激光扩束镜在激光清障装置上的应用

尹汉标

(东莞供电局寮步供电分局，广东东莞 523000)

0 引言

应用于输电线路远距离激光清障装置上的激光准直扩束镜，具备扩束性能和准直性能两种主要特性。所谓扩束性能是指将入射激光的光束直径扩大（即光斑变大或称为束腰变大）；而准直性能是指将入射激光的光束扩散角减小，从而使入射激光光束的准直度获得提高。由于扩束镜存在这2个特性，因此被用于输电线路远距离激光清障装置系统上，使得输电线路远距离激光清障装置的清障效率和能力得以更好的实现。

作为输电线路远距离激光清障装置的主要工作原理,是将一定能量的激光束通过远距离传输投射到输电线路的障碍物或漂浮物上，利用激光本身的能量将障碍物或漂浮物清除。要求激光束在经过远距离传输后能量损耗尽可能的小。以便达到清除障碍物的目的。因此需要综合考虑激光扩束镜的特点和用途，合理利用激光扩束镜扩束性能和准直性能的特点，选择所能达到最佳激光光束质量的扩束镜，可以有效地解决输电线路远距离激光清障装置的清障效率能力。

1 激光扩束镜的工作原理

与一般的激光发射系统相比，输电线路远距离激光清障装置系统对激光发射系统中的激光主要光学系统的整体性能提出了更高的要求，不仅要求该系统的准直性好，而且要求整个光学系统具有高抗光损耗、高能量密度、热能量扩散小等特点[1]。

激光扩束镜系统由2片透镜组成，其中一片是靠近入射端的凹透镜(也称为输入负透镜)；另一片是靠近出射端的凸透镜（也称为输出正透镜）；入射端的凹透镜将一个具有虚焦点的激光束投射到出射端的凸透镜上，由此两面透镜构成了虚拟的共用焦点结构（即凹透镜的虚焦点与凸透镜的虚焦点重合为一点）。

如图1所示，入射激光束投射到输入端的凹透镜上，激光束聚焦在虚焦点上，产生的一个新的光束束腰W0和新的扩散角θ，理论计算分别为公式（1）和公式（2），由此推算出公式（3）。

图1 激光扩束镜原理

式中 W（h）——入射激光束在入射镜上的光束半径

f1——入射端凹透镜的焦距

f2——出射端凸透镜的焦距

λ——入射激光光束的波长，是一个常量

W0——入射激光束的束腰

由于W0的焦点投射到输出端凸透镜的后焦点平面上，同时如图1所示输出端凸透镜的焦距f2大于输入端凹透镜的焦距f1，激光光束的扩散角减小，光束会被扩束镜准直。其准直倍率见公式（4）。

公式（4）中,T1=f2/f（1即激光扩束镜的倍数）；θ表示入射激光光束的扩散角；W0表示入射激光光束的束腰。经过入射端和出射端的2片透镜组成的激光扩束镜后，产生第二个新的激光光束束腰W0″和扩散角θ″，这就是经过扩束镜扩束和准直后的激

光光束所产生的束腰和扩散角，计算见公式（5）和公式（6）。

从公式（1～6）中可以判断出，T1越大，则T越大，T越大则θ″越小。其中T1为扩束镜的倍数，θ″为扩散角。由此得扩束镜倍数越大，则扩散角越小。同时经过扩束镜的束腰W0″和f2及T呈正比例变化，即 f2越大，则T越大，W0″就越大，其光束直径就越大，在入射光束能量恒定不变的情况下，经过扩束镜扩束的光斑直径越大，作用距离内单位面积的激光能量密度就越小。这会对激光装置远距离清除障碍物产生不利的影响。

综上，引入一个新的概念---光束质量。而光束质量评价值可以作为衡量激光扩束镜性能的唯一标准。光束质量评价值是束腰半径和扩散角的乘积；压缩扩散角的同时将伴随束腰半径的增加，则光束束腰增大。因此光束质量才是衡量适合激光清障装置的扩束镜的最佳指标。如果要通过扩束镜改变激光的光束质量，简单的增加或减少扩束镜的倍数是不可行的，只有通过不断的实验，得到具体的数据，再对数据的综合分析才能选取光束质量最佳且适合远距离激光清障装置的扩束镜。

