李達(dá)CO氣體激光器的激勵(lì)技術(shù)

1、CO2氣體激光器的激勵(lì)技術(shù)及其發(fā)展趨勢 李達(dá)11020435摘要: 本文要介紹了CO:氣體激光器的各種激勵(lì)方式及其特點(diǎn)，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對其各種性能做了對比，并指出從直流到交流、從低頻到高頻是CO:激光電源發(fā)展的總體過程和趨勢。關(guān)鍵詞：直流激勵(lì) 交流高頻激勵(lì) 射頻激勵(lì) 微波激勵(lì) 開關(guān)電源1.前言CO2激光器是最幣要、用途最廣泛的氣體激光器之一。按照激勵(lì)方式CO2氣體激光器可分為直流激勵(lì)、交流高頻激勵(lì)、射頻激勵(lì)和微波激勵(lì)。在CO2氣體激光器發(fā)展之初，激勵(lì)電源采用工頻變壓器升壓，然后以整流、濾波、電阻限流的直流方式維持氣體輝光放電。隨著電子元器件和電子技術(shù)的進(jìn)步，激光器電源也隨之快速發(fā)展，由直

2、流激勵(lì)到交流高頻激勵(lì)，到目前的熱點(diǎn)射頻激勵(lì)和微波激勵(lì)。從70年代末開始，國外進(jìn)行了高頻(HF) ,射頻( RF)、微波(MW)激勵(lì)工業(yè)用CO2激光器的研究。高頻激勵(lì)或稱無聲放電(SD)高功率CO2激光器，激勵(lì)頻率為100-200kHz獲得了1-5 kW的激光功率。射頻激勵(lì)恒流CO2激光器己獲得1-1OkW的功率輸出，最大功率有望達(dá)到100kW。德國90年代發(fā)展的8kW的振蕩器-放大器系統(tǒng)，使用頻率為2.45GHz的微波激勵(lì)。2直流激勵(lì)由于輸出功率大、技術(shù)簡單、成本低等因素，第一代工業(yè)用CO2激光器使用直流激勵(lì)，現(xiàn)在它仍占據(jù)著最大的市場。隨著半導(dǎo)體和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，CO2激光器直流激勵(lì)電源也

3、隨之由低頻工作方式向高頻工作方式的方向發(fā)展，從簡單的串聯(lián)線性調(diào)整電源到可控硅中頻電源，發(fā)展到高頻高效開關(guān)電源。直流激勵(lì)高頻開關(guān)電源替代低頻電源是激光工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。這是由于頻率的提高必然引起電子元件如電感、電容的小型化，使電源的體積和重量大大減小。2.1串聯(lián)線性調(diào)整電源這類電源的共性是需要單相或三相工頻高壓變壓器，根據(jù)初級或次級控制原理不同，可以分為以下幾種形式:單相阻容式、三相電抗變壓器式、電子管恒流式、三相可控硅恒流式。由于其設(shè)備笨重、體積大、效率低，己不適應(yīng)當(dāng)代激光技術(shù)的發(fā)展。2. 2可控硅中頻電源 中頻逆變電源由于工作頻率比工頻變壓器高2個(gè)數(shù)量級(一般為10 kHz以下)，使變壓器

4、體積明顯縮小?？煽毓杈哂性试S較大電流的優(yōu)點(diǎn)，故可用于功率較高的逆變電源。用這種技術(shù)做成的電源與普通阻容式電源相比，鎮(zhèn)流電阻只有前者一的1/8-1/15，體積、重量減小到1/3-1/4，成本不到1/3。2.3 PWM式DC-DC高頻開關(guān)電源 DC-DC高頻開關(guān)電源作為CO2氣體激光器的直流激勵(lì)源，不僅體積小、重量輕、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，而且具有連續(xù)和脈沖調(diào)制輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)激光電源的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。典型的PWM變換器式高頻開關(guān)電源工作形式有:單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋式全橋式等。這幾種開關(guān)電源都各有特點(diǎn):單端激勵(lì)式和推挽式電路簡單、所用元件少，但變壓器利用率低;全橋式和半橋式高壓開關(guān)晶體管

5、穩(wěn)態(tài)時(shí)最高施加電壓低，比推挽式低一半;推挽式和全橋式抗不平衡能力差，半橋式則很強(qiáng);推挽式和半橋式輸出功率大，適和作為中、大功率氣體激光電源。 PWM變換器式開關(guān)電源的工作頻率一般低于50kHz工作頻率難以進(jìn)一步提高，并存在著開關(guān)管易損壞的缺點(diǎn)。其原因是PWM技術(shù)的功率開關(guān)方式屬于硬開關(guān)，開關(guān)損耗和應(yīng)力較大。另外變壓器中不可避免地存在漏感，此漏感會引起尖峰電壓使集電極瞬時(shí)擊穿。2.4 諧振式開關(guān)電源 隨著激光器件和激光設(shè)備對電源要求的進(jìn)一步提高，現(xiàn)有的線性調(diào)整電源和PWM式開關(guān)電源己遠(yuǎn)不能滿足需求。高頻諧振變流技術(shù)為激光電源的發(fā)展開辟了新的途徑。諧振開關(guān)的目的是要改善半導(dǎo)體器件在功率變換電路內(nèi)的

