Forskare skapade ett nytt system som använder infrarött ljus för att säkert överföra höga nivåer av kraft över avstånd på upp till 30 meter. Denna typ av optiskt trådlöst kraftöverföringssystem med lång räckvidd skulle kunna möjliggöra kraftöverföring i realtid till fasta och mobila mottagare. Kredit:Jinyong Ha, Sejong University
Föreställ dig att gå in på en flygplats eller mataffär och din smartphone börjar laddas automatiskt. Detta kan bli verklighet en dag, tack vare ett nytt trådlöst laserladdningssystem som övervinner några av de utmaningar som har hindrat tidigare försök att utveckla säkra och bekväma laddningssystem när du är på väg.
"Möjligheten att driva enheter trådlöst kan eliminera behovet av att bära runt strömkablar för våra telefoner eller surfplattor", säger forskargruppsledaren Jinyong Ha från Sejong University i Sydkorea. "Den kan också driva olika sensorer som de i Internet of Things (IoT)-enheter och sensorer som används för att övervaka processer i tillverkningsanläggningar."
I Optics Express , beskriver forskarna sitt nya system, som använder infrarött ljus för att säkert överföra höga nivåer av kraft. Laboratorietester visade att den kunde överföra 400 mW ljuseffekt över avstånd på upp till 30 meter. Denna effekt är tillräcklig för att ladda sensorer, och med vidareutveckling kan den ökas till nivåer som krävs för att ladda mobila enheter.
Flera tekniker har studerats för trådlös kraftöverföring på lång räckvidd. Det har dock varit svårt att säkert skicka tillräckligt med kraft över avstånd på meternivå. För att övervinna denna utmaning optimerade forskarna en metod som kallas distribuerad laserladdning, som nyligen har fått mer uppmärksamhet för denna applikation eftersom den ger säker högeffektsbelysning med mindre ljusförlust.
"Medan de flesta andra tillvägagångssätt kräver att den mottagande enheten är i en speciell laddningsvagga eller att den är stationär, möjliggör distribuerad laserladdning självinställning utan spårningsprocesser så länge som sändaren och mottagaren är inom synhåll från varandra," sa Ha. "Den växlar också automatiskt till ett säkert lågenergiläge om ett föremål eller en person blockerar siktlinjen."
Att gå långt
Distribuerad laserladdning fungerar ungefär som en traditionell laser men istället för att de optiska komponenterna i laserkaviteten integreras i en enhet, delas de upp i en sändare och mottagare. När sändaren och mottagaren är inom en siktlinje bildas en laserkavitet mellan dem över luften – eller fritt utrymme – vilket gör att systemet kan leverera ljusbaserad kraft. Om ett hinder skär av sändaren-mottagarens sikt, växlar systemet automatiskt till ett strömsäkert läge, vilket ger en riskfri strömförsörjning i luften.
I det nya systemet använde forskarna en erbiumdopad fiberförstärkare optisk kraftkälla med en central våglängd på 1550 nm. Detta våglängdsområde är i den säkraste delen av spektrumet och utgör ingen fara för mänskliga ögon eller hud vid den kraft som används. En annan nyckelkomponent var ett våglängdsdelningsmultiplexfilter som skapade en smalbandsstråle med optisk effekt inom säkerhetsgränserna för utbredning av fritt utrymme.
"I mottagarenheten inkorporerade vi en sfärisk kullinsretroreflektor för att underlätta 360-graders sändar-mottagare-inriktning, vilket maximerade kraftöverföringseffektiviteten", sa Ha. "Vi observerade experimentellt att systemets totala prestanda berodde på brytningsindexet för kullinsen, med ett brytningsindex på 2,003 som det mest effektiva."
Laboratorietester
För att demonstrera systemet satte forskarna upp ett 30 meters avstånd mellan en sändare och en mottagare. Sändaren var gjord av den erbiumdopade fiberförstärkarens optiska källa, och mottagarenheten inkluderade en retroreflektor, en solcellscell som omvandlar den optiska signalen till elektrisk kraft och en lysdiod som lyser när ström levereras. Denna mottagare, som är cirka 10 gånger 10 millimeter, kan enkelt integreras i enheter och sensorer.
De experimentella resultaten visade att ett enkanaligt trådlöst optiskt kraftöverföringssystem kunde ge en optisk effekt på 400 mW med en kanallinjebredd på 1 nm över ett avstånd av 30 meter. Solcellerna omvandlade detta till en elektrisk effekt på 85 mW. Forskarna visade också att systemet automatiskt växlade till ett säkert kraftöverföringsläge när siktlinjen avbröts av en mänsklig hand. I det här läget producerade sändaren ett otroligt lågintensitetsljus som inte utgjorde någon risk för människor.
"Att använda laserladdningssystemet för att ersätta nätsladdar i fabriker kan spara på underhålls- och utbyteskostnader", sa Ha. "Detta kan vara särskilt användbart i tuffa miljöer där elektriska anslutningar kan orsaka störningar eller utgöra en brandrisk."
Nu när de har demonstrerat systemet arbetar forskarna med att göra det mer praktiskt. Till exempel kan solcellscellens effektivitet ökas för att bättre omvandla ljus till elektrisk kraft. De planerar också att utveckla ett sätt att använda systemet för att ladda flera mottagare samtidigt. + Utforska vidare
