RF CO2激光電源類(lèi)別與原理
1引言
自1973年第一臺射頻（RF）波導激光器問(wèn)世至今已26年多。最初是將線(xiàn)圈繞在波導上，實(shí)現了RF激勵波導激光器的發(fā)光。它首次顯示了低電壓激勵的優(yōu)越性。那時(shí)，還有許多不完善的地方。存在的主要缺點(diǎn)是：放電不均勻，耦合效率差、線(xiàn)圈電感太大，限制RF頻率的提高，只能在幾MHz以下工作等。
盡管已有26年多的研制、使用歷史，但當前它仍處于發(fā)展與改進(jìn)階段。其總的研制方向是：降低成本、增長(cháng)壽命、提高輸出功率和效率、減小體積和質(zhì)量，改進(jìn)可靠性，提高各項性能指標，以適應各種用途的需要。
RFCO2激光器工作頻率按ISM規定為27～40MHz；其主要分類(lèi)如下所述：
?。?font face="Times New Roman">1）按輸出方式分
1）連續輸出；
2）脈沖輸出——調制頻率高達1MHz；
3）Q開(kāi)關(guān)輸出——電光調Q與聲光調Q。
?。?font face="Times New Roman">2）按諧振腔的工作分
1）波導腔——孔徑D=1～3mm；
2）自由空間腔——孔徑D=4～6mm。
?。?font face="Times New Roman">3）按激勵極性分
1）單相；
2）反相。
?。?font face="Times New Roman">4）按腔體結構分
1）單腔；
2）多腔；
?。?font face="Times New Roman">a）折疊腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。
?。?font face="Times New Roman">b）列陣腔：短肩列陣；交錯列陣。
?。?font face="Times New Roman">c）積木式：并聯(lián)—2腔；三角組聯(lián)—3腔。
3）大面積放電
?。?font face="Times New Roman">a）平板型，（b）同心環(huán)型。
?。?font face="Times New Roman">5）按均恒電感分布方式分
1）準電感諧振技術(shù)—用于低電容激光頭；
2）平行分布電感諧振技術(shù)—用于高電容激光
頭。
?。?font face="Times New Roman">6）按諧振腔材料分
1）陶瓷—金屬混合型；2）全陶瓷型；3）全金屬型。
?。?font face="Times New Roman">7）按冷卻方式分
1）空氣冷卻；2）水冷卻。
?。?font face="Times New Roman">8）按封裝方式分
1）封離型；2）流動(dòng)型。
諧振腔的材料一般為：金屬—A1。陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等。
2技術(shù)條件
用于CO2激光器的典型工作氣體內含有：二氧化碳、氮、氦和氙。氮氣和氦氣有利于放電的均勻性。氙氣對RF放電激光器的功率和效率具有積極影響。添加5％氙氣可使功率提高24％。
通常單模結構器件，單位長(cháng)度注入的連續（射頻）激勵功率限于2～6W/cm，轉換效率為10％～20％，對激光電源的一般要求為：穩定可靠、維修方便、效率高、尺寸小、成本低。
具體技術(shù)條件如下：
輸入參數：交流輸入電壓220V；交流輸入電流1.5A；開(kāi)關(guān)電源輸出直流電壓30V；開(kāi)關(guān)電源輸出電流8A。
RF電源：輸入功率160W；工作頻率40MHz；輸出波形正弦波；帶寬△f±3MHz；效率70％。
調制器：脈沖調制頻率0～100kHz方波連續可調；占空比連續可調；幅度調制度100％。
3原理電路
RFCO2激光電源由5部分組成［1］，如圖1所示。
圖1 RF CO2激光器電源原理框圖
圖1中第1部分為整流濾波電路，采用全波橋式整流與電容濾波將220V交流變?yōu)?/font>311V平滑直流。第2部分為開(kāi)關(guān)電源，將311V直流變?yōu)?/font>100kHz脈沖電流，再經(jīng)電容、電感濾波后變?yōu)?/font>30V、8A直流。第3部分包括由振蕩器與放大器兩部分組成的RF電路（如虛線(xiàn)框內所示）。將輸入直流經(jīng)晶振變?yōu)?/font>40MHz，6W射頻。再經(jīng)14.28dB增益的放大器，放大后輸出為40MHz，160W。第4部分為脈沖工作的調制器。第5部分為匹配網(wǎng)絡(luò )。
