Response characteristics of intrinsic back-illuminated lateral silicon carbide photoconductive switches
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摘要: 平面碳化硅光导开关因可采用本征光触发而具有实现高光电增益的特点，但正面与背面光入射两种触发方式在响应特性上存在显著差异。基于TCAD数值仿真软件，对本征光背入射的平面碳化硅（SiC）光导开关的光电流响应进行研究，对比本征光触发下不同衬底厚度、不同光功率下器件正面与背面入光输出光电流，并对器件内部电流与电场分布状态进行对比分析，最终对厚度为50 μm的平面SiC光导开关进行了正面、背面触发实验测试。实验结果表明，40 kW峰值光功率下，与正面触发相比，背面触发器件的导通电阻减少了40%，验证了背面入光器件光电转换效率高的特点，且背面触发器件内部电场、电流更加均匀，更有利于提高器件高功率容量。结果为平面光导开关本征触发提供仿真与实验参考。Abstract: With the continuous development of photoconductive microwave technology towards high-frequency, high-power, long-life, and high-efficiency directions, lateral photoconductive devices have the potential to achieve high photoelectric gain and high main frequency response due to the use of intrinsic light triggering and low parasitic capacitance. This study investigates the photocurrent response of intrinsic light back-illuminated lateral silicon carbide(SiC) photoconductive switches. Based on semiconductor numerical simulation, the output photocurrent of the device under intrinsic light triggering with different substrate thicknesses and different light powers was compared for front and back illumination. The internal current and electric field distribution of the device were analyzed and compared. Finally, experimental tests were conducted on the front and back triggering of a 50-micrometer-thick lateral SiC photoconductive switch. The experimental results show that under a 40 kW peak light power, the on-resistance of the back-triggered device is reduced by 40% compared to the front-triggered device, confirming the high photoelectric conversion efficiency of the back-illuminated device, and the internal electric field and current of the back-triggered device are more uniform, which is more conducive to improving the device's high-power capacity. The results provide simulation and experimental references for the intrinsic triggering of planar photoconductive switches.
