激光擴束鏡在激光清障裝置上的應用

尹漢標

(東莞供電局寮步供電分局，廣東東莞 523000)

0 引言

應用于輸電線路遠距離激光清障裝置上的激光準直擴束鏡，具備擴束性能和準直性能兩種主要特性。所謂擴束性能是指將入射激光的光束直徑擴大（即光斑變大或稱為束腰變大）；而準直性能是指將入射激光的光束擴散角減小，從而使入射激光光束的準直度獲得提高。由于擴束鏡存在這2個特性，因此被用于輸電線路遠距離激光清障裝置系統上，使得輸電線路遠距離激光清障裝置的清障效率和能力得以更好的實現。

作為輸電線路遠距離激光清障裝置的主要工作原理,是將一定能量的激光束通過遠距離傳輸投射到輸電線路的障礙物或漂浮物上，利用激光本身的能量將障礙物或漂浮物清除。要求激光束在經過遠距離傳輸后能量損耗盡可能的小。以便達到清除障礙物的目的。因此需要綜合考慮激光擴束鏡的特點和用途，合理利用激光擴束鏡擴束性能和準直性能的特點，選擇所能達到最佳激光光束質量的擴束鏡，可以有效地解決輸電線路遠距離激光清障裝置的清障效率能力。

1 激光擴束鏡的工作原理

與一般的激光發射系統相比，輸電線路遠距離激光清障裝置系統對激光發射系統中的激光主要光學系統的整體性能提出了更高的要求，不僅要求該系統的準直性好，而且要求整個光學系統具有高抗光損耗、高能量密度、熱能量擴散小等特點[1]。

激光擴束鏡系統由2片透鏡組成，其中一片是靠近入射端的凹透鏡(也稱為輸入負透鏡)；另一片是靠近出射端的凸透鏡（也稱為輸出正透鏡）；入射端的凹透鏡將一個具有虛焦點的激光束投射到出射端的凸透鏡上，由此兩面透鏡構成了虛擬的共用焦點結構（即凹透鏡的虛焦點與凸透鏡的虛焦點重合為一點）。

如圖1所示，入射激光束投射到輸入端的凹透鏡上，激光束聚焦在虛焦點上，產生的一個新的光束束腰W0和新的擴散角θ，理論計算分別為公式（1）和公式（2），由此推算出公式（3）。

圖1 激光擴束鏡原理

式中 W（h）——入射激光束在入射鏡上的光束半徑

f1——入射端凹透鏡的焦距

f2——出射端凸透鏡的焦距

λ——入射激光光束的波長，是一個常量

W0——入射激光束的束腰

由于W0的焦點投射到輸出端凸透鏡的后焦點平面上，同時如圖1所示輸出端凸透鏡的焦距f2大于輸入端凹透鏡的焦距f1，激光光束的擴散角減小，光束會被擴束鏡準直。其準直倍率見公式（4）。

公式（4）中,T1=f2/f（1即激光擴束鏡的倍數）；θ表示入射激光光束的擴散角；W0表示入射激光光束的束腰。經過入射端和出射端的2片透鏡組成的激光擴束鏡后，產生第二個新的激光光束束腰W0″和擴散角θ″，這就是經過擴束鏡擴束和準直后的激

光光束所產生的束腰和擴散角，計算見公式（5）和公式（6）。

從公式（1～6）中可以判斷出，T1越大，則T越大，T越大則θ″越小。其中T1為擴束鏡的倍數，θ″為擴散角。由此得擴束鏡倍數越大，則擴散角越小。同時經過擴束鏡的束腰W0″和f2及T呈正比例變化，即 f2越大，則T越大，W0″就越大，其光束直徑就越大，在入射光束能量恒定不變的情況下，經過擴束鏡擴束的光斑直徑越大，作用距離內單位面積的激光能量密度就越小。這會對激光裝置遠距離清除障礙物產生不利的影響。

綜上，引入一個新的概念---光束質量。而光束質量評價值可以作為衡量激光擴束鏡性能的唯一標準。光束質量評價值是束腰半徑和擴散角的乘積；壓縮擴散角的同時將伴隨束腰半徑的增加，則光束束腰增大。因此光束質量才是衡量適合激光清障裝置的擴束鏡的最佳指標。如果要通過擴束鏡改變激光的光束質量，簡單的增加或減少擴束鏡的倍數是不可行的，只有通過不斷的實驗，得到具體的數據，再對數據的綜合分析才能選取光束質量最佳且適合遠距離激光清障裝置的擴束鏡。

