一种空间太阳能电站无线能量传输的激光产生与发射装置

摘要

本发明公开了一种空间太阳能电站无线能量传输的激光产生与发射装置，旨在解决空间太阳能能量传输问题。本发明由电源模块、主振荡器模块、分束模块、相位控制模块、光束隔离模块、光纤激光增益模块、半导体泵浦模块、相位检测与控制电路模块、准直器阵列模块、光束采样模块和光束探测模块组成，其中主振荡器模块、分束模块、相位控制模块、光束隔离模块和光纤激光增益模块顺序相连；电源模块将输入的一次电源转换，为各子模块提供配电；准直器阵列模块、光束采样模块和光束探测模块顺序相连。本发明适用于空间太阳能电站激光无线能量传输，特别是易于实现激光的远距离传输与接收。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光产生与发射装置，特别涉及空间太阳能电站无线能量传输领域的激光产生与发射装置。 

背景技术

以煤、石油、天然气等为主的传统能源将在未来几十年到百余年间发展到无力支持世界发展的程度，且对全球气候变化产生负面影响。太阳能是一种可再生能源，具有清洁、丰富等显著优势。空间太阳能电站，由于太阳光线不会被大气减弱，也不用受天气、季节、昼夜变化的影响，可以接收高辐射强度的太阳光，其能接收的太阳辐射是地面的5倍。利用空间太阳能电站以无限电力传输方式向地面供电，替代现在的以燃油、燃煤和燃气为主的发电和有线电力传输方式，能解决能源危机和气候变暖问题。因此，空间太阳能电站的建设对未来能源供给具有重要意义。 

空间太阳能电站利用大型太阳能卫星吸收太阳能并转化为电能，然后以激光或微波为介质把能源传送回到地面的大型天线站，并最终转为基本电力。其中，激光传输与微波传输相比具有如下优势：①光束发散角小、方向性好，传输密度是微波系统的100倍；②激光传输不存在大气电离层的干扰，因此无强度的限制；③不存在干扰通讯卫星的风险；④既可以转换成电能，也可以通过硫化物光催化半导体材料间接实现电解水制氢。因此激光无线能量传输是一种极为重要的空间太阳能电站能量传输方式，受到各界特别是军方的极大关注。美国和日本都考虑开展基于激光的空间太阳能电站（L-SSPS）研究。其中，日本宇宙航空研究开发机构开展的基于激光的空间太阳能电站方案如下：在地球静止轨道上建一个G瓦级的商业L-SSPS，L-SSPS主要通过聚光器或透镜将太阳光集中后发送到直接泵浦固态激光器，即将太阳光直接转变为激光，激光束 被发送到地面的光电转换器或者氢发生装置。日本宇宙航空研究开发机构方案存在两个问题，一是采用太阳泵浦固体激光器的方式太阳光-激光转换效率很低；二是由于太阳能卫星平台轨道很高且地面激光接收面积有限，因此仍然需要庞大的光学系统对激光光束发散角进行压缩，这给激光发射系统光学口径的制造和安装带来了极大困难。 

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种空间太阳能电站无线能量传输的激光产生与发射装置，该系统无需大口径光学装置。 

本发明的技术方案是：一种空间太阳能电站无线能量传输的激光产生与发射装置，包括激光产生装置和激光发射装置；激光产生装置包括主振荡器模块、分束模块、相位控制模块、光束隔离模块、光纤激光增益模块、半导体泵浦模块、相位检测与控制电路模块；主振荡器模块、分束模块、相位控制模块、光束隔离模块和光纤激光增益模块依次顺序相连；激光发射装置包括准直器阵列模块、光束采样模块和光束探测模块；准直器阵列模块、光束采样模块和光束探测模块顺序连接；主振荡器模块产生种子激光源并送至分束模块；分束模块将种子激光源分成多路光束并送至相位控制模块；相位控制模块根据相位检测与控制电路模块输入的指令对每路光束进行相位调整，使每路光具有相同相位；调整后的光束作为信号光经光束隔离模块后送至光纤激光增益模块；半导体泵浦模块泵浦光纤激光增益模块对信号光进行放大；放大后的信号光经准直器阵列模块准直后送至光束采样模块；光束采样模块将准直后的光束作为本发明装置的输出端出射，同时将一部分准直后的光束送至光束探测模块；光束探测模块将探测到的光信号转换成电信号后送至相位检测与控制电路模块；相位检测与控制电路模块对输入的电信号进行解算，得到每路光的相位调节量，并控制相位控制模块对每路光束进行相位调整。 

