（物理电子学专业论文）射频COlt2gt激光器电源和控制技术研究及实践.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 射频激励技术在c o 。激光器中的应用给c 0 z 激光器的发展注入了新的潺力。本文围 绕射频激励c 0 ：激光器这一中心展开论述。 文章蓄兔奔绍了瓣菝激瓣c 侥激光器二+ 多年静发震嚣雯及磷究现状。接麓麸添 理入手，给出了射频激励c o ，激光器放电理论模型及放电腔的等效阻抗计算方法，分 析了射频激励频率对激光器工作特性的影响，并介绍了射频激励c o , 激光器功率控制 原理。 然后，以2 5 w 射频激励c 0 2 激光器为侧，论述了射频电源各部分的设计方法，绘 出了采用新型高频大功率晶体管放大器模块及以微带线作为阻抗匹配网络的新型电 源设计方案，著怼采孺本浚计毫深静射频c ( h 激光器系统静输密功率、模式、发散角 等参数进行了测量。 此外，射频激励c o 。激光器可用p w m 波进行调制的特性使得用计算机控制激光器 输出裁为可能。本文分耩了计算辊对射籁激励e 氇激巍器进行控镧所需要豹接日功麓， 并给出了接口备模块的设计方法。 本文还就射频激励c o 。激光器在加工中的应用需求，提如了激光在线标刻系统软 牛静设计方法，并对其基本算法耩在线薪特毪进行了研究，给出了激光奁线标刻软件 基本算法类霹结构。 最后，介绍了基于上述设计方法实现的射频激励c o , 激光器加工系统在医药、电 子、服装等章予嬗静龟g 新性藏焉。 关键词l 射频c o 。激光器射频电源计算机接口激光在线标刻 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r a s t e dw i t l lt h ec o n v e n t i o n a ld c - e x c i t e dt e c h n o l o g y ，r f - e x c i t e dt e c h n o l o g yg a v e m a n ya d v a n t a g e s t oc 0 2l a s e r r f - e x c i t e dc 0 2l a s e ra n di t sn e wa p p l i c a t i o n sw e r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r a tf i r s t ，t h eh i s t o r ya n da c t u a l i t yo fr f - e x c i t e dc 0 2l a s e rw e r ep r e s e n t e d t h e n ，t h i s p a p e ra n a l y z e dt h em o d e lo f r f d i s c h a r g ea n d t h ei m p e d a n c eo fs e a l e dc 0 2l a s e rh e a d i t w a sa l s od i s c u s s e da b o u tr f - e x c i t e d f r e q u e n c y a n dt h ep o w e r c o n t r o l l i n gm e t h o d s e c o n d l y ，a st h ec o r es e c t i o no f r f - e x c i t e dc 0 2l a s e rs y s t e m ，t h er fp o w e rw a s c o n s i d e r e d an e w t y p e o f r f p o w e r w a s d e v e l o p e da n dp r o d u c e ds u c c e s s f u l l y ，w h i c h u s e d s o m en e w t e c h n o l o g i e ss u c ha sh i g hf r e q u e n c yp o w e r t r a n s i s t o ra n dm i c r o s t r i pt r a n s m i t l i n e t h e s en e wc h a r a c t e r