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无线能量传输（Wireless Power Transmission，WPT）技术是一种在不依赖导线连接的情况下实现能量从一个源设备传输到目标设备的技术。目前，WPT被国际认为是能源传输领域极具创新性和革命性的技术之一，有望颠覆传统的能量有线传输模式[1-2]。激光无线能量传输（Laser Wireless Power Transmission，LWPT）作为无线能量传输的主要手段之一，具有高功率、远距离、非接触、能信同传、灵活布局等特点[3]，可应用于救灾现场、局部战场等特殊地域移动装备的应急供能，以及消费电子产品、无人机、飞行器及空间探测等领域的无线能量补给[4]。
近年来，LWPT技术的发展势头比较迅猛，世界各主要科技强国都在积极开展技术探索和推进应用研究。美国和欧盟已将LWPT技术列为国家重大研究项目进行专项攻关。美国国防高级研究计划局（DARPA）于2022年10月开启了一项持续光学无线能量中继（Persistent Optical Wireless Energy Relay，POWER）项目[5]，计划建立远程战略中继网络，以实现超远距离高性能的LWPT。2023年，美国海军研究实验室（NRL）的空间无线能源链路（SWELL）于6月29日成功在轨道上运行激光操作超过100天，是激光动力在太空发射的成功范例。2024年，欧盟开展的“WipTherm”项目主要致力于为太空探索开发微型卫星动力系统[6]，提出了基于LWPT的创新解决方案，其合作伙伴葡萄牙INESC TEC研究所正在研究为卫星供电的1 550 nm高功率光纤激光器。随着激光技术以及激光电池技术的快速进步，LWPT系统取得了显著的进展。
本文将从模块构成、研究现状以及技术挑战三个方向概述LWPT技术。通过研究，我们旨在更全面地了解LWPT技术的优势和挑战，并识别其潜在的应用和发展方向，从而促进LWPT技术的进步和创新。
1. LWPT系统简述
所有的LWPT系统都有类似的子系统：激光发射系统、激光接收系统。如图1所示，激光发射系统包括激光电源、激光器、激光发射装置和激光驱动器等。激光驱动器和电源为激光器提供稳定电能，并控制功率与频率。激光器将电能转化为激光，经过发射装置整形和准直后，实现精确发射。激光接收系统通过激光电池将激光转换为电能，并通过能量管理装置高效存储和使用，实现激光能量的高效利用。
提高系统的总传输效率一直都是激光无线能量传输技术的重要发展方向，LWPT系统的总效率[7]
(1) 式中：η为系统的传输总效率，ηe为激光器电光转换效率及其发射效率的乘积，ηt为激光在大气中的传输效率，ηr为接收装置的光电转换效率。在实际情况下，LWPT系统无法无损失地将能量传输至特定点，受限于激光器的能量转换效率和激光电池的接收转换效率。因此，高性能的激光器以及激光电池有助于整个系统的效率提升。用于LWPT系统的激光器和激光电池一般要符合两个基本约束。
（1）较高大气传输率以及其合适的功率密度。由于大气中存在各种成分，激光在大气中传输时会遭受大气折射、湍流等因素影响，损失部分能量。因此，LWPT系统中的激光器需要考虑在合适的光谱波长范围内工作，选择大气窗口实现激光传输，提高整个LWPT系统的效率。图2（a）表示在0～15 μm波段的大气透射光谱，可以看出，除了可见光到近红外波段外，激光在3～4 μm和8～13 μm波段内也具有较高的大气传输效率，但是3～4 μm的中红外激光器由于量子效率低导致散热困难，输出功率和效率均不高，8～13 μm的激光器（如CO2激光器）虽然可实现高功率输出，但其体积大、重量重，电光转换效率相比半导体激光和光纤激光还是比较低。因此，目前的LWPT系统一般选择450～
1500 nm波段的激光光束。此外，需要考虑激光器的光束质量，确保能量在通过设定距离后能高集中性到达电池接收装置，常常使用激光传输到接收器所需要的功率密度Φ[8]进行表述，具体为
(2) 式中：Rsource是激光源的辐射量（每单位面积每单位立体角的功率）；Asource是光束源的总面积；L为传输距离。由式（2）可知，激光器的光学参数、激光传输距离和激光功率密度之间有着紧密联系，因此在LWPT系统中应选择符合需求的高亮度、高功率、高效率激光器。
