激光擴(kuò)束鏡在激光清障裝置上的應(yīng)用

尹漢標(biāo)

(東莞供電局寮步供電分局，廣東東莞 523000)

0 引言

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

作為輸電線路遠(yuǎn)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(guò)遠(yuǎn)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(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸后能量損耗盡可能的小。以便達(dá)到清除障礙物的目的。因此需要綜合考慮激光擴(kuò)束鏡的特點(diǎn)和用途，合理利用激光擴(kuò)束鏡擴(kuò)束性能和準(zhǔn)直性能的特點(diǎn)，選擇所能達(dá)到最佳激光光束質(zhì)量的擴(kuò)束鏡，可以有效地解決輸電線路遠(yuǎn)距離激光清障裝置的清障效率能力。

1 激光擴(kuò)束鏡的工作原理

與一般的激光發(fā)射系統(tǒng)相比，輸電線路遠(yuǎn)距離激光清障裝置系統(tǒng)對(duì)激光發(fā)射系統(tǒng)中的激光主要光學(xué)系統(tǒng)的整體性能提出了更高的要求，不僅要求該系統(tǒng)的準(zhǔn)直性好，而且要求整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)具有高抗光損耗、高能量密度、熱能量擴(kuò)散小等特點(diǎn)[1]。

激光擴(kuò)束鏡系統(tǒng)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(fù)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(gè)具有虛焦點(diǎn)的激光束投射到出射端的凸透鏡上，由此兩面透鏡構(gòu)成了虛擬的共用焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)（即凹透鏡的虛焦點(diǎn)與凸透鏡的虛焦點(diǎn)重合為一點(diǎn)）。

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(diǎn)上，產(chǎn)生的一個(gè)新的光束束腰W0和新的擴(kuò)散角θ，理論計(jì)算分別為公式（1）和公式（2），由此推算出公式（3）。

圖1 激光擴(kuò)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(zhǎng)，是一個(gè)常量

W0——入射激光束的束腰

由于W0的焦點(diǎn)投射到輸出端凸透鏡的后焦點(diǎn)平面上，同時(shí)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(kuò)散角減小，光束會(huì)被擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直。其準(zhǔn)直倍率見(jiàn)公式（4）。

公式（4）中,T1=f2/f（1即激光擴(kuò)束鏡的倍數(shù)）；θ表示入射激光光束的擴(kuò)散角；W0表示入射激光光束的束腰。經(jīng)過(guò)入射端和出射端的2片透鏡組成的激光擴(kuò)束鏡后，產(chǎn)生第二個(gè)新的激光光束束腰W0″和擴(kuò)散角θ″，這就是經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束和準(zhǔn)直后的激

光光束所產(chǎn)生的束腰和擴(kuò)散角，計(jì)算見(jiàn)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(kuò)束鏡的倍數(shù)，θ″為擴(kuò)散角。由此得擴(kuò)束鏡倍數(shù)越大，則擴(kuò)散角越小。同時(shí)經(jīng)過(guò)擴(kuò)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(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束的光斑直徑越大，作用距離內(nèi)單位面積的激光能量密度就越小。這會(huì)對(duì)激光裝置遠(yuǎn)距離清除障礙物產(chǎn)生不利的影響。

綜上，引入一個(gè)新的概念---光束質(zhì)量。而光束質(zhì)量評(píng)價(jià)值可以作為衡量激光擴(kuò)束鏡性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)。光束質(zhì)量評(píng)價(jià)值是束腰半徑和擴(kuò)散角的乘積；壓縮擴(kuò)散角的同時(shí)將伴隨束腰半徑的增加，則光束束腰增大。因此光束質(zhì)量才是衡量適合激光清障裝置的擴(kuò)束鏡的最佳指標(biāo)。如果要通過(guò)擴(kuò)束鏡改變激光的光束質(zhì)量，簡(jiǎn)單的增加或減少擴(kuò)束鏡的倍數(shù)是不可行的，只有通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)，得到具體的數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)的綜合分析才能選取光束質(zhì)量最佳且適合遠(yuǎn)距離激光清障裝置的擴(kuò)束鏡。