sm a d et h er f p o w e r l o w e rc o s ta n dm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e f u r t h e rm o r e ，t h i sp a p e rg a v et h em e a s l l r e m e n td a t ao ft h el a s e re x c i t e db yt h en e wr f p o w e r ，i n c l u d eo u t p u tp o w e r , b e a m m o d ea n d d i v e r g e n c ea n g l e 。 t h i r d l y ，i tb e c a m ea v m l a b l et h a tc o m p n t e rc o u l dc o n t r o lt h er f - e x c i t e dc 0 2 l a s e r b e c a u s eo f u s i n gp w ms i g n a la sm o d u l a t i o ns o u r c e t l l i sp a p e ra n a l y z e dt h ef u n c t i o no f c o m p u t e r i n t e r f a c ef o rc o n t r o l l i n gr f e x c i t e dc 0 2l a s e ra n di t sa p p l i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h e n g a v e o u tan e w t y p eo f c o m p u t e r i n t e r f a c ec i r c u i t f o u r t h l y , t h es o f t w a r ea p p l i e d t ol a s e ro n l i n em a r ks y s t e mw a si n t r o d u c e d t h e a l g o r i t h mo fg r a p hm a r k i n g a n ds o m en e wo 越i n ec h a r a c t e r sw e r ed i s c u s s e d f u r t h e rm o r e ， t h ec + + c l a s s e so f t h es o f t w a r eu s e di nl a s e ro n l i n em a r ks y s t e mw e r ep r e s e n t e d a tl a s t ，s o m en e w a p p l i c a t i o n sa b o u tr f - e x c i t e dc 0 2 l a s e rw e r ea n n o u n c e d ，w h i c h 帑锵s u c c e s s f u l l ya p p l i e d t os o m ed i f f e r e n tf i e l d ss u c ha sm e d i c i n e e l e c t r o na n d r a g t r a d e k e y w o r d s ：r f - e x c i t e dc c hl a s e r c o m p u t e r i n t e r f a c e r f p o w e r l a s e rm a r ko n l i n e i i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 射频激励c o ：激光器是c o s 激光器技术的新发展。由于其具有长寿命，放电均匀稳 定，注入功率密度高，工作电压低，输出功率方便可调，并能灵活地实现从连续到脉 冲的转换以及脉宽和频率可调等优点，近2 0 年来得到了迅速的发展。 