微型RF CO2激光電源

Micro－Power Supply of CO2 Laser

摘要：文章介紹了當前RFCO2激光器現狀與發展趨勢。詳細介紹了輸出激光15W所需160W的RF電源。主要內容包括：技術要求、設計方法、原理框圖、原理電路、工作原理、工作過程。該RF電源由振蕩器、推挽放大器及調制器組成。具有連續輸出和脈沖輸出兩種方式，連續工作頻率為40MHz，脈沖工作調制頻率為0～100kHz連續可調，電源體積僅為激光頭的1/4，電源質量為0.2kg，λ/4波長傳輸線0.1kg。整個電源小巧緊湊、成本低，便于裝配、調試與維修。

關鍵詞:二氧化碳激光器射頻電源振蕩器放大器調制器阻抗匹配

1引言

　　自1973年第一臺射頻（RF）波導激光器問世至今已26年多。最初是將線圈繞在波導上，實現了RF激勵波導激光器的發光。它首次顯示了低電壓激勵的優越性。那時，還有許多不完善的地方。存在的主要缺點是：放電不均勻，耦合效率差、線圈電感太大，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，但當前它仍處于發展與改進階段。其總的研制方向是：降低成本、增長壽命、提高輸出功率和效率、減小體積和質量，改進可靠性，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；其主要分類如下所述：

（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開關輸出——電光調Q與聲光調Q。

（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。

（3）按激勵極性分

1）單相；

2）反相。

（4）按腔體結構分

1）單腔；

2）多腔；

（a）折疊腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。

（b）列陣腔：短肩列陣；交錯列陣。

（c）積木式：并聯—2腔；三角組聯—3腔。

3）大面積放電

（a）平板型，（b）同心環型。

（5）按均恒電感分布方式分

1）準電感諧振技術—用于低電容激光頭；

2）平行分布電感諧振技術—用于高電容激光

頭。

（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。

（7）按冷卻方式分

1）空氣冷卻；2）水冷卻。

（8）按封裝方式分

1）封離型；2）流動型。

諧振腔的材料一般為：金屬—A1。陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等。

2技術條件

　　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。

圖1RFCO2激光器電源原理框圖

　　具體技術條件如下：

　　輸入參數：交流輸入電壓220V；交流輸入電流1.5A；開關電源輸出直流電壓30V；開關電源輸出電流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交流變為311V平滑直流。第2部分為開關電源，將311V直流變為100kHz脈沖電流，再經電容、電感濾波后變為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（如虛線框內所示）。將輸入直流經晶振變為40MHz，6W射頻。再經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部分為匹配網絡。

　　本文將重點介紹第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。晶體振蕩電路產生6W、40MHz正弦振蕩波，經3：1傳輸線變壓器T，推動推挽功率放大器。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類電流開關推挽放大器，兩個晶體管輪流導通。為了追求小型化，提高效率是關鍵，因而采用D類電流開關推挽放大器是一種必然結果。這一點可由下述工作過程的分析清楚地看出。

　　當晶體管導通時，C極電流的基波分量為最大，回路中點電壓也等于最大值Umax，在中心點處的電壓平均值等于電源電壓。因此（當UCC≈30V時），

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，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類電流開關推挽放大電路的優點，為此設計時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性調制器[3]。連續工作時，將圖2中S開關置于OFF關斷位置。脈沖工作時，將S開關置于ON接通位置。脈沖調制的工作過程是：利用一個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部分是阻抗匹配網絡。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）。人為地產生一個或數個反射波。使它與原來不匹配負載產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。匹配網絡一般分為兩種，一種是集總參數匹配網絡，其主要形式有L型、T型、π型等[3]。這種匹配網絡的主要缺點是：插入耗損大、噪聲大、體積大。另一種是分布參數匹配網絡，是1/4波長傳輸線，這就克服了上述集總參數匹配網絡的缺點。它的理論關系比較簡單。由傳輸線任一點上的電壓和電流方程即可方便地導出下列1/4波長（或1/4波長奇數倍）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傳輸線的特性阻抗。

1/4傳輸線采用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，同時可滿足輸出激光30W，60W等激光器的需要。

4結束語

　　最后是關于激光頭的準電感諧振技術。為了使輸入射頻沿激光器長度，電壓分布均勻，加入一對電感并聯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％。

　　有關過流、過壓、過熱保護電路、顯示電路、安全延時電路、自診斷等輔助電路，本文不再一一贅述。