2 實(shí)驗(yàn)選擇激光擴(kuò)束鏡

2.1 遠(yuǎn)距離激光清障裝置的特性

主要針對(duì)C02激光器作為激光清障裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要原因是C02激光器發(fā)射出的激光可以快速對(duì)非金屬材料進(jìn)行切割，遇到金屬材料則會(huì)進(jìn)行反射。而且該激光器的功率、有效距離、作用時(shí)間都能人為設(shè)定、調(diào)整與改變，所以操作靈活[2]。不僅不會(huì)傷害輸電線路的金屬導(dǎo)線，確保輸電線路金屬導(dǎo)線的安全，而且也不會(huì)對(duì)于輸電設(shè)備造成傷害，減少不必要的經(jīng)濟(jì)支出。切割時(shí)，操作人員站在遠(yuǎn)處，也提高了工作人員的安全性。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

考慮到該類型激光的波長(zhǎng)特性匹配，選擇與之波長(zhǎng)和類型相匹配的C02激光擴(kuò)束鏡作為實(shí)驗(yàn)裝置，波長(zhǎng)均為10.6 μm，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

C02激光擴(kuò)束鏡的特點(diǎn)：①出射光準(zhǔn)直性好。②激光擴(kuò)束倍數(shù)從1.2倍至8倍，規(guī)格品種齊全。③可調(diào)型擴(kuò)束鏡能改善擴(kuò)散角高達(dá)（18～32）毫弧度的激光束的準(zhǔn)直度。④光能損耗小。⑤可在大功率條件下工作。⑥可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)加工

C02激光擴(kuò)束鏡分為固定式擴(kuò)束鏡和可調(diào)式擴(kuò)束鏡兩類，每類擴(kuò)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(kuò)束鏡。輸入透鏡和輸出透鏡是固定的，產(chǎn)品本身不可調(diào)整。固定式擴(kuò)束鏡分為直插式連接和螺紋旋鈕式連接（圖2）。

（2）可調(diào)式擴(kuò)束鏡。輸入透鏡和輸出透鏡之間的間距可以調(diào)節(jié)。根據(jù)不同的裝置需要，調(diào)整鏡片間距，以達(dá)到最佳的照射效果?？烧{(diào)式擴(kuò)束鏡分為直插式連接和螺紋旋鈕式連接（圖3）。

實(shí)驗(yàn)中選擇使用固定型擴(kuò)束鏡。因?yàn)榘惭b在激光清障裝置上的擴(kuò)束鏡已經(jīng)確定，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。擴(kuò)束鏡型號(hào)為1.2×，1.5×，2×，2.5×共4種類型。

圖2 固定式擴(kuò)束鏡

圖3 可調(diào)型擴(kuò)束鏡

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)用C02激光清障裝置波長(zhǎng)10 640 nm，輸出功率穩(wěn)定值300 W，有效距離100 m，激勵(lì)方式電激勵(lì)，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(guò)使用不同規(guī)格的激光擴(kuò)束鏡，同時(shí)不斷的改變激光的功率、電流進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，具體為測(cè)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(shí)驗(yàn)過(guò)程：作用距離50 m，使用不同規(guī)格的激光擴(kuò)束鏡，在相同功率下測(cè)量激光清障裝置燒蝕掉障礙物的功率密度，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄（表1），通過(guò)對(duì)光束質(zhì)量的計(jì)算，確定最佳的功率密度。實(shí)驗(yàn)光束質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值曲線見(jiàn)圖4。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 光束質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)曲線

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)，光束質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值反映的結(jié)果：在遠(yuǎn)距離激光清障裝置中使用1.5×擴(kuò)束鏡的清障效果最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

激光擴(kuò)束鏡在遠(yuǎn)距離激光清障裝置上的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，為了能夠有效地解決遠(yuǎn)距離激光清障裝置清除障礙物的效果，在作用距離內(nèi)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(jìn)行激光擴(kuò)束鏡的2個(gè)技術(shù)評(píng)價(jià)值的選擇，擴(kuò)散角的評(píng)價(jià)值和激光光束直徑的評(píng)價(jià)值；兩者的評(píng)價(jià)值相互作用形成影響激光清障裝置的清障效果關(guān)鍵指標(biāo)—激光光束質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值。激光光束質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)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(ài)敏，劉琳，吳泉英.激光擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)［J］.紅外，2007（8）：75-76.

［2］黃鐘德，王振聲.厚透鏡對(duì)高斯光束的變換及激光擴(kuò)束系統(tǒng)的倍率計(jì)算［J］.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1985（3）：45-47.

［3］黃欣欣.C02激光器頻率穩(wěn)定控制系統(tǒng)小型化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.