射频激励技术的突出优点有：射频气体放电具有正向伏安特性，可实现持续放电， 电能利用效率高，而直流气体放电具有负向伏安特性，需串联镇流电阻才能持续放电， 电能利用效率低；射频放电均匀稳定，可实现大面积均匀放电，注入功率密度高，而 且器件的体积大为缩小；工作电压低，因而有利于提高器件寿命，并且使用安全；射 频波可实现高频幅度调制，调制频率可达i o o k h z ，因此输出光功率的控制程度高，并 能灵活地实现从连续到脉冲的转换以及脉宽和脉冲频率的调节等。 本章将简要介绍射频c 0 ：激光器技术二十多年来的发展情况，并对射频c 0 。激光器 的不同谐振腔结构进行分类。然后介绍了目前成熟的射频c 0 ：激光器产品情况以及射 频c o s 激光器在加工中的应用。最后从我国对射频c o ：激光器技术的研究相对滞后的状 况，提出了本课题的研究目的并介绍课题主要工作内容。 1 1 射频c 0 。激光器的发展 1 9 7 9 年，l a a k m a n n s 等人描述了第一个完整的横向激励射频c 0 。激光器方案。它 采用正方形截面的射频放电腔结构，由金属和陶瓷材料共同构成。 八十年代，随着射频波导c o ：激光器技术趋于成熟，波导c 0 。激光器逐渐供应市场， 包括技术成熟的全陶瓷结构和金属一陶瓷结构的射频激励c 0 。激光器，以及随后发展起 来的全金属结构封离型射频波导c 0 2 激光器。同时，随着市场需求的增加，为了实现 在有限体积内得到更高的激光功率输出，板条和波导阵列c o ：激光器技术也开始出现。 1 9 8 1 年，扩散冷却板条结构的射频激励c 0 ：激光器被发明，以后的发展证明，它 是有史以来最好的中小功率射频激励c 0 。激光器。 科技的发展使得在激光装置的性能、波导谐振腔物理和射频激励激光物理方面都 取得了显著的进展。在此基础上，l a a k m a n n s 等人于1 9 8 5 年创造性地将最新射频技术 与激光技术有机地结合在一起，诞生了全新的全金属结构射频激励c 0 。激光器。 在单波导激光器发展的同时，美国的d y o u m a n s 等人于1 9 8 4 年提出了波导阵列 华中科技大学硕士学位论文 c o z 激光器技术。随后，人们不断提出多种不同的波导阵列结构，并从一维结构发展 到二维结构。1 9 8 6 年，美国u t r c 的l a n e w m a n 等人采用空心脊波导阵列0 1 。这种结 构实际上是几个波导单元平行排列而成，但相邻波导单元间的波导壁上有小槽，通过 选择各波导之间公共壁的高度及厚度可使阵列中各波导单元间的光耦合，从而达到相 位锁定和高功率相干输出。在2 单元和3 单元阵列中，可获得5 0 w 的相位锁定输出； 在3 7 c m 长5 单元列阵中，获得1 0 5 w 的部分相位锁定输出。1 9 8 7 年，法国的b o u r d e t 等人提出的自聚焦波导阵列。1 ，在5 0 c m 长的9 波导中，获得了1 2 0 w 单频衍射极限输 出，2 0 0 w 的多模输出。 1 9 8 9 年，英国的d r h a l l 等人首次报道了面增比技术“1 ，这使得射频激励扩散冷 却大功率c 0 2 激光器技术在九十年代得到了迅速的发展。 1 9 9 0 年，德国d l r 技术物理研究所的n o w a c k 等人在s p i e 会议上发表了射频激励 扩散型冷却大功率c 0 ：激光器技术的学术论文“1 ，他们在实验室获得了5 0 0 w 的激光功 率输出，激光器电极长度为4 2 0 m m ，放电区横截面尺寸为7 0 1 5 m m2 ，从技术上论证 了实现千瓦级扩散型冷却大功率c 0 2 激光器的可能性。1 9 9 2 年，英国的d r h a l l 等 人报道了射频激励板条扩散型冷却千瓦输出c o ：激光器嘲，其电极长度为7 7 0 m m ，放电 区横截面尺寸为9 5 2 m m 2 。同年，英国的d r h a l l 等人报导了单板条c 0 2 激光器”3 ， 在2 9 5 7 7 0 m m 的激活体积内，获得1 0 6 k w 激光输出，光电转换效率为1 2 。1 9 9 4 年，加拿大a l l e r t a 大学y e l d e n 等人报道了径向排列的板条式c 0 ：激光器0 3 。1 9 9 6 年， 日本t o s h i b a 公司重仪器工程实验室也报道了电源与激光头一体的1 0 0 0 w 射频激励扩 散型冷却板条波导c 0 。激光器0 1 。 此外，在1 9 9 3 年，意大利国家光学研究所的a l a p u c c i 等人报导了三层叠式板条 c o 。激光器“。