rf co2激光电源类别与原理

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1、RFCO2激光电源类别与原理　　1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

2、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

3、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～

4、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1RFCO2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

5、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

6、，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

7、（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）