日本用激光稳定送电1公里

NTT与三菱重工在大气湍流条件下实现全球最高效的激光无线电力传输

远望智库开源情报中心  编译

9月17日，日本电信电话公司（NTT）与三菱重工业株式会社（MHI）联合开展了一项光学无线电力传输实验，利用激光束实现了1公里远距离的无线供电。在本次实验中，以1千瓦的光学功率照射激光束，成功在1公里外接收到了152瓦的电力。这一成果创造了在强烈大气湍流环境下，采用硅光电转换元件进行光学无线电力传输的世界最高效率。

这一成果证明了远程供电的可行性。未来，有望应用于在无法铺设电缆的偏远岛屿或灾区的按需供电。

该成果已于2025年8月5日发表在英国期刊《Electronics Letters》上。

背景

近年来，能够无需电缆为智能手机、可穿戴设备、无人机、电动汽车等设备供电的无线电力传输技术受到越来越多的关注。无线电力传输系统主要分为两类：一种利用微波，另一种利用激光。微波无线电力传输已经进入实用阶段并逐渐普及，而基于激光的光学无线电力传输尚未投入实用，但有望凭借激光束的高指向性，实现公里级的紧凑型远距离无线供电（图1）。

图1 光无线电力传输系统示意图

未来前景包括建设新一代基础设施，在受灾、偏远岛屿、山区或海上等缺乏电力或通信网络的场景下，既能供电，又能扩展通信覆盖。这其中还包括为无人机等移动平台精确供电。要实现这种高精度远距离供电，必须依赖具备强定向性的激光无线电力传输。

现有技术的挑战与本次实验成果

光学无线电力传输技术的效率通常较低，提高效率是实现实用化的关键问题之一。原因在于，激光束进行长距离大气传播时，光强分布会变得不均匀，从而导致光电转换元件的发电效率下降。

在本次实验中，NTT的光束整形技术与MHI的光接收技术相结合，提升了激光无线电力传输效率。实验采用远距离平坦光束整形技术，在发射端对光束进行整形，使其在传播1公里后依然保持均匀的光强分布；在接收端，则通过匀光器和电流均衡电路抑制大气扰动影响。

2025年1月至2月期间，实验在和歌山县西牟婁郡白滨町的南纪白滨机场跑道上进行（图2）。发射舱设置在跑道一端，安装了发射激光的光学系统；接收舱放置在1公里外，内含光接收面板。

图2实验场景

从安全角度考虑，光传输系统和接收面板分别安装在室内，以防止意外暴露于高功率激光束和反射光的散射

在传输过程中，激光光轴设置在距地面约1米的低高度并水平对准。结果光束强烈受到地面加热与风的影响，实验环境存在显著的大气湍流。

在发射舱内，产生了1035瓦光学功率的激光束。通过衍射光学元件（DOE）对光束进行整形，使其在1公里处形成均匀光强分布。同时利用光束导引镜精准瞄准接收面板。光束从发射舱出口射出，跨越1公里开放空间，最终到达接收舱。

在传播过程中，大气湍流导致光束强度波动，产生热点。接收舱中的匀光器对这些热点进行扩散，使得照射到接收面板上的光束分布均匀。随后，激光束被高效地转换为电力（图3）。接收面板采用硅基光电转换元件，兼顾了成本与可获得性。

图3 实验系统示意图

实验结果表明，接收面板平均输出电力为152瓦（图4），对应无线电力传输效率为15%（接收电功率与发射光功率的比值）。这是迄今为止在强烈大气湍流条件下，使用硅基光电转换元件实现的全球最高效率。此外，实验成功维持了连续30分钟的稳定供电，验证了该技术进行长时间电力传输的可行性。

图4 受光面板供电

技术亮点

1. 远距离平坦光束整形技术

为提高光电转换效率，需要使入射到光电转换元件上的光强分布尽可能均匀。

该研究提出了一种在长距离传播后依然能实现光强均匀的光束整形方法：利用轴锥透镜的效应将光束外围部分变为环状，同时通过凹透镜效应对光束中心部分进行相位调制使其扩展。随着传播距离增加，环状光束与扩展的中心光束逐渐叠加，在目标位置形成均匀光强分布（图5）。

图5 光束整形图像

该实验通过优化光束设计，在1公里处获得理想光强分布，并采用衍射光学元件来实现光束整形，从而大幅改善了目标位置的光强均匀性。

2. 输出电流均衡技术

激光束在大气中传播时会受到湍流影响，破坏光强分布。即使采用平坦光束整形技术，大气强烈扰动仍可能产生高强度热点（图6）。

为解决这一问题，在光接收面板前加入匀光器以扩散热点，使照射光束均匀分布在面板上。同时，为接收面板上的各光电转换元件接入均衡电路，抑制湍流造成的电流波动，从而稳定整体功率输出。

图6 经均化器大气传播和扩散作用后的光束方向图

这两项技术使得公里级光束均匀化成为可能，并能在户外环境中稳定供电。因此，向孤立岛屿或灾区的稳定电力供应将变得可行。

各公司角色分工

NTT：发射端光学设计与实现（光束整形技术等）

MHI：接收端光学设计与实现（光接收面板、匀光器、均衡电路等）

未来发展方向

该技术实现了在大气湍流条件下的高效、稳定远距离能量传输。本次实验采用硅基光伏元件作为转换器件，未来若使用专为激光波长优化的光伏器件，效率将进一步提升。此外，若采用更高功率的激光光源，则可实现更大规模的电力供应。

由此，可以在偏远岛屿或灾区等传统上难以铺设电缆的地区实现灵活、快速的供电。除了地面应用外，该技术还具有广泛的潜在应用场景。

特别是，激光束的高指向性与低发散性使得接收装置可以设计得紧凑且轻量化，这对于严格受限于重量和载荷的移动平台具有显著优势。

例如，将该技术与光束导引技术结合后，可以实现对飞行中的无人机进行无线供电，避免了因更换电池而降落，或使用系留电缆供电的限制，从而支持长时间、长距离的连续运行。这将提升无人机在灾区监视以及山区、海域广域通信中继中的应用能力。

此外，还期待其在空间应用中发挥作用，例如为空中基站（HAPS，高空平台站）供电，这与NTT的太空品牌NTT C89的业务范围相契合。进一步而言，该技术可用于为空间数据中心、月球车供电，乃至实现从地球静止轨道卫星向地面通过激光传输电力的空间太阳能发电系统。这些应用领域具有巨大的市场潜力。

NTT与MHI的合作，实现了在大气强烈扰动条件下全球最高效的激光无线电力传输。这一成果标志着向构建满足灾害应对与空间开发等多样社会需求的创新技术基础迈出了重要一步。