（2）激光电池材料光谱特性。由于光子能量与其频率成正比，特定材料的光伏电池只对与材料带隙能量相对应的特定频率的光有响应[9]。如GaAs是带隙能量为1.42 eV的直接带隙半导体材料，低于1.42 eV的光子能量不足以使电池发电，而能量高于1.42 eV的光子能量，会导致多余的光子能量无法利用。同时，当激光照射到光伏电池表面，部分能量会被表面反射出去，减少了光伏电池的光子吸收。为了减少光学损失以提高电池效率，应选择与激光波长相匹配的低反射率光伏材料。典型光电池材料的光谱响应曲线如图2（b）所示，Si电池和GaAs电池对808 nm的入射激光有较高的光谱响应，具用较高的光电转换效率。因此，在LWPT系统中光伏电池的选择应与入射激光波段相对应。
1.1 激光发射子系统
1.1.1 激光器
激光器毫无疑问是激光发射子系统中最关键的一环。目前，固态激光器和光纤激光器应用范围最广。输出功率、光束质量、电光转换效率是衡量激光器性能优劣的重要参数。电光转换效率直接影响器件的输出功率，也间接影响LWPT系统的传输效率。如何进一步提升激光器的性能成为当前急需解决的问题。表1列出了LWPT中典型的激光器类型。
laser type wavelength power effciency beam quality laser diode ultraviolet-infrared band high high poor thin disk laser infrared band high lower excellent fiber laser infrared band high high excellent 光纤激光器以其卓越的高功率输出和光束质量，成为LWPT系统中应用最广的一种激光器，显著地展现了其在长距离传输中的优势。为了进一步提高激光器的效率，一般采取的措施是提升泵浦源效率，稳定的泵浦源决定了激光器的指标性能。薄片激光器也可实现高功率和高光束质量，由于热效应、自吸收及泵浦腔设计等原因导致其电光转换效率较低，极大限制了它在传能领域的应用。高功率半导体激光器，凭借其卓越的电光转换效率和体积小等禀赋特性，无论是在直接激光光源的应用中，还是作为固体激光器的泵浦源方面，均展现出了巨大的应用潜力。在近距离条件且追求高效率传能时，半导体激光器作为光源更有优势，在远距离条件且追求高功率传能时，选择光纤激光器作为光源则更有优势。
随着半导体激光芯片、合束技术的不断进步，高功率半导体激光器得到了快速发展。表2罗列了应用于LWPT领域的激光器发展状况，主要以波长760～1 060 nm的大功率激光器为主，同时展现了可应用于水下激光传能的蓝光大功率半导体激光器。
表 2 近红外激光器研究进展Table 2. Research progress of near-infrared lasersyear wavelength (laser type)/nm power/W efficiency/% References 2003 940(diode) 1500 50 [11] 2013 1070 (fiber)2000 30 [12] 2014 793/(diode) 24 42.3 [13] 2019 808/(diode) 400 49 [14] 2021 808/(diode) 1162 — [15] 2021 910/(diode) 150 — [16] 2023 1000 /(diode)400 51.3 [17] 2021 445/(diode) 1500 — [18] 2022 450/(diode) 1800 [19] 2024 450/(diode) 2000 — [20] 2003年，美国国家航空航天局首次进行了15 min无人机续航演示，使用了中心波长为940 nm、输出功率为1.5 kW、电光转换效率为50%的半导体激光器[11]。2013年，美国海军实验室进行了动态LWPT实验，使用了1 070 nm、输出功率为2 kW的光纤激光器，如图3（a）所示[12]。2019年，Matthias等实现了整体效率为11.1%的LWPT，采用波长808 nm的50 W半导体激光器作为激光发射源[21]。2023年，Yight等研究了脉冲激光器的电压、频率和占空比如何影响系统的性能，提出了脉冲激光器在LWPT中的应用设想[22]。2021年，重庆大学采用中心波长为910 nm、输出功率50～100 W的光纤耦合输出半导体激光器，实现了传输距离为100 m的LWPT系统[16]。2023年，苏州长光华芯公司采用空间合束方式，制作了波长为808 nm的1 kW半导体激光模块作为LWPT的发射光源，如图3（b）所示[15]。
