制的移动平台来说，这是一个主要优势。

7. 技术用例。三菱重工提供

例如，通过将这项技术与波束转向技术相结合，可以无线方式向飞行中的无人机提供电力。这避免了作限制，例如着陆更换电池或使用系留电源电缆，从而实现长时间和长距离的连续运行。这些能力可以增强灾区监测以及山区或海洋地区的广域通信中继，这些应用以前难以实现。

此外，预计还有望在太空中应用，包括向 HAPS（高空平台站）等移动平台供电，这属于 NTT 的太空品牌 NTT C89 的范围。展望未来，该技术可应用于为太空数据中心和月球车供电，以及通过激光将电力从地球静止卫星传输到地面的太空太阳能系统。这些应用代表了具有强大市场扩张潜力的领域。

通过NTT和三菱重工的合作，两家公司在受大气波动影响的条件下实现了世界上最高效的激光无线充电技术。这一成就代表着朝着建立能够满足从灾害响应到太空开发等广泛社会需求的创新技术基础迈出了重要一步。

来源：陈讲运清洁能源