3 0 0 w 输入，获得2 5 w 输出，光斑为三束枣核形。尽管效果不尽如人意， 但开创了层叠式板条c 0 ：激光器结构的先河。 面增比技术在促进板条射频c 0 ：激光器发展的同时，也促使了同轴结构大功率c o ： 激光器的出现和发展。1 9 9 4 年，德国的f r a u n h o f e r 激光技术研究所的e h r l i c h m a n n 等人“，提出了一种环形非稳腔结构，利用同轴放电形成的环形增益与环形非稳腔匹 配，获得1 k w 的激光功率输出。其结构电极长度为1 1 5 0 m m ，放电区等效横截面尺寸为 华中科技大学硕士学位论文 1 5 0 ) ，则a 成立。 电子在各种碰撞过程中损失能量，单位时间内一个电子损失的能量为： 呒。= a 形一( z ) ( 2 1 0 ) 式中，彬为电子在第i 类碰撞中损失的能量，i 指c o ：激光等离子体的微观过程中能 引起电子能量损失的碰撞过程， 稳态时，电子的能量平衡方程为： 孟茜既= 军a w , n j k j ( t , ) 他1 1 这一方程给出了电子温度和电场之间的对应关系。 2 2 4 电流连续性方程 射频放电中整个回路的电流是连续的，即空间各点由传导电流和位移电流组成的 总电流是相等的，且恒等于外电路上的电流。 。( f ) = “，。e ，( ：，) + f 。掣 ( 2 1 2 ) 其中，i ，( t ) 为电流密度，若不考虑非线性效应的影响，电流密度与电场一样都是正 弦函数，由式( 2 1 2 ) 即可得到电场的方均根值及其相位为： e 。= 0i ( e n l g ) z 十( ) 2 ( 2 1 3 ) 协n ( 妒) = 一6 0 mi e n l _ f 。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 5 上能级激发效率与注入功率 单位时间内传输给某一特定过程的能量与总的注入功率的比值即为该过程的激发 效率。我们感兴趣的是c o ：上能级0 0 o1 的激发效率，若只考虑c 仉混合气体中对该能 级的两种主要激发途径，电子直接碰撞激发和共振转移激发，则上能级0 0 o1 的激发 效率可表示为： 删2 吼( x ) + 嘣x ) 2 两m e ( 呦c 0 2 坝x ) + 。 2 k - 。t ( x ” ( 2 1 4 ) 空间任意一点的注入功率密度为： w ( x ) = p 疗( 。( x ) + 。( x ) ) e ，r 2 ( 2 1 5 ) 2 3 射频激励c 0 ：激光器放电管的等效阻抗 射频激励c o 。激光器放电管的等效阻抗与腔体结构、气压、放电电压、放电电流 均有很大的关系。对于毫米级电极间距的射频激励c 0 ：激光器，其放电管等效阻抗一 般可表示为电极极间电容和放电时等离子体复阻抗的并联。没有放电时，仅有电极极 间电容；放电产生后，要考虑上述两项阻抗的并联1 。 图2 2 ( a ) 是激光放电管放电示意图，放电通道为全对称树枝状结构，放电管的 等效电路如图2 2 ( b ) 所示，放电区可等效为一并联电阻r d 和并联电容c 。电容c 取 决于放电管材料及尺寸，电阻r 。取决于气体压强及成分、射频频率、注入功率。 ( a )( b ) 图2 2 激光头等效放电示意图 射频放电的等效阻抗可表示为 2 3 1 r d 1 4 华中科技大学硕士学位论文 弘阱珊，鼽r e = 去( + z 汕= 笔一嚣 亿 为碰撞频率( 3 x 1 0 9 3 l o “h z ) ，h 为电极间距( 通常l 5 m m ) ，可为电子平均漂 移速度( 1 0 6 1 0 8 c m s ) ，4 、4 分别为鞘层厚度( 通常 0 1 c m ) ，s 为放电面积( c m 2 ) ， 吃为电子数密度( 一般1 0 8 1 0 “c m - , ) 。 2 4 射频激励频率讨论 实验研究表明“”，放电击穿电场强度随射频激励频率的增加有一个最小值。当频 率较低时，随着频率的增加，电子与气体粒子碰撞次数增加，电离作用加强，击穿电 场强度降低。当频率提高，电子运动幅度变小，电子从电场获得的能量减小，电离作 用反而减弱，击穿电场强度升高。 对于放电稳定性而言，较低的频率会使放电不稳定。这是由于当射频激励频率下 降时，电极间交替变化的电场极性不能迅速反转，因而电子运动距离增加，容易漂移 到整个放电区，从而使放电不稳定。