由于水对蓝绿光波段（450～550 nm）的光衰减相对较低，因此，蓝绿光的LWPT技术更适合应用于水下激光传能（Underwater-LWPT，ULWPT）。据作者所知，ULWPT领域的激光器设计有诸多难点，例如需要较高的功率以克服水对激光的吸收和散射、激光器材料和外壳设计必须具备耐腐蚀性并且能够长期在海水中浸泡，激光器的光学元件需要特别设计，以适应水下工作的特殊需求等，应用于ULWPT的蓝绿光大功率激光器国内外少有报道。目前，报道较多的是应用于加工的大功率蓝光半导体激光器。2021年，美国NUBURU公司提出了基于体布拉格光栅（Volume Bragg Grating，VBG）锁波的密集波长合束方案，并开发了1 500 W、束参积17 mm·mard的高亮度激光系统[18]。2024年，北京凯普林公司通过光纤合束器合束将多个105 μm光纤子束耦合进入芯径600 μm、数值孔径（NA）0.22的光纤，实现2 kW的蓝色激光输出[20]。
1.1.2 激光发射器
激光发射器由光束调制设备和捕获、瞄准与跟踪（Acquisition Pointing and Tracking，APT）系统[23]组成。激光发射器通过光束准直和APT系统控制，确保光束的方向性、稳定性和精确对准，以高效、稳定的能量传输到目标设备。目前，光束调制设备主要以准直发射镜头为主。2014年，山东航天电子技术研究所完成的两飞艇间LWPT实验中采用了准直镜头作为光学调制设备[24]。2023年，烟台大学研制了一台808 nm半导体激光器的可调焦准直发射镜头[25]，用于LWPT技术研究，如图4（a）所示。该镜头通过调焦机构改变光源位置，能够在200～1 000 m距离处均可得到边界清晰且照度分布与光纤端面一致的传能光斑。
APT系统控制主要用于动态调整激光光束的方向，以确保光束能够始终准确地照射到接收端，这个过程中要求跟踪精度达到微弧度级。2017年，武汉大学进行了200 m范围内的无人机LWPT实验，系统整体转换效率约为12%，跟踪精度优于500 μrad[26]。2019年，山东航天电子技术研究所针对采用准直镜头的无人机LWPT系统开展了APT系统设计研究，APT系统工作流程如图4（b）所示[14]。
传统的LWPT多采用单孔径光束发射技术，要实现用于传能的高功率输出，都需要进行多束激光的功率合成。这对光束控制提出了新的要求，促进了光束控制技术的新发展，多孔径合成发射技术[27]和激光相控阵技术[28]是两类典型代表，如图5所示。
1.2 激光传输
由于激光具有能量密度高的特性，在传输过程中势必会对传输介质产生一定的影响，导致其自身能量特性改变。对于地基、舰载和空基等场景，大气透过率是至关重要的。大气传输损耗可以直接消弱到达目标的激光功率，同时吸收引起大气加热，产生热晕等非线性效应，造成光束发散和畸变，从而影响传能效率。人们提出了各种方法以保持激光在湍流情况下的稳定传输，如自适应光学技术、信号处理技术、无衍射光束技术。其中，自适应光学技术可以利用主动光学器件对畸变的光束进行修复，校正大气湍流效应所引起的影响，这是目前主要的抗大气衰减、抗湍流、抗热晕等效应的光束调控技术。
大气衰减包含了大气折射、大气吸收与散射，是造成激光能量衰减的主要原因。当光通过大气时，激光能量会随着传播距离的增加而减弱，传输路径会受到折射的影响产生弯曲。一般在描述大气折射率分布时，在距离地面高度1 km附近时采用线性描述[29]
(3) 式中：N0(λ)为地面处的标准大气状况下的折射率模数，λ为激光波长，单位为μm。
在10 km附近时采用指数分布[30]
(4) 式中：p为大气压强，T为大气温度。
大气分子对激光的吸收是由分子吸收光谱特性决定的，而散射则会使传输方向发生偏离。激光在大气中传输一定距离（L）后的功率，其光强度（I）衰减规律遵从Lambert-Beer定律[31]
(5) 式中：I0为发射激光强度，α(λ)、s(λ)分别为吸收系数、散射系数。
尤其是当大气中有气溶胶粒子及云雾粒子时，对激光的衰减作用很大。因此，减少衰减的主要途径是：选择有利的大气条件和合适的波长。
1.3 激光接收子系统
1.3.1 激光电池
激光电池的材料体系和传统太阳光伏电池相同，其中最为成熟的是GaAs材料。GaAs的禁带宽度接近于最优值1.42 eV，这与800 nm附近激光波长一致。2016年，Fafard等进行了多结垂直外延异质结的激光电池研究[32]，在808 nm处光电转换效率(Photovoltaic Conversion Efficiency，PCE)高于60%，在980 nm处获得了高达22 W的输出功率，效率为48.9%。2024年，四川大学进行了用于LWPT的808 nm十结激光电池研究[33]，在脉冲模式下，面积为0.25 cm2的电池实现了55.8%的PCE，其三维结构如图6所示。
