NTT与三菱重工业在大气湍流条件下实现了全球最高的激光无线电力传输效率

2025 年 9 月 17 日 -NTT， Inc.（总部：东京都千代田区;总裁兼首席执行官：Akira Shimada;以下简称“NTT”）和三菱重工株式会社（总部：东京都千代田区;总裁兼首席执行官：伊藤荣作;以下简称“三菱重工”）进行了一项光无线电力传输实验，使用激光束将能量无线传输到1公里外。通过照射光功率为 1 kW 的激光束，我们成功地在 1 公里外接收了 152 W 的电力。这标志着在强大气湍流环境中使用硅光电转换元件（注2）的光无线电力传输效率达到了世界最高水平。

这一结果证明了向遥远站点供电的可行性。未来，有望应用于无法安装电力电缆的偏远岛屿和灾区的按需输电。

这一成果于2025年8月5日发表在英国杂志《电子快报》上。

背景近年来，智能手机、可穿戴设备、无人机、电动汽车等无需电缆即可供电的无线电力传输技术越来越受到关注。无线电力传输系统有两种类型：一种使用微波，另一种使用激光束。微波无线电力传输已经投入实际应用，并且其用途正在扩大。另一方面，使用激光束的光无线电力传输尚未投入实际应用，但利用激光束的高方向性，有望实现公里级的紧凑型长距离无线电力传输。

未来的展望是开发下一代基础设施，能够在电力或通信网络不可用的情况下和地区（例如在灾害期间、偏远岛屿、山区或海上）提供电力和扩大通信覆盖范围。这包括精确地向特定区域或移动平台（例如无人机）提供电力。要实现如此高精度和长距离的电力传输，需要利用其强大的方向性进行基于激光的无线电力传输。

现有技术的挑战和本实验

的成果光无线电力传输技术的效率普遍较低，效率的提高是实际应用的一个问题。造成这种情况的原因之一是，当长距离激光束传播时，特别是在大气中，强度分布变得不均匀，光电转换元件中将激光束转化为电能的效率变得低。

在本实验中，我们将NTT的光束整形技术与三菱重工的光接收技术相结合，以提高激光无线功率传输的效率。我们在室外环境中进行了长距离光无线电力传输实验，使用远距离平波束整形技术，在传输侧对波束进行整形，以实现1公里传播后的均匀波束强度，并输出电流调平技术，通过均质器和接收侧的调平电路抑制大气波动的影响。

2025年1月至2月，我们在和歌山县西室郡白滨町的南纪白滨机场跑道上进行了光无线电力传输实验。在跑道的一端安装了一个配备发射激光束光学系统的发射室，并在 1 公里外放置了一个装有受光板的接收室。

在传输过程中，激光的光轴被设置在离地面约1米的低高度，并水平对齐。因此，该束受到地面加热和风的强烈影响，在大气湍流较强的条件下进行实验。

在传输室内，产生了光功率为 1035 W 的激光束。使用衍射光学元件（DOE）（注3），将光束塑造成在1公里距离处形成均匀的强度分布。此外，还使用了光束转向镜将异形光束精确地引导至接收面板。光束通过传输室的孔洞出来，传播到1公里的空地上，最终到达接收室。

在传播过程中，大气湍流导致光束强度波动，产生热点。这些通过接收室中的均质器扩散，从而将均匀的光束照射到接收面板上。然后将激光束有效地转换为电能。接收面板采用硅基光电转换元件，同时考虑了成本和可用性。

在本实验中，从接收面板提取的平均电功率为152 W，对应于15%的无线功率传输效率，定义为接收电功率与发射光功率的比率。这一结果标志着在强大气湍流条件下使用硅基光电转换元件所证明的世界上最高的光无线电力传输效率。此外，成功地将连续电力传输维持了 30 分钟，证实了使用该技术进行长时间电力传输的可行性。