因此，对于具有2 0 2 5 m m 的金属一陶瓷波导激 光器，激励频率应大于4 0 m h z 。 对于激光器输出功率而言，随着激励频率的增加，在两电极中间形成较大的均匀 放电“正柱区”，激光器的输出功率进一步提高。所以，提高激励源的工作频率有利 于提高激光器输出功率。但是，随着频率不断提高，射频放电“正柱区”不断变大， 正电荷鞘层厚度就相应地减小，e n 不断增加。对于某一给定的气体混合物，为了能 量有效地转移到c o , 分子的激发态，e n 值存在一最佳值。例如，对于3 ：1 ：1 ( h ： n z ：c o z ) 的混合气体，最佳e n 值约为2 x1 0 1 。v c m 2 。因此，射频频率过高，e n 就越 大，反而会降低激光转换效率和激光输出功率。 实验结果表明，在最佳功率负载的情况下，射频激励扩散冷却型c o 。激光器的最 佳工作频率f 与电极间距d 近似成反比关系。 由上分析可知，射频激励频率的大小对c o , 激光器工作电压，工作稳定性和激光 输出功率均密切相关，在放电腔物理尺寸、气体成分、气压一定的情况下，激励源必 定存在最佳工作频率。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 射频激励c 0 ：激光器功率控制 直流激励c o z 激光器通过调节放电电压和放电电流的大小来调节输出光功率的大 小1 ，但这种方法在射频激励c 0 。激光器中不适用，因为射频气体放电中，鞘层厚度、 电予数密度、电子漂移速度、碰撞频率等均与放电电流、电压有关，放电管的总体等 效复阻抗取决于上述各参量( 见式2 1 6 ) 。因此，改变射频放电的电流、电压也就改 变了放电管的总体等效复阻抗。由于匹配网络参数固定、电源频率固定，使得共轭匹 配条件遭到破坏。所以，不能用改变放电电流、电压的方法来控制射频激励c 0 。激光 器输出光功率的大小。 控制射频激励c 0 。激光器输出光功率的基本方法是p y n , i 脉冲宽度调制。p w m 信 号对激光器内的射频驱动电源进行调制，在p w m 信号的高电平时间内，射频工作电压 被允许输出到放电管；在p 删信号的低电平时间内，射频工作电压被禁止输出到放电 管，从而控制了通过放电电极耦合进入放电管内的电功率，实现了对输出光功率的控 制。波形示意如图2 3 所示。 射频信号 p w m 调制后的 射频信号 洲【光输出 功率 图2 3 功率调制波形示意 激光器输出平均光功率取决于p 咖信号的占空比。p 咖调制信号的占空比越大， 激光器输出的平均光功率也就越大。较为典型的射频c o , 激光器的输出平均光功率特 性如图2 4 。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 6 小结 p 占空比( ) 图2 4 激光器的输出平均光功率特性 本章首先介绍射频气体放电和c 0 2 激光器的基本原理，并用碰撞速率系数、粒子 连续性方程、稳态时电子的能量平衡方程、电流连续性方程、上能级激发效率与注入 功率表征c 0 z 激光器射频放电模型，在此基础上分析了射频激励c o ：激光器等效阻抗， 最后对激励频率选择及功率控制方法作出相关讨论。 华中科技大学硕士学位论文 3 射频激励c o z 激光器电源设计 射频电源是射频激励c o ：激光器的重要组成部分，它将普通电源能量转换为射频 能量提供给激光放电管，其中的一部分被转换为激光能量输出。 7 0 年代射频c 0 2 激光器出现不久，美国联邦通信委员会就根据加在激光管上的横 向交变射频电场中气体等离子体电子漂移速度，要满足在交变电场中往复运动的电子 不得与管壁相碰的要求，定出最低工作频率的下限3 0 m h z ；再根据传输线分布效应严 重程度定出最高工作频率的上限3 g h z ，由此来划定射频c 0 2 激光器的频率范围为 3 0 m h z 一3 g h z 。8 0 年代，国际标准化组织又根据以往无线电波段划分方法，批准射频激 光电源的使用频率为2 7 4 0 m h z 啪1 。即在规定频率范围内，允许逸出相当多的辐射能量； 而在规定频率范围外就要求有效屏蔽。 最初的射频电源是将线圈绕在波导管上，虽然可以得到激光输出，但放电不均匀、 耦合效率差、线圈电感大等缺点都限n t 其频率的提高和应用的扩展。随着高频电子 线路制造技术和高频、大功率单元器件的发展，射频激励c 0 2 激光器电源技术也不断 进步。 