由于GaAs基激光电池在PCE方面表现出色，最佳吸收波长在800～850 nm之间，其在地面与天空的LWPT研究中获得较广泛应用。而对于水下应用，其激光电池吸收材料的波长应在450～650 nm范围内。2024年，Sanmartín等设计了应用于LWPT的GaInP的激光电池，该电池在10 W/cm2、637 nm的激光照射下，实现了53.5%的PCE[34]。然而，GaInP材料的制作成本高昂，目前尚无法实现水下商业化应用。
近年来，有机光伏电池（Organic Photovoltaic Cell，OPV）进入了人们的视野，OPV是一项无毒、轻便、灵活、低成本的新型环保光伏技术。2020年，Vincent等人从理论上分析了OPV作为激光功率转换器在LPWT中的应用前景。2023年，中国科学院化学研究所侯建辉团队利用PBDB-TF：BTP-eC9材料的有机光伏电池在660 nm激光下获得了36.2%的光电转换效率[35]，该实验填补了OPV在LWPT中应用的空白。表3详细概述了不同材料的激光电池的性能表现，为不同场景LWPT的应用提供了重要参考[36-42]。
表 3 不同材料光伏电池发展Table 3. Development of photovoltaic cells with different materials1.3.2 能源管理
为了实现高效率激光能量传输，能源管理起着至关重要的作用，特别是在最大功率输出和稳定性方面。要从激光电池中提取最大功率，必须控制激光电池的工作点。LWPT系统中基于最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的激光电池控制器，能够在为电池充电的同时从激光接收系统中获得最大功率输出。2020年，朝鲜大学进行了MPPT控制技术研究[43]，通过设计一个MPPT控制器，能够稳定控制电池组件在电流源中的电压、最大功率点，从电池组件产生最大功率。由于高斯激光束的辐照度分布不均匀，电池阵列表现出具有多个峰值的复杂输出特性，导致传统的MPPT方法在跟踪精度或跟踪速度上都较差。因此，南京大学在2022年提出了一种简单、快速的电压定位全局MPPT（Voltage-Location Global-MPPT，VL-GMPPT）[44]，该方法可以减少传统全局搜索方法所消耗的跟踪时间。
LWPT系统最终的目的是实现能源的高效供给，因此，还需要考虑电池布片设计、能源检测、能源平衡技术用于实时监测和评估接收器和存储设备的能量状态，确保系统能够在不同的负载条件下保持稳定，确保能量输入与输出之间的稳定及接口匹配，避免因过多的能量损耗或过载而降低系统效率，才能实现有效的能量传输和远程充电。
2. LWPT系统研究现状
2.1 地面研究
随着高功率激光器和高效率激光电池的飞速发展，LWPT技术取得了重大的进展，系统的能量转换效率显著提高。目前许多公开报道的LWPT系统都处于地面的研究，涌现出多项代表性的工作，如图7所示。
2002年，F. Steinsiek等人在搭载GaInP激光电池板的小车上进行地面LWPT驱动小车实验，如图7（a）所示，利用Nd:YAG激光器产生5 W的532 nm激光，在小车携带的GaInP面板上形成30～50 mm的圆形光斑，光电转换效率高达20%[45]。
2006年，日本近畿大学展示了在小型“直升机风筝”上进行的激光能量供给实验，如图7（b）所示。在风筝上安装30块GaAs激光电池，通过两个808 nm半导体激光器组合产生的200 W激光提供最大42 W的电功率，使风筝持续飞行超过了1 h[46]。
2009年，Laser Motive公司展示了四轴直升机的LWPT供能，飞行时长达到12.5 h。2010年，该公司完成了小型无人机LWPT系统。如图7（c）所示，通过810 nm激光为1公里外的“鹈鹕”无人机提供能量[47]。
2014年，山东航天电子技术研究所展示了两艘飞艇动态LWPT实验，如图7（d）所示。在50 m的区间变化中，最高传输效率达16%[48]。2017年，中国电子科技集团开发了波长为808 nm、输出功率为100 W的LWPT系统。在50 m传输距离上，激光到电力的转换效率超过28%。2020年，该团队进一步完成了激光充电无人机的演示验证实验[49]。
2022年，美国国防高级研究计划局（DARPA）发布了一份改装报告，要求开发一个被称为“空中能源井”的吊舱，可以安装在空军KC-135和KC-46等机翼下进行飞机供能，如图7（e）所示，为无人机进行激光无线充电[50]，DARPA要求吊舱的激光功率达到100 kW以上，同时还应包含相应的热管理系统。
2023，日本九州大学Nguyen提出一种用于空中和地面电动汽车无线充电的动态LWPT系统，如图7（f）所示。设施屋顶的激光发射器指向上方，用于为空中电动汽车无线充电，而设施天花板上的其他激光发射器指向下方，用于为地面电动汽车无线充电[51]。
