"Возможность беспроводного питания устройств может избавить от необходимости носить с собой кабели питания для наших телефонов или планшетов", - сказал руководитель исследовательской группы Джинен Ха из Университета Седжонг в Южной Корее. "Он также может питать различные датчики, такие как датчики в устройствах Интернета вещей (IoT) и датчики, используемые для мониторинга процессов на производственных предприятиях".

В журнале издательской группы "Оптика" Оптика Экспресс Исследователи описывают свою новую систему, которая использует инфракрасный свет для безопасной передачи высоких уровней мощности. Лабораторные испытания показали, что он может передавать световую мощность 400 МВт на расстояния до 30 метров. Этой мощности достаточно для зарядки датчиков, а при дальнейшем развитии она может быть увеличена до уровней, необходимых для зарядки мобильных устройств.

Было изучено несколько методов беспроводной передачи энергии на большие расстояния. Однако было трудно безопасно передавать достаточное количество энергии на метровые расстояния. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи оптимизировали метод, называемый распределенной лазерной зарядкой, который в последнее время привлекает все больше внимания для этого приложения, поскольку он обеспечивает безопасное освещение высокой мощности с меньшими потерями света.

"В то время как большинство других подходов требуют, чтобы принимающее устройство находилось в специальной подставке для зарядки или было стационарным, распределенная лазерная зарядка позволяет осуществлять самонастройку без отслеживания процессов, пока передатчик и приемник находятся в прямой видимости друг друга", - сказал Ха. "Он также автоматически переключается в безопасный режим подачи низкого энергопотребления, если объект или человек блокируют линию видимости".

Преодолевая дистанцию

Распределенная лазерная зарядка работает примерно так же, как традиционный лазер, но вместо того, чтобы оптические компоненты лазерного резонатора были объединены в одно устройство, они разделены на передатчик и приемник. Когда передатчик и приемник находятся в пределах прямой видимости, между ними по воздуху - или в свободном пространстве - образуется лазерный резонатор, который позволяет системе подавать энергию на основе света. Если препятствие перекрывает линию видимости передатчика и приемника, система автоматически переключается в режим энергосбережения, обеспечивая безопасную подачу энергии в воздухе.

В новой системе исследователи использовали источник оптического питания волоконного усилителя, легированного эрбием, с центральной длиной волны 1550 нм. Этот диапазон длин волн находится в самой безопасной области спектра и при используемой мощности не представляет опасности для глаз или кожи человека. Другим ключевым компонентом был мультиплексирующий фильтр с разделением длины волны, который создавал узкополосный луч с оптической мощностью в пределах безопасности для распространения в свободном пространстве.

"В приемный блок мы встроили световозвращатель со сферической линзой, облегчающий выравнивание передатчика и приемника на 360 градусов, что максимально повысило эффективность передачи энергии", - сказал Ха. "Мы экспериментально обнаружили, что общая производительность системы зависит от показателя преломления шаровой линзы, причем показатель преломления 2,003 является наиболее эффективным".

Лабораторные испытания

Чтобы продемонстрировать систему, исследователи установили 30-метровое расстояние между передатчиком и приемником. Передатчик был изготовлен из оптического источника волоконного усилителя, легированного эрбием, а приемный блок включал в себя световозвращатель, фотоэлектрический элемент, преобразующий оптический сигнал в электрическую мощность, и светодиод, который загорается при подаче питания. Этот приемник размером примерно 10 на 10 миллиметров может быть легко интегрирован в устройства и датчики.

Результаты эксперимента показали, что одноканальная беспроводная оптическая система передачи энергии может обеспечить оптическую мощность 400 МВт при ширине линии канала 1 нм на расстоянии 30 метров. Фотоэлектрическая система преобразовала это в электрическую мощность 85 МВт. Исследователи также показали, что система автоматически переключалась в безопасный режим передачи энергии, когда линия обзора прерывалась человеческой рукой. В этом режиме передатчик излучал свет невероятно низкой интенсивности, который не представлял никакого риска для людей.

"Использование лазерной системы зарядки для замены кабелей питания на заводах может сэкономить на обслуживании и замене", - сказал Ха. "Это может быть особенно полезно в суровых условиях, где электрические соединения могут вызывать помехи или представлять опасность пожара".

Теперь, когда они продемонстрировали систему, исследователи работают над тем, чтобы сделать ее более практичной. Например, эффективность фотоэлектрического элемента может быть увеличена для лучшего преобразования света в электрическую энергию. Они также планируют разработать способ использования системы для одновременной зарядки нескольких приемников.

Эта работа поддерживается грантом Института планирования и оценки информационно-коммуникационных технологий, финансируемым Министерством науки и ИКТ правительства Кореи.