6、開關(guān)條件，這是以在基本的PWM開關(guān)上加諧振元件的方法來實(shí)現(xiàn)的。為了提高工作頻率和效率，諧振變流技術(shù)由準(zhǔn)諧振技術(shù)(QRC)發(fā)展到多諧皆振技術(shù)(MRC)。諧振技術(shù)己經(jīng)開始在直流激勵(lì)的高頻高效激光電源( DC/DC)中研究和應(yīng)用，并且工作頻率達(dá)到MHz的諧振變流器( DC/AC)將成為交流激勵(lì)射頻激光電源發(fā)展的方向。3交流高頻激勵(lì)直流激勵(lì)激光器雖然應(yīng)用廣泛，但存在著以下缺點(diǎn): (1)鎮(zhèn)流電阻要消耗1/3 -1/4的能量，光電轉(zhuǎn)換效率低; (2）放電的不穩(wěn)定性，限制了注入功率密度的提高; (3）電源功率因數(shù)低，不利于節(jié)能; (4）很難做到連續(xù)一脈沖運(yùn)行轉(zhuǎn)換，無法滿足高性能激光加工的要求; (5）放電電

7、壓太高，給更高頻率的高壓電源的研制帶來困難。 為了改善CO2激光器的性能，克服直流激勵(lì)存在的缺點(diǎn)，提出了交流高頻放電CO2激光器技術(shù)。高頻放電頻率通常在幾十-幾百kHz其電路可采用晶體管和高頻變壓器組成逆變開關(guān)電源。 對高頻激勵(lì)CO2激光器電源的研究最初是從較低的頻率開始的。1977年，前蘇聯(lián)用10kHz交流電源作為激勵(lì)電源獲得了激光輸出。1988年，日本人研制了方形管狀電極結(jié)構(gòu)的2.5 kW基模CO2激光器，其電源頻率為100kHz。實(shí)驗(yàn)表明，采用高頻放電激勵(lì)提高了放電的穩(wěn)定性，在沒有任何匹配措施，也沒有加任何鎮(zhèn)流電阻的情況下，獲得了大面積均勻穩(wěn)定的輝光放電。而全晶體管化的電源減小了體積，意

8、味著這種放電激勵(lì)技術(shù)具有提高輸出功率的潛力，從而為CO2激光器的小型化研究提供了新的途徑。4射頻激勵(lì) 射頻激勵(lì)是CO2氣體激光技術(shù)發(fā)展的新方向，由于具有完全獨(dú)特的優(yōu)勢，近20年來得到了迅速的發(fā)展。射頻激勵(lì)技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)有:射頻氣體放電具有正向伏安特性，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)放電，電能利用率高;放電穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)大面積均勻放電;注入功率密度高，器件的體積大為縮小;工作電壓低，有利于提高器件壽命，并且使用安全;射頻波可實(shí)現(xiàn)高頻幅度調(diào)制，輸出光功率的控制程度高;能靈活地實(shí)現(xiàn)從連續(xù)到脈沖的轉(zhuǎn)換以及脈寬和脈沖頻率的調(diào)節(jié)等。射頻激勵(lì)的頻率范圍為1MHz到幾百M(fèi)Hz最初的射頻電源是將線圈繞在波導(dǎo)管上，雖然可以得到激光輸出

9、，但放電不均勻、耦合效率差、線圈電感大。隨著高頻電子技術(shù)的發(fā)展，射頻激勵(lì)電源技術(shù)也不斷進(jìn)步。90年代，日本采用頻率為13.56MHz的射頻電源做成的5kW的射頻CO2激光器，其脈沖輸出的最高重復(fù)頻率達(dá)到了10kHz。一般射頻電源核心由3部分組成:信號源、調(diào)制器和放大器。下面以一小型中小功率射頻CO2激光電源為例，簡單描述一卜其結(jié)構(gòu)和組成，圖1為電源原理框圖。圖1射頻電源原理框圖4.1輸入回路輸入電路的目的是把通過電源線傳向電網(wǎng)的噪聲抑制在允許的電平值以卜，使其不能對電網(wǎng)造成影響，同時(shí)使來自電網(wǎng)的噪聲不得串入振蕩回路。4.2振蕩回路振蕩回路主要是給電源提供信號源。CO2激光器對射頻電源頻率穩(wěn)定度