2023年，苏州长光华芯公司构建了一个千瓦级808 nm半导体激光无线能量传输系统[17]，如图7（g）所示。一束1 kW激光传输20 m辐照在49 cm×44 cm的激光电池阵列上，接收端输出电功率达到了179 W。其中激光芯片、电池转换效率都达到70%以上。
随着无线网络向着第六代(6G)不断地演进，2024年，德国Vasilis等提出了一种将数据传输和能量收集结合的系统，即光通信和功率传输系统(Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer，SLIPT)[52]。对于需要高效长距离点对点通信和电力传输的应用尤其具有前景，例如在水下和空中场景中，SLIPT系统可以使用激光器或发光二极管（LED）作为发射器。在接收器处，使用光电二极管或光伏电池。SLIPT潜在应用场景如图8所示。
从最初的低功率激光应用，到后来的千瓦级LWPT系统，技术不断突破，传输距离和效率均得到显著提升。众多研究团队在不同领域进行了代表性实验，包括地面小车驱动、小型飞行器能源供应等。这些实验不仅验证了LWPT系统的巨大潜力，还展示了其在不同场景下的实用价值。
2.2 水下研究
由于水下场景的特殊性，水下LWPT(Underwater-LWPT，ULWPT)非常具有挑战性。ULWPT挑战难点包括：生物干扰、极端压力和温度和光衰减等，这些都会导致ULWPT的大量能量损失，解决这些问题至关重要。目前，国内外对ULWPT技术的研究仍处于初步探索阶段，代表性工作如图9所示[53-57]。
2018年，韩国Kim等演示了使用半导体激光器和两种类型的光功率接收器（太阳能电池和光伏电池）的ULWPT实验，如图9（a）所示[53]。该实验显示海水中的衰减为3.0 dB/m，该系统可以在海水中以2%的传输效率在1 m以内无线传输电力。2020年，Kim和Kwon对激光能量传输效率与海水光束波长之间的关系进行了实验研究[54]。结果表明，蓝绿激光器在3～5 m范围内具有更高的能量传输效率[54]。
2022年，日本的Tomoyuki Miyamoto团队构建了一个带有复眼透镜(Fly Eye Lens)模块的LWPT系统[55]，激光发射功率为 5.95 W，在水箱中传输0.9 m后，输出电功率为0.755 W，全链路效率为12.7%。2022年，重庆大学进行了理论研究并且提出了一种水下高功率LWPT系统，重点分析了稳态热晕效应对水下高功率激光光束质量的影响[56]。
2024年，日本Ryusei等利用三束450 nm、532 nm、635 nm的激光器照射GaInP太阳能电池进行了ULWPT的研究[57]，系统如图9（b）所示。其中，532 nm激光在通过长90 cm海水箱和自来水箱时分别拥有78.4%和58.3%的光到达率，整个系统的效率（不包括激光器本身的效率）分别为30.8%和23.5%。中国科学院化学研究所侯建辉团队在2024年设计合成了一种具有优异耐水性的受体[36]，命名为ITO-4Cl，这种基于ITO-4C1的电池在1 m水深实现了超过25.6%的PCE。
2.3 航天研究
LWPT的可行性和安全性已经在地面得到了证实，随着空间技术的迅速发展，LWPT正在向太空扩展应用。空间太阳能电站（Space Solar Power Station，SSPS）是解决未来人类能源问题的终极途径之一，同时也是LWPT最重要的应用场景。SSPS利用地球同步轨道(GEO)卫星收集太阳辐射并将其转化为电能。然后，收集到的能量通过激光或微波转换到地球上指定的接收位置。与地面上的常规太阳能电站相比，SSPS系统在地理上独立的同时可以实现24 h持续发电，概念图如图10所示。但是，它的建成面临着成本高昂、技术挑战艰巨等问题。截至目前，研究者已经提出了27种不同类型的SSPS设计。但许多大型的SSPS系统仍停留在理论阶段，实验结果尚未披露[58]。
图 10 太空激光能量无线传输系统概念图Figure 10. Conceptual diagram of wireless transmission of laser energy in space2021年，俄罗斯成功实施了世界首次空间LWPT实验，无线激光传能在太空中的应用得到了突破性进展。这项代号“鹈鹕”的太空实验，为环绕国际空间站的小型卫星和航天器提供电能，光电转换器效率已高达到60%。未来此计划可为太空太阳能电站输送能源至地球上难以到达的地区。这项实验已经被列入国际空间站俄罗斯部分的长期科学实验计划[59]。
