上圖所示是來自華盛頓大學的工程師創建的無線充電系統。但通常來說，充電雷射和防護雷射不為人眼所看到，上圖為了確保演示目的，插入了紅色光束示意保護光束。圖片來源：華盛頓大學
雖然平板電腦和智慧型手機等行動裝置讓我們通過無線通信實現工作上的需要和獲取信息，但他們的電池仍然必須通過插入插座來充電。日前來自華盛頓大學的工程師們第一次開發了一種用雷射無線控制智慧型手機充電的方法。
正如近期在線發表在計算機交互會議（有關手機、無線穿戴）上的一篇論文所述，研究小組提出的一種利用雷射發射器實現狹窄的、看不見的雷射光束，可以為位於室內的智慧型手機實現無線充電，而且充電速度已經接近USB充電線纜。為了做到這一點，研究小組在智慧型手機背面安裝了一個薄的電源單元，智慧型手機利用雷射的功率對智慧型手機充電。此外，該小組還設計了安全功能，包括智慧型手機上的金屬平板散熱裝置，以使雷射器散發多餘的熱量，以及如果一個人試圖在充電光束的路徑上移動，則基於反射鏡的機制可以關閉雷射器。
「安全是我們在設計本系統的重點，」合著者Shyam Gollakota說，他是華盛頓的保羅·G·艾倫計算機科學與工程學院的副教授。「我們設計、建造並測試了這種基於雷射的充電系統，它具有快速響應的安全機制，確保雷射發射器在人進入雷射路徑之前終止充電雷射束。」
Gollakota和合著者Arka Majumdar率領的團隊設計了這種無線充電系統及其安全特性，後者是物理與電氣工程學院的助理教授。
「除了安全機制—快速終止充電光束，我們的平臺包括一個散熱片散發多餘的通過充電光束產生的熱量，」Majumdar說。「這些特性使我們的無線充電系統具有強大的安全標準，可以將其應用到各種商業和家庭環境中。」
上圖所示發亮的紅色是一種三維印刷反光鏡，這反映了低功耗保護梁在雷射發射二極體。保護中斷會觸發一個安全系統來阻擋充電的雷射束。
充電光束由雷射發射器產生，該雷射發射器被配置為在近紅外光譜中產生聚焦光束。關閉充電光束的安全系統以低功率、無害的雷射「防護光束」為中心，由另一個雷射源與充電雷射束共同發射，並在物理上環繞充電光束。自定義的3D列印「反光鏡」放在智慧型手機的電池反映護雷射回到雷射發射器的光電二極體中。防護雷射本身不向手機充電，但他們從智慧型手機返回發射器中，使他們可以作為一個「傳感器」，當一個人將進入雷射充電光束路徑範圍內時能檢測到。
研究人員設計了雷射發射器來終止充電光束，當任何物體（如人體的一部分）與一根防護梁接觸時會觸發。在幾十年的生理研究基礎上，該裝置能夠很快地察覺到防護光束的阻塞情況，從而探測到人體運動情況，哪怕是最快的運動情形。
「防護雷射束能夠比我們快的運動速度因為這些光束反射回發射是以光的速度在傳播，」Gollakota說。「其結果是，當防護光束被人的運動打斷時，發射器在千分之一秒鐘內檢測到這一情況，並在人與它接觸之前設置快門以阻擋充電光束。」
納米光學器件的下一代有望實現千兆赫的頻率，從而降低快門的響應時間為納秒級別，這就增加了器件的安全特性。
光束通過手機背面的電源電池實現智慧型手機的充電。一束窄光束可以從4.3米或14英尺的距離向15平方英寸的區域提供穩定的功率。但發射器可以被修改，以擴大充電光束的半逕到100平方釐米的距離從12米，或近40英尺。這種擴展意味著發射器可以瞄準更寬的充電錶面，例如計數器或桌面，並將智慧型手機充電到該表面的任何位置。
上圖所示是華盛頓大學研究小組的原型散熱片組件，可以連接到智慧型手機的背面，由一個光伏電池（銀色正方形在頂部）連接在一臺熱電發電機上（白色）。發電機安裝在鋁製散熱器的頂部。整個大會僅為8mm厚40mm寬。
研究人員編程的智慧型手機通過發射高頻聲波「啁啾」其位置信號。這些都是我們人耳聽不到我們的，但對於雷射發射埠的小型麥克風來說是足夠敏感的。
「這種聲定位系統確保發射器可以檢測當用戶設置手機在充電錶面，可以像穿過房間桌上一個普通的位置，」共同作者Vikram Iyer說，他是電氣工程學院的一名博士生。
當發射器在所需的充電錶面檢測到智慧型手機時，它打開雷射器開始充電。
「雷射束提供的電荷儘快聚集在你的智慧型手機的USB埠，」共同作者Elyas Bayati說，他是電力工程學院的博士生。「但是你不用把手機插進去，就把它放在桌子上。」
為了確保充電光束不會使智慧型手機過熱，該小組還將智慧型手機上的鋁條貼在電源電池的背面。這些條作為散熱片，從充電光束中釋放多餘的熱量，並允許雷射向智慧型手機充電數小時。他們甚至收穫了少量的熱量來幫助智慧型手機充電。
研究人員認為，其強大的安全性和散熱特性可以使無線、雷射為基礎的其他設備充電，如照相機、平板電腦，甚至桌上型電腦。如果是這樣，睡前的智慧型手機、平板電腦或筆記本電腦的充電任務也許有一天會被一個更簡單的儀式取代：只需放在桌子上。
來源：https://phys.org/news/2018-02-laser-wirelessly-smartphone-safely-room.html
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