2 實驗選擇激光擴束鏡

2.1 遠距離激光清障裝置的特性

主要針對C02激光器作為激光清障裝置進行實驗，主要原因是C02激光器發射出的激光可以快速對非金屬材料進行切割，遇到金屬材料則會進行反射。而且該激光器的功率、有效距離、作用時間都能人為設定、調整與改變，所以操作靈活[2]。不僅不會傷害輸電線路的金屬導線，確保輸電線路金屬導線的安全，而且也不會對于輸電設備造成傷害，減少不必要的經濟支出。切割時，操作人員站在遠處，也提高了工作人員的安全性。

2.2 實驗設計準備

考慮到該類型激光的波長特性匹配，選擇與之波長和類型相匹配的C02激光擴束鏡作為實驗裝置，波長均為10.6 μm，滿足實驗的要求。

C02激光擴束鏡的特點：①出射光準直性好。②激光擴束倍數從1.2倍至8倍，規格品種齊全。③可調型擴束鏡能改善擴散角高達（18～32）毫弧度的激光束的準直度。④光能損耗小。⑤可在大功率條件下工作。⑥可以根據用戶要求進行設計加工

C02激光擴束鏡分為固定式擴束鏡和可調式擴束鏡兩類，每類擴束鏡按安裝連接方式分為直插式連接和螺紋式連接2種。

（1）固定式擴束鏡。輸入透鏡和輸出透鏡是固定的，產品本身不可調整。固定式擴束鏡分為直插式連接和螺紋旋鈕式連接（圖2）。

（2）可調式擴束鏡。輸入透鏡和輸出透鏡之間的間距可以調節。根據不同的裝置需要，調整鏡片間距，以達到最佳的照射效果。可調式擴束鏡分為直插式連接和螺紋旋鈕式連接（圖3）。

實驗中選擇使用固定型擴束鏡。因為安裝在激光清障裝置上的擴束鏡已經確定，不需要進行調節。擴束鏡型號為1.2×，1.5×，2×，2.5×共4種類型。

圖2 固定式擴束鏡

圖3 可調型擴束鏡

2.3 實驗過程

實驗用C02激光清障裝置波長10 640 nm，輸出功率穩定值300 W，有效距離100 m，激勵方式電激勵，最大輸出功率300 W，起輝電壓（27～29）kV，激光模式為多低階膜，光斑直徑（6±1）mm。

通過使用不同規格的激光擴束鏡，同時不斷的改變激光的功率、電流進行對照實驗，根據實驗數據進行判定，具體為測量激光器燒蝕掉異物材料的功率密度，清除能力、清除效率的判定。

實驗過程：作用距離50 m，使用不同規格的激光擴束鏡，在相同功率下測量激光清障裝置燒蝕掉障礙物的功率密度，并對相關數據進行記錄（表1），通過對光束質量的計算，確定最佳的功率密度。實驗光束質量綜合評價值曲線見圖4。

表1 實驗數據

圖4 光束質量綜合評價曲線

2.4 實驗結果

通過實驗和計算數據，光束質量綜合評價值反映的結果：在遠距離激光清障裝置中使用1.5×擴束鏡的清障效果最佳。

3 結語

激光擴束鏡在遠距離激光清障裝置上的應用實驗表明，為了能夠有效地解決遠距離激光清障裝置清除障礙物的效果，在作用距離內盡量保持激光光束的能量密度，減少激光光束的損耗，需要進行激光擴束鏡的2個技術評價值的選擇，擴散角的評價值和激光光束直徑的評價值；兩者的評價值相互作用形成影響激光清障裝置的清障效果關鍵指標—激光光束質量的綜合評價值。激光光束質量綜合評價值越高，則激光光束能量密度也就大，能量損失越小。

［1］樊麗娜，朱愛敏，劉琳，吳泉英.激光擴束望遠鏡的光學設計［J］.紅外，2007（8）：75-76.

［2］黃鐘德，王振聲.厚透鏡對高斯光束的變換及激光擴束系統的倍率計算［J］.沈陽工業大學學報，1985（3）：45-47.

［3］黃欣欣.C02激光器頻率穩定控制系統小型化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.