本文將重點(diǎn)介紹第3部分和第4部分。電路如圖2所示。振蕩器由晶體管V2、電感線(xiàn)圈L1、電容器C5、C7、電阻R11、R12、石英晶體振蕩器G等組成。晶體振蕩電路產(chǎn)生6W、40MHz正弦振蕩波，經(jīng)3：1傳輸線(xiàn)變壓器T，推動(dòng)推挽功率放大器。推挽功率放大器由晶體管V3、V4，電感L3、L2，電阻器R13、R14、R15，電容器C9、C10和變壓器T組成D類(lèi)電流開(kāi)關(guān)推挽放大器，兩個(gè)晶體管輪流導通。為了追求小型化，提高效率是關(guān)鍵，因而采用D類(lèi)電流開(kāi)關(guān)推挽放大器是一種必然結果。這一點(diǎn)可由下述工作過(guò)程的分析清楚地看出。
當晶體管導通時(shí)，C極電流的基波分量為最大，回路中點(diǎn)電壓也等于最大值Umax，在中心點(diǎn)處的電壓平均值等于電源電壓。因此（當UCC≈30V時(shí)），
由此得出：
Umax=（π/2）（UCC－UCS）＋UCS（2）
C極回路兩端交流電壓峰值為：
UCmax=2（Umax－UCS）=π（Ucc－Ucs）（3）
基波分量振幅為：（2/π）ICC，因而回路產(chǎn)生基頻電壓振幅為：
UCmax=（2/π）ICCR（5）
將（3）式代入（5）式即得：
ICC=πUCmax/2R=（π2/2R）（UCC－UCS）（6）
則輸出功率：
P0=U2Cmax/2R=（π2/2R）（UCC－UCS）2（7）
DC輸出功率：
PDC=ICC.UCC=（π2/2R）（UCC－UCS）UCC（8）
C極耗散功率：
PC=PDC－P0=（π2/2R）（UCC－UCS）UCS（9）
由此得出C極效率：
ηC=P0/PDC=（UCC－UCS）/UCC（10）
可見(jiàn)，晶體管飽和壓降UCS越小、效率ηC則越高，若
UCS→0，則ηC→100％，這是D類(lèi)電流開(kāi)關(guān)推挽放大電路的優(yōu)點(diǎn)，為此設計時(shí)應注意盡量選取飽和壓降低的功率晶體管。
脈沖工作由圖1中第4部分調制器控制。調制器的原理電路見(jiàn)圖2，它以IC1與IC2為主體，組成幅度鍵控調制器，屬于數字信號調幅的線(xiàn)性調制器［3］。連續工作時(shí)，將圖2中S開(kāi)關(guān)置于OFF關(guān)斷位置。脈沖工作時(shí)，將S開(kāi)關(guān)置于ON接通位置。脈沖調制的工作過(guò)程是：利用一個(gè)矩形脈沖序列的基帶信號對振蕩器晶體管V2的振蕩幅度進(jìn)行控制。由控制振蕩電路的起振與停振達到調制的目的。由電位器RP4控制調制頻率，由RP7控制脈沖寬度。所以，調制頻率與調制脈寬皆可作到連續可調。
圖2RF電路原理圖
第5部分是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )。負載阻抗匹配的目的是消除不匹配負載的反射。方法是引入電抗性元件（電容、電感或傳輸線(xiàn)）。人為地產(chǎn)生一個(gè)或數個(gè)反射波。使它與原來(lái)不匹配負載產(chǎn)生的反射波相互抵消。使激光器的輸入阻抗與RF電源的輸出阻抗互為共軛復數。匹配網(wǎng)絡(luò )一般分為兩種，一種是集總參數匹配網(wǎng)絡(luò )，其主要形式有L型、T型、π型等［3］。這種匹配網(wǎng)絡(luò )的主要缺點(diǎn)是：插入耗損大、噪聲大、體積大。另一種是分布參數匹配網(wǎng)絡(luò )，是1/4波長(cháng)傳輸線(xiàn)，這就克服了上述集總參數匹配網(wǎng)絡(luò )的缺點(diǎn)。它的理論關(guān)系比較簡(jiǎn)單。由傳輸線(xiàn)任一點(diǎn)上的電壓和電流方程即可方便地導出下列1/4波長(cháng)（或1/4波長(cháng)奇數倍）阻抗交換方式為： Z0=（10）
式中Z1——電源輸出的阻抗；
Z2——激光器輸入的阻抗；
Z0——1/4傳輸線(xiàn)的特性阻抗。
1/4傳輸線(xiàn)采用SYV－50－3電纜。它一端接電源，另一端接激光頭。該RF電源如作積木式結構應用，同時(shí)可滿(mǎn)足輸出激光30W，60W等激光器的需要。
4結束語(yǔ)
最后是關(guān)于激光頭的準電感諧振技術(shù)。為了使輸入射頻沿激光器長(cháng)度，電壓分布均勻，加入一對電感并聯(lián)在諧振腔上下電極之間。這樣，由于電感負導納的補償作用，使激光器沿長(cháng)度上的駐波比大大下降，失配角小于9°，理論計算結果電壓不均勻度小于3％。