本章以2 5 w 射频激励c 0 ：激光器电源设计为例，详细分析中小功率射频激励c o 。 激光器电源的结构、以及电源各部分的实现原理和设计方法；并根据实际调试经验探 讨消除射频电磁干扰的措施；最后将本设计电源应用于4 8 m i n x 4 8 m i n x 3 7 0 m m 的封离 式全金属c o z 激光管，并对激光管输出功率、模式、发散角进行测量。 3 1 射频激励c 0 。激光器电源结构 射频c o z 激光器电源由5 个部分组成，其电路框图如图3 1 所示。直流电源通过 输入回路为激光器电源供电。输入回路由抗电磁干扰( e m i ) 网络和功率开关器件组成， 抗干扰网络抑制各种电磁干扰，功率开关器件接受电源控制模块的控制信号，实现电 源的自动开通、关断。振荡回路产生射频激励信号，并接受电源控制模块的p w m 波调 制，调制后的射频激励信号输入功率放大器，放大后输出要求功率的射频能量，最后 由阻抗匹配网络输入激光放电腔电极。电源控制模块通过温度传感器获取激光放电腔 温度，并通过反馈回路获取电源系统的电流、电压，对整个电源系统提供过流、过压、 过热保护。 华中科技大学硕士学位论文 图3 1 射频c 0 2 激光器电源电路框图 3 2 直流输入回路 输入回路由抗电磁干扰( e m i ) 网络和功率开关器件组成啪1 。输入直流电流首先经过 c 。、l 。、l ：、c 。，c ，组成的抗电磁干扰( e m i ) 网络，使来自电网的噪声不得串入振荡回 路。抗电磁干扰( 蹦i ) 网络原理电路如图3 2 所示。 f v 图3 2 输入回路抗电磁干扰( 跏i ) 网络 图中l 。、l 。为共模噪声( 指主回路与机壳间传播的同相噪声) 扼流绕阻，l 。、l 。 互感系数相反，对应输入、输出电源同频率电流产生两个大小相等，方向相反的磁通， 彼此抵消，呈现零电感。与此相反，对共模噪声则产生很大的电感，大大削弱共模噪 声，提高共模抑制能力。c 。为额定噪声( 指主回路两线间传播异相往复噪声) 滤波电 容。c 。、c 。为电源旁路电容，用于滤除全频带噪声。 功率开关器件接受电源控制模块的控制信号，实现电源的自动开通、关断。其原 理电路如图3 3 所示。直流电源由v 。输入，经过受控功率晶体管q 。由v 。输出。通过 选择电阻r 2 及控制信号使得晶体管q 。工作在开关状态。当q ：导通时，电阻r i 、r 。分压 为功率晶体管q 。( 选用m o s f e t ) 提供合适的栅源极电压，q 。导通，直流电源由v 。输 1 9 华中科技大学硕士学位论文 出。稳压管d 。将功率晶体管栅源极电压钳位，c 。为滤波电容。功率晶体管的最大工作 电流，以及导通、关断时间决定此模块的性能。 v i n c o n t r o l v o n 图3 3 电源开通、关断控制原理图 3 3 射频信号产生 射频信号由射频振荡电路产生，振荡电路的种类很多，按照输入和输出回路共同 端的不同，可分为共发射极、共基极和共集电极等电路；按照反馈形式可分为变压器 反馈、电感反馈和电容反馈等电路；按照调谐地点可分为发射极调谐、基极调谐和集 电极调谐电路；按照振荡器所使用的元件可分为电感电容振荡电路( l c 振荡器) 、电 容电阻振荡电路( r c 振荡器) 和晶体振荡电路等。 石英晶体振荡信号发生器电路如图3 4 ( a ) 所示。该电路是共发射极电容反馈 集电极调谐串联石英晶体振荡器。它由c ，c 2 ，c 3 及t 。的初级绕组组成谐振回路。 其中晶体作为一个小的等效串联电阻提供反馈途径。 c i ( a )( b ) 图3 4 ( a ) 石英晶体振荡器( b ) 自谐振荡信号发生器 华中科技大学硕士学位论文 自谐振荡信号发生器电路如图3 5 ( b ) 所示。该电路为串联谐振电路，谐振电路频 率由下式绘出： 厂：三 。 2 厅0 三lc 1 ( 3 。i ) 若要求对激光器输出的光学质凝没有明显影响。一般要求电源频率稳定度为6 = l h 。在藏熬静射籁振荡毫爨串，淀振荡器羧搴稳定疫碧= 1 0 - 3 - i h ： 瞧漫 石英谐掇器频率稳定废为6 = l o 屯1 0 4 h ；单层懒温石英谐搬器频率稳定糜为6 = 1 0 。7 - 1 0 4 h ；双层恒漱石英谐振器频率稳定度为6 = 1 0 1 0 - 1 0 “1 h 。所以目前成熟的 摄荡器戆频率稳定瘦都舷瀵足要求。考虑裂龟爨瓣楚摹实建往，本设诗采矮l c 振荡 电路，电路分析在下一节中与射频功率放大一同讲述。 