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激光器电感脉冲RF CO2激光电源类别与原理

自1973年第一台射频(RF)波导激光器问世至今已26年多。最初是将线圈绕在波导上,实现了RF激励波导激光器的发光。它首次显示了低电压激励的优越性。那时,还有许多不完善的地方。存在的主要缺点是:放电不均匀,耦合效率差、线圈电感太大,限制RF频率的提高,只能在几MHz以下工作等。

  尽管已有26年多的研制、使用历史,但当前它仍处于发展与改进阶段。其总的研制方向是:降低成本、增长寿命、提高输出功率和效率、减小体积和质量,改进可靠性,提高各项性能指标,以适应各种用途的需要。

  RFCO2激光器工作频率按ISM规定为27~40MHz;其主要分类如下所述:

  (1)按输出方式分

  1)连续输出;

  2)脉冲输出——调制频率高达1MHz;

  3)Q开关输出——电光调Q与声光调Q。

  (2)按谐振腔的工作分

  1)波导腔——孔径D=1~3mm;

  2)自由空间腔——孔径D=4~6mm。

  (3)按激励极性分

  1)单相;

  2)反相。

  (4)按腔体结构分

  1)单腔;

  2)多腔;

  (a)折叠腔:V型——2折;Z型——3折;X型——4折。

  (b)列阵腔:短肩列阵;交错列阵。

  (c)积木式:并联—2腔;三角组联—3腔。

  3)大面积放电

  (a)平板型,(b)同心环型。

  (5)按均恒电感分布方式分

  1)准电感谐振技术—用于低电容激光头;

  2)平行分布电感谐振技术—用于高电容激光

  头。

  (6)按谐振腔材料分

  1)陶瓷—金属混合型;2)全陶瓷型;3)全金属型。

  (7)按冷却方式分

  1)空气冷却;2)水冷却。

  (8)按封装方式分

  1)封离型;2)流动型。

  谐振腔的材料一般为:金属—A1。陶瓷—BeO,BN、AIN、Al2O3等。

  2技术条件

  用于CO2激光器的典型工作气体内含有:二氧化碳、氮、氦和氙。氮气和氦气有利于放电的均匀性。氙气对RF放电激光器的功率和效率具有积极影响。添加5%氙气可使功率提高24%。

  通常单模结构器件,单位长度注入的连续(射频)激励功率限于2~6W/cm,转换效率为10%~20%,对激光电源的一般要求为:稳定可靠、维修方便、效率高、尺寸小、成本低。

  具体技术条件如下:

  输入参数:交流输入电压220V;交流输入电流1.5A;开关电源输出直流电压30V;开关电源输出电流8A。

  RF电源:输入功率160W;工作频率40MHz;输出波形正弦波;带宽△f±3MHz;效率70%。

  调制器:脉冲调制频率0~100kHz方波连续可调;占空比连续可调;幅度调制度100%。

  3原理电路

  RFCO2激光电源由5部分组成[1],如图1所示。

  

图1 RF CO2激光器电源原理框图

  图1中第1部分为整流滤波电路,采用全波桥式整流与电容滤波将220V交流变为311V平滑直流。第2部分为开关电源,将311V直流变为100kHz脉冲电流,再经电容、电感滤波后变为30V、8A直流。第3部分包括由振荡器与放大器两部分组成的RF电路(如虚线框内所示)。将输入直流经晶振变为40MHz,6W射频。再经14.28dB增益的放大器,放大后输出为40MHz,160W。第4部分为脉冲工作的调制器。第5部分为匹配网络。

  本文将重点介绍第3部分和第4部分。电路如图2所示。振荡器由晶体管V2、电感线圈L1、电容器C5、C7、电阻R11、R12、石英晶体振荡器G等组成。晶体振荡电路产生6W、40MHz正弦振荡波,经3:1传输线变压器T,推动推挽功率放大器。推挽功率放大器由晶体管V3、V4,电感L3、L2,电阻器R13、R14、R15,电容器C9、C10和变压器T组成D类电流开关推挽放大器,两个晶体管轮流导通。为了追求小型化,提高效率是关键,因而采用D类电流开关推挽放大器是一种必然结果。这一点可由下述工作过程的分析清楚地看出。

  当晶体管导通时,C极电流的基波分量为最大,回路中点电压也等于最大值Umax,在中心点处的电压平均值等于电源电压。因此(当UCC≈30V时),

  由此得出:

  Umax=(π/2)(UCC-UCS)+UCS(2)

  C极回路两端交流电压峰值为:

  UCmax=2(Umax-UCS)=π(Ucc-Ucs)(3)

  基波分量振幅为:(2/π)ICC,因而回路产生基频电压振幅为:

  UCmax=(2/π)ICCR(5)

  将(3)式代入(5)式即得:

  ICC=πUCmax/2R=(π2/2R)(UCC-UCS)(6)

  则输出功率:

  P0=U2Cmax/2R=(π2/2R)(UCC-UCS)2(7)

  DC输出功率:

  PDC=ICC.UCC=(π2/2R)(UCC-UCS)UCC(8)

  C极耗散功率:

  PC=PDC-P0=(π2/2R)(UCC-UCS)UCS(9)

  由此得出C极效率:

  ηC=P0/PDC=(UCC-UCS)/UCC(10)

  可见,晶体管饱和压降UCS越小、效率ηC则越高,若

  UCS→0,则ηC→100%,这是D类电流开关推挽放大电路的优点,为此设计时应注意尽量选取饱和压降低的功率晶体管。

  脉冲工作由图1中第4部分调制器控制。调制器的原理电路见图2,它以IC1与IC2为主体,组成幅度键控调制器,属于数字信号调幅的线性调制器[3]。连续工作时,将图2中S开关置于OFF关断位置。脉冲工作时,将S开关置于ON接通位置。脉冲调制的工作过程是:利用一个矩形脉冲序列的基带信号对振荡器晶体管V2的振荡幅度进行控制。由控制振荡电路的起振与停振达到调制的目的。由电位器RP4控制调制频率,由RP7控制脉冲宽度。所以,调制频率与调制脉宽皆可作到连续可调。

  

图2RF电路原理图

  第5部分是阻抗匹配网络。负载阻抗匹配的目的是消除不匹配负载的反射。方法是引入电抗性元件(电容、电感或传输线)。人为地产生一个或数个反射波。使它与原来不匹配负载产生的反射波相互抵消。使激光器的输入阻抗与RF电源的输出阻抗互为共轭复数。匹配网络一般分为两种,一种是集总参数匹配网络,其主要形式有L型、T型、π型等[3]。这种匹配网络的主要缺点是:插入耗损大、噪声大、体积大。另一种是分布参数匹配网络,是1/4波长传输线,这就克服了上述集总参数匹配网络的缺点。它的理论关系比较简单。由传输线任一点上的电压和电流方程即可方便地导出下列1/4波长(或1/4波长奇数倍)阻抗交换方式为: Z0=(10)

  式中Z1——电源输出的阻抗;

  Z2——激光器输入的阻抗;

  Z0——1/4传输线的特性阻抗。

  1/4传输线采用SYV-50-3电缆。它一端接电源,另一端接激光头。该RF电源如作积木式结构应用,同时可满足输出激光30W,60W等激光器的需要。

  4结束语

  最后是关于激光头的准电感谐振技术。为了使输入射频沿激光器长度,电压分布均匀,加入一对电感并联在谐振腔上下电极之间。这样,由于电感负导纳的补偿作用,使激光器沿长度上的驻波比大大下降,失配角小于9°,理论计算结果电压不均匀度小于3%。

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