所述的主振荡器模块为低能量单模或准单模激光器。 

所述的分束模块包括多个光纤分束器。 

所述的相位控制模块包括多个相位控制器。 

所述的光束隔离模块包括多个光纤隔离器。 

所述的光纤激光增益模块包括多根掺杂光纤。 

所述的半导体泵浦模块包括多个半导体激光器，该模块的输出端连接光纤激光增益模块的泵浦输入接口。 

所述的相位检测与控制电路模块包括相位检测模块和控制电路，相位检测模块对输入的电信号进行解算，得到每路光的相位偏差，进一步得到每路光的相位调节量；控制电路根据得到每路光的相位调节量，向相位控制模块发送控制指令，控制相位控制模块对每路光束进行相位调整。 

所述的准直器阵列模块包括多个光纤准直器或微透镜阵列。 

所述的光束采样模块包括半透半反镜和傅里叶透镜；准直后的光束经过半透半反镜后，透射部分的光作为本发明装置的输出端出射，反射部分经傅里叶透镜聚焦后送至光束探测模块。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

1.采用空间太阳能电站提供的电能泵浦半导体激光器，再用半导体激光泵浦光纤激光器，进而将太阳能转化为激光能量用于空间太阳能电站无线能量传输载体，提高了太阳能利用率。 

2.本装置采用全光纤链路用于激光产生、传输、发送，提高了太阳光-激光转换效率，热管理简单，结构紧凑。 

3.依据激光相干合成理论将光纤激光进行相干组束，因此合成光束的主峰更窄、能量集中度更高，更易于实现激光的远距离传输与接收，此外还可以减小激光发射装置光学系统的尺寸，有效降低光学口径的制造和安装难度。 

附图说明

图1为本发明装置结构示意图； 

图2是激光发射装置光束采样模块剖面图； 

图3是准直器阵列模块阵元排列示意图。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述： 

图1中，一种用于空间太阳能电站无线能量传输的激光产生与发射装置由两部分组成：激光产生装置和激光发射装置。 

激光产生装置包括：电源模块3、主振荡器模块4、分束模块5、相位控制模块6、光束隔离模块7、光纤激光增益模块8、半导体泵浦模块9、相位检测与控制电路模块10。激光发射模块包括：准直器阵列模块11、光束采样模块12和光束探测模块13。 

电源模块3具有电源转换功能，即将输入的一次电源转换，为半导体泵浦模块9、主振荡器模块4、相位检测与控制电路模块10、相位控制模块6、光束探测模块13提供配电。 

所述的主振荡器模块4为低能量单模或准单模激光器。 

所述的分束模块5包括多个光纤分束器。 

所述的相位控制模块6包括多个相位控制器，相位控制模块具有指令信号输入接口20、激光信号输入接口14和激光输出接口15，相位控制模块的激光信号输入接口14端连接分束模块5，激光输出接口15连接光束隔离模块7，相位控制模块6的指令信号输入接口20连接相位检测与控制电路模块10。 

所述的光束隔离模块7包括多个光纤隔离器，光束隔离模块7的输入端与相位控制模块6相连接，光束隔离模块7的输出端连接光纤激光增益模块8。 

所述的光纤激光增益模块8包括多根掺杂光纤，该模块具有信号输入接口16、泵浦输入接口18和输出接口17，光纤激光增益模块8的信号输入接口16与光束隔离模块7相连接，泵浦输入接口18连接半导体泵浦模块9，输出接口17连接准直器阵列模块11的输入端。 