3 4 射频功率放大 臻搴技大毫臻主要采溺功率会簸器、攉挽功率放大器班及瓣频大功率箍体管放大 电路。 功率含成器是用功率分配器与功率合成器按2 “柬增加级数，将多路输嫩按矢量相 魏，挺离瓣融功率渊，在诧不徽详镶介绍。 推挽电路是用单元推挽电路并联输出的积木结构，按自然数增加级数，将多路输 出按矢量相加，提高输出功率。推挽功率放大器的一种电路图如图3 5 历示o “。它是 上下秀个辩稼蕈营救大嚣豹组合，这貔要求两管梅馁参数穗阖，并要求交送器彳的次 级上下两举绕组对称，两晶体管没有藏极偏流，静态工作点在熬极电流等予零处，即 处于截止状态。输入变服器t 把输入傣号耦舍给鼹个晶体管v 。秘砜，并且利趱它的次 级绕缢孛，貉箍头使送德两个墓辍静倍鸯相位差1 8 0 4 ，这样￥3 釉磙将交替遗搬正半周 和负半周信号放大。由电感k 再将v 。和v 4 的集电极电流汇集起来，使得两个半周的 信号变成一个完整的周蝣难弦信号传燃去。正常工作时，两只蒜体管在信号驰难受鼹 个半周内交替工终，砜静遥，砜截晓；v 4 导遁，v 3 截止。每只篱予只拯负信弩半个周 期内的放火工作，两管交替出现的集电极电流以相反方向通过电感l 输送出去，在模 拟电子线黪中被称为8 类推挽功率放大器“”。 2 1 华中科技大学硕士学位论文 图3 5 推挽射频功率放大电路 推挽功率放大器输出电路中偶次谐波互相抵消。输出信号中最大的谐波分量为3 次谐波由于它与基频的频差大，容易滤波，所以推挽电路的谐波抑制较好，两管基 极激励电压的相位必须相反，幅度相等，这只在工作频率较低时才易于实现。工作频 率在i o o m h z 以上时，要满足两基极等幅反相激励较困难，所以推挽功放难以向高频 发展。 随着大功率晶体管制造技术的进步，用功率晶体管构成的放大电路结构简单并能 很好的用于射频激励c 0 2 激光器电源。本设计电路即采用功率晶体管放大电路，电路 原理图如图3 6 所示。 图3 6 射频功放原理图 l d r fo u t 华中科技大学硕士学位论文 图中，电阻r l 连接直流电源和功率晶体管的门控极，电阻r ：连接门控极和电源地。 电阻r 。、r 。提供静态偏置电压为谐振提供初始增益。在门控极输入端串入电阻r 3 以限 制门控极电流。稳压管d 将门控极电压钳位，c 。为滤波电容。p w m 调制信号从电感l 。 输入晶体管，l 。起到扼流作用，c 。为旁路电容。放大后射频能量经过阻抗匹配网络z o 、 由耐压电阻c 8 耦合进放电管电极。 l 。、c 。、c 。c 。构成反馈回路，实现自振荡。即通过参数的选择，它可以自动的提 供某一频率的射频能量，在这种频率下，激光放电管输入阻抗最大，使得放电电极得 到最大输入电压，并且正好满足使得电极间气体介质获得最大激发的条件。在气体电 离后，放大电路通过反馈回路自动调整参数以将最大电压加在放电管电极两端。振荡 频率可以表示为： ， ( 3 2 ) 同时，反馈网络通过一个形匹配网络与与功率晶体管匹配。形匹配网络由电 感l ：和电容c 。构成，用于提高功率晶体管的输入阻抗。当驱动系统工作在典型频率 4 6 m h z 时，功率晶体管输入电阻表现为容性。另外，由形匹配网络形成一个低q 值 电路，并获得实数值的输入阻抗。反馈回路使得射频信号相位超前9 0 。，以补偿1 4 微带传输线引起的9 0 。相位滞后。为了获得9 0 超前相位，电容c 。的阻抗选择为 1 0 0 0 2 0 0 0 q ，电感l 。和电容c 。共同提供一个大约1 0 0 q 的实输入阻抗。通过以上措 施，反馈回路提供同相、正增益的反馈信号，使得在等离子管谐振频率下，电路振荡 稳定。 闭环振荡的稳定条件是总相位变化为零。电路包含以频率为函数提供相位移的3 个元件：激光放电管，微带传输线和反馈回路。相对而言，微带传输线和反馈回路都 是低q 元件，频率改变时，它们的相位移只发生缓慢的变化。而激光放电电路在气体 介质激发前后有很大的q 值变化，因此会导致快速的相位漂移。另外，气体介质的激 发使得气体放电管的谐振频率降低，因而电源工作频率和放电管的谐振频率与激光等 离子放电管阻抗密切相关，这一点是实际调试的经验。 华中科技大学硕士学位t 论文 3 5 1 4 波长传输线匹配网络 射频功率传输是一个波过程，在不同的阻抗界面将发生反折射。为了有效地将射 频功率注入到放电气体负载中，必须在射频功率源与负载间引入阻抗匹配网络。