技术亮点

长距离平光束整形技术

为了提高光电转换效率，需要使入射到光电转换元件上的光束的强度分布均匀。在这项研究中，我们提出了一种在长距离传播后实现强度均匀性的波束整形方法。在这种方法中，利用轴锥透镜的作用将光束的外部转换为环形图案（注4）。光束的中心部分通过凹透镜的作用进行相位调制以扩展。随着光束的传播，环形光束和扩展的中心光束逐渐重叠，导致目标位置的强度分布均匀。

在实验中，我们优化了光束设计，以在 1 公里的距离内实现所需的强度分布。使用衍射光学元件实现光束整形，提高了位于 1 公里外的目标位置的光束强度的均匀性。

输出电流调平技术

激光束在大气中传播时，受到大气湍流的影响，扰乱了强度分布。虽然上述平梁整形技术可以均匀强度分布，但强湍流仍会引起高强度光斑的形成。

为了解决这个问题，我们在受光板前面放置了一个光束均质器。均质器扩散高强度光斑，使光束均匀地照射到面板上。此外，调平电路连接到接收面板上的每个光电转换元件。这些电路有助于抑制大气湍流引起的输出电流波动，有助于稳定整体功率输出。

这两种技术使得在公里级传输中实现传统波束整形方法难以实现的波束均匀性成为可能，并在室外环境中稳定输出。因此，预计为孤岛和受灾地区等偏远地区提供稳定的电力供应将成为可能。

各公司的作用

NTT：光束整形技术等透射光学器件的设计和实施

MHI：光电探测器面板、均质器和调平电路等光电探测器光学器件的设计和实施

未来发展该

技术即使在大气湍流下也能高效、稳定地长距离传输能量。在本实验中，硅被用作光伏转换元件。然而，通过采用专门设计的与激光波长相匹配的光伏器件，可以预期更高的功率传输效率。此外，使用具有更高输出功率的激光光源将可以提供更多的电力。

因此，在受灾地区和偏远岛屿等偏远地区，传统上电力电缆的安装很困难，可以实现灵活、快速的电力输送。除了地面应用之外，还可以基于该技术设想广泛的新用例（图 7）。值得注意的是，激光束的高方向性和低发散度允许设计紧凑、轻便的接收设备。对于面临重量和有效载荷能力严格限制的移动平台来说，这是一个主要优势。

例如，通过将这项技术与波束转向技术相结合，可以无线方式向飞行中的无人机提供电力。这避免了作限制，例如着陆更换电池或使用系留电源电缆，从而实现长时间和长距离的连续运行。这些能力可以增强灾区监测以及山区或海洋地区的广域通信中继，这些应用以前难以实现。

此外，预计还有望在太空中应用，包括向 HAPS（高空平台站）（注 5）等移动平台供电，该平台属于 NTT 的太空品牌 NTT C89（注 6）的范围。展望未来，该技术可应用于为太空数据中心和月球车供电，以及通过激光将电力从地球静止卫星传输到地面的太空太阳能系统。这些应用代表了具有强大市场扩张潜力的领域。

通过NTT和三菱重工之间的合作，我们在受大气波动影响的条件下实现了世界上最高效的激光无线充电技术。这一成就代表着朝着建立能够满足从灾害响应到太空开发等广泛社会需求的创新技术基础迈出了重要一步。

关于NTT

NTT通过创新的力量为可持续发展的社会做出贡献。我们是一家全球领先的技术公司，作为移动运营商、基础设施、网络、应用程序和咨询提供商为消费者和企业提供服务。我们的产品包括数字业务咨询、托管应用程序服务、工作场所和云解决方案、数据中心和边缘计算，所有这些都由我们深厚的全球行业专业知识提供支持。我们的收入超过 $90B，拥有 340,000 名员工，每年的研发投资为 $3B。我们的业务遍及80+个国家和地区，为其中190多个国家和地区的客户提供服务。我们为超过 75% 的财富世界 100 强公司、数千家其他企业和政府客户以及数百万消费者提供服务。