2 实验选择激光扩束镜

2.1 远距离激光清障装置的特性

主要针对C02激光器作为激光清障装置进行实验，主要原因是C02激光器发射出的激光可以快速对非金属材料进行切割，遇到金属材料则会进行反射。而且该激光器的功率、有效距离、作用时间都能人为设定、调整与改变，所以操作灵活[2]。不仅不会伤害输电线路的金属导线，确保输电线路金属导线的安全，而且也不会对于输电设备造成伤害，减少不必要的经济支出。切割时，操作人员站在远处，也提高了工作人员的安全性。

2.2 实验设计准备

考虑到该类型激光的波长特性匹配，选择与之波长和类型相匹配的C02激光扩束镜作为实验装置，波长均为10.6 μm，满足实验的要求。

C02激光扩束镜的特点：①出射光准直性好。②激光扩束倍数从1.2倍至8倍，规格品种齐全。③可调型扩束镜能改善扩散角高达（18～32）毫弧度的激光束的准直度。④光能损耗小。⑤可在大功率条件下工作。⑥可以根据用户要求进行设计加工

C02激光扩束镜分为固定式扩束镜和可调式扩束镜两类，每类扩束镜按安装连接方式分为直插式连接和螺纹式连接2种。

（1）固定式扩束镜。输入透镜和输出透镜是固定的，产品本身不可调整。固定式扩束镜分为直插式连接和螺纹旋钮式连接（图2）。

（2）可调式扩束镜。输入透镜和输出透镜之间的间距可以调节。根据不同的装置需要，调整镜片间距，以达到最佳的照射效果。可调式扩束镜分为直插式连接和螺纹旋钮式连接（图3）。

实验中选择使用固定型扩束镜。因为安装在激光清障装置上的扩束镜已经确定，不需要进行调节。扩束镜型号为1.2×，1.5×，2×，2.5×共4种类型。

图2 固定式扩束镜

图3 可调型扩束镜

2.3 实验过程

实验用C02激光清障装置波长10 640 nm，输出功率稳定值300 W，有效距离100 m，激励方式电激励，最大输出功率300 W，起辉电压（27～29）kV，激光模式为多低阶膜，光斑直径（6±1）mm。

通过使用不同规格的激光扩束镜，同时不断的改变激光的功率、电流进行对照实验，根据实验数据进行判定，具体为测量激光器烧蚀掉异物材料的功率密度，清除能力、清除效率的判定。

实验过程：作用距离50 m，使用不同规格的激光扩束镜，在相同功率下测量激光清障装置烧蚀掉障碍物的功率密度，并对相关数据进行记录（表1），通过对光束质量的计算，确定最佳的功率密度。实验光束质量综合评价值曲线见图4。

表1 实验数据

图4 光束质量综合评价曲线

2.4 实验结果

通过实验和计算数据，光束质量综合评价值反映的结果：在远距离激光清障装置中使用1.5×扩束镜的清障效果最佳。

3 结语

激光扩束镜在远距离激光清障装置上的应用实验表明，为了能够有效地解决远距离激光清障装置清除障碍物的效果，在作用距离内尽量保持激光光束的能量密度，减少激光光束的损耗，需要进行激光扩束镜的2个技术评价值的选择，扩散角的评价值和激光光束直径的评价值；两者的评价值相互作用形成影响激光清障装置的清障效果关键指标—激光光束质量的综合评价值。激光光束质量综合评价值越高，则激光光束能量密度也就大，能量损失越小。

［1］樊丽娜，朱爱敏，刘琳，吴泉英.激光扩束望远镜的光学设计［J］.红外，2007（8）：75-76.

［2］黄钟德，王振声.厚透镜对高斯光束的变换及激光扩束系统的倍率计算［J］.沈阳工业大学学报，1985（3）：45-47.

［3］黄欣欣.C02激光器频率稳定控制系统小型化研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.