2023年，美国海军研究实验室(NRL)的空间无线能源链路(SWELL)于6月29日成功在轨道上运行超过100天的激光操作，是激光动力在太空发射的成功范例。SWELL在实现了连续输出约1.5 W的功率，端到端效率约为11%，电力传输链路距离1.45 m。SWELL实验不仅是第一次空间激光功率发射演示，也是目前在轨功率最高、距离最远、效率最高的激光功率发射演示[60]。
在太空领域，LWPT技术还应用于行星探测车的激光能量供给。在通常情况下，行星探测车会使用太阳能为自己供电，但处于行星的黑暗面时，将无法进行供电。因此，加拿大Rony等提出了一种基于LWPT的无线电源解决方法来为行星探测供电[61]，小型卫星和地面探测器在日食期间或在地球表面的阴影区域运行期间，利用太阳视场中的一颗卫星作为中继站，为这些着陆设备无线充电。
在太空、行星、探月等领域，LWPT技术无疑展示了解决未来能源问题的巨大潜力。LWPT技术必将成为实现在这些特殊空间能量传输的关键。一旦这项技术取得突破性进展，其应用将改变现有的能源格局。
3. 结 论
把高亮度的激光束稳定、集中地照射在目标上的特定区域，并持续足够长时间的能量积累，是LWPT的基本要求。这涉及到光学工程、控制科学、材料科学、大气科学、电子电力学等多个学科，是一个典型的交叉学科工程。正因如此，LWPT成了从概念提出到实践应用发展历程较长的现代技术之一。
目前，LWPT系统仍处于初级研究阶段，主要应用于实验室和航天领域，如卫星补给和无人机充电等。在这些领域，LWPT系统能够满足多种应用需求，展现出广阔的前景。然而，LWPT系统在实际应用中面临一些困难和挑战。无论是在激光发射端还是接收端，都受到技术瓶颈的制约，激光传输效率以及环境因素（如大气吸收和散射等）都影响着系统的整体性能。因此，提高整体传输效率依然是研究的核心方向。
此外，现有LWPT系统主要采用800 nm或1 064 nm左右的激光波长，这一波长不在人体视觉范围内。因此，要将LWPT技术推广到商业化领域，需要找到适合人眼安全的激光波长，并在此基础上开发新的光伏电池材料，以确保高效的能量传输效率。同时，激光技术，尤其是高功率激光的应用，可能引发公众的担忧和恐慌。很多人对激光辐射的安全性及其潜在健康影响存在顾虑，尤其是在民用领域。如何向公众普及LWPT技术的安全性、可靠性和环保性，提升社会接受度，是该技术广泛应用的另一个重大挑战。
尽管LWPT系统面临着诸多挑战，但在诸多领域拥有着可以预见的优势。激光无线能量传输技术有望在航天领域率先得到应用。由于太空环境是真空状态，可大大提高能量传输效率，同时由于远离地面，系统的安全性可得到更好的保障。因此，LWPT系统能够为目标飞行器提供持续的能源支持。LWPT系统还可以与人工智能(AI)技术相结合，AI技术为LWPT带来了更稳定、更智能、更环保的系统设计。如采用AI算法可以进行更为复杂的激光器件设计，同时极大地缩短设计时间；激光光束智能调控等，意味着AI技术可以为LPWT赋予更优化的系统设计。
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图 2 不同光束宽度下光电流输出对比图
Figure 2. Comparison of photocurrent output under different beam widths
图 3 不同衬底厚度下正面与背面入光光电流幅值对比
Figure 3. Comparison of photocurrent amplitude under front and back illumination with different substrate thicknesses
图 4 10 kW峰值光功率下正面背面入光典型仿真波形与平面器件等效电路
Figure 4. Typical simulation waveforms under front and back illumination with a 10 kW peak optical power and equivalent circuit of planar devices
图 6 器件表面电流密度与电场强度对比
Figure 6. Comparison of surface current density and electric field intensity in devices
图 7 实验平台与测试器件示意图
Figure 7. Schematic diagram of the test device and experimental platform
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