RFCO2激光电源类别与原理_百度文库讲解

RF CO2RF CO2 激光电源类别与原理激光电源类别与原理 1 1 引言引言 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 2 技术条件技术条件 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 3 原理电路原理电路 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=π UCmax/2R=（π 2/2R）（UCC－UCS）（6） 则输出功率： P0=U2Cmax/2R=（π 2/2R）（UCC－UCS）2（7） DC 输出功率： PDC=ICC.UCC=（π 2/2R）（UCC－UCS）UCC（8） C 极耗散功率： PC=PDC－P0=（π 2/2R）（UCC－UCS）UCS（9） 由此得出 C 极效率： η C=P0/PDC=（UCC－UCS）/UCC（10） 可见，晶体管饱和压降 UCS 越小、效率 η C 则越高，若 UCS→0，则 η C→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 4 结束语结束语 最后是关于激光头的准