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射频电源的输出阻抗互为共轭。射频气体放电管可以等效 为一电容性负载，射频功率电源的内阻一般为5 0q ，因此，实现共轭匹配的电网络为 电感性。显然，理想的共轭匹配网络是应该随各个电参量( 电源频率，负载阻抗) 的 变化而实时改变自身的复阻抗值，以保证在每一时刻都达到共轭匹配。但由于技术上 的原因，实现理想的共轭匹配网络非常困难，有时也不必要啪1 。目前使用的匹配网络 的复阻抗值是固定的、不随时间变化，它只取决于射频电源的频率。这样的匹配网络 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、n 型等，这种 匹配网络的主要缺点是插入损耗大、噪音大、体积大；另一种是分布参数匹配网络， 主要是i 4 波长传输线，它能克服集总参数匹配网络的上述缺点。 本设计采用i 4 波长传输线作为阻抗匹配网络。首先计算如何由电源负载阻抗和 激光放电管输入阻抗计算满足阻抗匹配条件的i 4 波长传输线的特征阻抗m 1 。对图 3 7 ( a ) 所示的传输线，射频电压和电流均以波动形式向前传播，为方便起见，取z 轴 方向与电磁波的传播方向相反，并取传输线上某参考点为z = o ，其等效电路如图3 7 ( b ) 所示。 盟o iz i d zl j l + u + d 盯l ；i d z：u i g - h 卜一d x i ! ( a ) z r t d zl 1 d z 图3 7 传输线等效电路 那么，传输线上任意一点z 处的电压和电流满足下式 华中科技大学硕士学位论文 l 棚= ( r l 出4 - ，础t 出v 。 i d l = ( g l 出+ j m c , d z ) u 盟：z ， d z 1 ( 3 3 ) 堕：x u d z 其通解为 r u = q e ”+ b e 一” 1 ，：士( 础q e l 4 f y = 扛百= 扣再面丽万丽= a + j p 舯1 z o = 争= 悟= 辱磊 y 为传播常数，n 为衰减常数，b 为相位常数，z 。为传输线特征阻抗，z ，y 。分别为 单位长度上的串联阻抗和并联导纳。 设z = o 处的电压和电流分别为u ：和i ：，则有 f u = u 2 c h t z + 1 2 z o s h y z 1 卜尝确川：锄芦 对理想传输线，a = 0 ，y - - j1 3 ，于是( 3 6 ) 式可由下面矩阵方程表示 州，c 警o s f l z 等瑚 无损耗情况下，r l = 0 ，g i _ 0 ，故有 z 。2 悟小厢2 号2 等2 等 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 53 ) ) 乙 乙 厶 l + 一 鹪 吼 一2一2 = = 口 6 j 一寺 l 华中科技大学硕士学位论文 这里，2 志为波的相速度一为波长。令鲁_ z ：为z _ 0 处的阻抗z 2 虽9 是后 接传输线的入端阻抗，若参考点z = o 处接负载，则z ：即是负载阻抗，那么，传输线上 任意一点看向负载的阻抗为 z = 等= z o 等燃= 乙 c 。s ， 可见，当z = 4 ( 或 4 的奇数倍) 时，有 z ( a 4 ) = z g z 2 ( 3 9 ) ( 3 9 ) 式表明，如在负载z ：前接入一段长度为 4 ，特征阻抗为z 。传输线，即能将z ： 转换成z ( 五4 ) 。 x 4 波长传输线一方面要匹配功率晶体管负载阻抗，另一方面要与等离子放电管 的输入阻抗匹配。气体介质激发后，在放电管横截面为4 8 r a m 4 8 m m ，管长3 7 0 r a m ， 气压6 0 t o r r 时计算得到等离子放电管的平均输入阻抗大约为2 0 0 欧姆。按以上参数 构成的实验电路，电源注入功率为1 1 0 w ，产生1 5 w 激光输出。 用下式可以计算得到功率晶体管负载阻抗： 矿2 z = 一 p ( 3 1 0 ) v 是功率晶体管输出电压平均值。在本实验中，测得晶体管输出电压平均值大约1 9 8 v ， 则将p = - 1 1 0 w ，v = 1 9 8 代入( 3 1 0 ) 式计算得，当功率晶体管负载阻抗z = 3 5 6 q 时，才 能把11 0 w 功率传递到放电管。 由公式( 3 9 ) 式可计算得到 4 波长传输线的特性阻抗 z =