10、·有一定的要求，實(shí)驗(yàn)證明只要·能夠達(dá)到10（-2）/h的振蕩器都符合要求。LC振蕩器和非恒溫石英晶體諧振器頻率穩(wěn)定度都能滿足信號源要求。4.3放大回路由振蕩回路所產(chǎn)生的原始射頻功率很小，必須經(jīng)過放大回路進(jìn)行放大。由于目前射頻大功率晶體管單管輸出功率有限，要獲得足夠大的功率增益必須進(jìn)行功率疊加。解決的方案主要有功率合成和推挽兩種。射頻推挽功率放大器輸出功率可增加為單管輸出功率的2倍，且諧波抑制性較好，但必須在工作頻率較低時(shí)才容易實(shí)現(xiàn)。功率合成式放大電路是把功率放大元件按照2的數(shù)目經(jīng)過傳輸線變壓器逐級組合，最后輸出較大的功率。這種結(jié)構(gòu)的電源可靠性大大提高。4.4控制網(wǎng)絡(luò)脈沖射頻

11、CO2激光器的控制器，是電源脈沖電流的開關(guān)。主要作用是使電源具有調(diào)制信號輸出功能，這樣激光器既能進(jìn)行連續(xù)工作又能脈沖輸出。對它的設(shè)計(jì)要求是工作頻率和脈沖寬度連續(xù)可調(diào)。實(shí)際上它就是一個(gè)方波脈沖信號發(fā)生器，可由不同功能的集成電路組成，如函數(shù)發(fā)生器ICL8038,單運(yùn)放LM318,時(shí)基電路NE555和開關(guān)電源控制器XR3524等。4.5匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的主要目的是消除不匹配負(fù)載的反射，同時(shí)具有濾波的功能。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可分為:分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，主要是由1/4波長傳輸線組成;集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，主要是由電抗元件LC組成L型、T型,pi型網(wǎng)絡(luò)。由這些插入元件人為地產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)反射波相互抵消而達(dá)到匹配，

12、即使激光頭的輸入阻抗與射頻電源的內(nèi)阻互為共扼復(fù)數(shù)。一般說來，在400MH z以下的甚高頻(VHF)段，通常采用集中參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò);而在400MHz以上的超高頻(UHF)段，則需要分布參數(shù)的微帶線組成匹配網(wǎng)絡(luò)。雖然射頻激勵(lì)CO:激光器具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，但也存在著不少的缺點(diǎn):價(jià)格昂貴，電路復(fù)雜;同時(shí)射頻源存在輻射污染，匹配網(wǎng)絡(luò)互換性差。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這些問題會逐步得到解決。5微波激勵(lì)目前，射頻激勵(lì)CO2激光器最大的不足是需要十分昂貴的射頻功率發(fā)生器，而且運(yùn)行花費(fèi)高，這大大影響了它的廣泛使用。為此，人們嘗試其它新的激勵(lì)方式?，F(xiàn)在，這種研究在實(shí)驗(yàn)室己初步獲得成功，即采用微波(MW)放電方式激勵(lì)激

13、光器。微波激勵(lì)CO:激光器通常是將激光放電管置于微波波導(dǎo)或諧振腔中，通過微波行波場或駐波場使CO2氣體產(chǎn)生激發(fā)而獲得激光輸出。微波激勵(lì)頻率在1GHz以上，其放電電極形式多為螺旋型平行電極結(jié)構(gòu)，采用磁控管微波發(fā)生器作電源，電能用波導(dǎo)管傳輸。80年代末90年代初，德國和日本的科學(xué)家在這方面進(jìn)行了頗有成效的研究。 采用微波激勵(lì)既能減小射頻電源昂貴的花費(fèi)又能克服DC放電存在的不足，這正是近年來國外竟相研發(fā)MW激勵(lì)CO2激光器的主要原因。與其它激光器相比，采用MW激勵(lì)還具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn):放電管無電極，鏡片和氣體無污染;微波波導(dǎo)表面為基電位，沒有高壓危險(xiǎn);微波源很低廉(普通微波爐的磁控管即可)。利用微波激勵(lì)的這種特性制成的激光器清潔、緊湊、高效、安全。因此，研制開發(fā)這種激光器具有十分誘人的前景。但目前，利用微波激勵(lì)的CO2氣體激光器還有不少物理和工程的問題有待解決，離商業(yè)化的使用還有一段距離，國內(nèi)外正對其展開積極的探索和研究。6結(jié)束語 CO2激光器激勵(lì)電源的發(fā)展過程和總體趨勢為:從直流到交流，由低頻到高頻，再到射頻和微波，電源頻率不斷提高。相對十直流激勵(lì)，交流激勵(lì)激光器體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、高效節(jié)能，且放電電壓低，可以脈沖輸出。各種激勵(lì)方式的性能比較見表1。以現(xiàn)有的技術(shù)，射頻激勵(lì)具有最佳綜合性能，高頻激勵(lì)次之，微波激勵(lì)是一種很有希一望的技術(shù)，直流激勵(lì)將慢慢被淘汰。今后，高頻激