所述的半导体泵浦模块9包括多个半导体激光器，该模块的输出端连接光纤激光增益模块8的泵浦输入接口18。 

所述的相位检测与控制电路模块10包括相位检测模块和控制电路，相位检 测模块对输入的电信号进行解算，得到每路光的相位偏差，进一步得到每路光的相位调节量；控制电路根据得到每路光的相位调节量，向相位控制模块6发送控制指令，控制相位控制模块6对每路光束进行相位调整。该模块具有采样信号输入接口21与指令信号输出接口19，采样信号输入接口21连接光束探测模块13，相位检测与控制电路模块10的指令信号输出接口19连接相位控制模块6的指令信号输入接口20。 

所述的准直器阵列模块11包括多个光纤准直器或微透镜阵列，该模块的输入端连接光纤增益模块8的输出接口17。 

所述的光束采样模块12包括半透半反镜和傅里叶透镜；半透半反镜的入射面上镀膜；准直后的光束经过半透半反镜后，透射部分的光作为本发明装置的输出端出射，反射部分经傅里叶透镜聚焦后送至光束探测模块13。 

所述的光束探测模块13包括探测器。输入端与光束采样模块12连接，将采样得到的激光信号进行探测，并将光信号转化为电信号，光束探测模块13的输出端连接相位检测与控制电路模块10的采样信号输入接口21。 

通过光纤，分别将主振荡器模块4和分束模块5连接、分束模块5和相位控制模块6的激光信号输入接口14相连、相位控制模块6的激光输出接口15和光束隔离模块7相连、光束隔离模块7与光纤激光增益模块8的信号输入接口16相连、光纤激光增益模块8的输出接口17与准直器阵列模块11连接、半导体泵浦模块9与光纤激光增益模块8的泵浦输入接口18连接。相位检测与控制电路模块10的指令信号输出接口19通过电缆与相位控制模块6的指令信号输入接口20连接。准直器阵列模块11以自由空间为介质将激光传输到光束采样模块12。光束采样模块12以自由空间为介质将激光传输到光束探测模块13。光束探测模块13通过导线与相位检测与控制电路模块10的采样信号输入接口21连接。主振荡器模块4产生种子激光源并送至分束模块5；分束模块5将种子激光源分成多路光束并送至相位控制模块6；相位控制模块6根据相位检测与控制电路模块10输入的指令对每路光束进行相位调整，使每路光具有相同 相位；调整后的光束作为信号光经光束隔离模块7后送至光纤激光增益模块8；半导体泵浦模块9泵浦光纤激光增益模块8对信号光进行放大；放大后的信号光经准直器阵列模块11准直后送至光束采样模块12；光束采样模块12将准直后的光束作为本发明装置的输出端出射，同时将一部分准直后的光束送至光束探测模块13；光束探测模块13将探测到的光信号转换成电信号后送至相位检测与控制电路模块10；相位检测与控制电路模块10对输入的电信号进行解算，得到每路光的相位调节量，并控制相位控制模块6对每路光束进行相位调整。 

图2中，光束采样模块由半透半反镜22和傅里叶透镜23组成，半透半反镜z轴与准直器阵列模块输出的光束成45°角，半透半反镜z轴与傅里叶透镜光轴成-45°角。光束探测模块的探测器置于傅里叶透镜的焦距处。 

图3中，准直器阵列模块的准直器阵列可以排列成四边形准直器阵列24、五边形准直器阵列25或六边形准直器阵列26。 

本发明装置的工作流程是：开启电源，主振荡器模块4发射出单频低能种子激光，种子光经分束模块5分为N×N路。这N×N路分别经相位控制模块6和光束隔离模块7传输到光纤激光增益模块8，光纤激光增益模块8将注入的信号光能量放大后传输到准直器阵列模块11，N×N个准直器规则排列成二维结构，输出具有二维尺度的光纤激光束。光束采样模块12将准直器阵列模块输出的部分激光信号进行采样，光束探测模块13将采样得到的激光信号进行探测，并将光信号转化为电信号传输给相位检测与控制电路模块10。相位检测与控制电路模块10对输入的电信号进行解算，得到每路光的相位调节量，并控制相位控制模块6对每路光束进行相位调整，进而保证每路光具有相同相位。 

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。