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(xiàn)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，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(fā)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(zhì)量,，改進可靠性,，提高各項性能指標，以適應(yīng)各種用途的需要,。

　　RFCO2激光器工作頻率按ISM規(guī)定為27～40MHz,；其主要分類如下所述：

　　（1）按輸出方式分

　　1）連續(xù)輸出,；

　　2）脈沖輸出——調(diào)制頻率高達1MHz,；

　　3）Q開關(guān)輸出——電光調(diào)Q與聲光調(diào)Q。

　?。?）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(jié)構(gòu)分

　　1）單腔,；

　　2）多腔,；

　　（a）折疊腔：V型——2折,；Z型——3折,；X型——4折。

　?。╞）列陣腔：短肩列陣,；交錯列陣。

　?。╟）積木式：并聯(lián)—2腔,；三角組聯(lián)—3腔。

　　3）大面積放電

　?。╝）平板型,，（b）同心環(huán)型。

　?。?）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。

　?。?）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,。

　?。?）按冷卻方式分

　　1）空氣冷卻；2）水冷卻,。

　?。?）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。

　　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(xiàn)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,，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(fā)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(zhì)量，改進可靠性,，提高各項性能指標,，以適應(yīng)各種用途的需要。

　　RFCO2激光器工作頻率按ISM規(guī)定為27～40MHz,；其主要分類如下所述：

　?。?）按輸出方式分

　　1）連續(xù)輸出；

　　2）脈沖輸出——調(diào)制頻率高達1MHz,；

　　3）Q開關(guān)輸出——電光調(diào)Q與聲光調(diào)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(jié)構(gòu)分

　　1）單腔,；

　　2）多腔,；

　　（a）折疊腔：V型——2折,；Z型——3折,；X型——4折。

　?。╞）列陣腔：短肩列陣,；交錯列陣,。

　　（c）積木式：并聯(lián)—2腔,；三角組聯(lián)—3腔,。

　　3）大面積放電

　　（a）平板型,，（b）同心環(huán)型,。

　　（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,。

　　（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。

　?。?）按冷卻方式分

　　1）空氣冷卻,；2）水冷卻。

　?。?）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(shù)條件

　　用于CO2激光器的典型工作氣體內(nèi)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(jié)構(gòu)器件，單位長度注入的連續(xù)（射頻）激勵功率限于2～6W/cm,，轉(zhuǎn)換效率為10％～20％,，對激光電源的一般要求為：穩(wěn)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?yún)?shù)：交流輸入電壓220V,；交流輸入電流1.5A,；開關(guān)電源輸出直流電壓30V；開關(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(diào)制器：脈沖調(diào)制頻率0～100kHz方波連續(xù)可調(diào),；占空比連續(xù)可調(diào),；幅度調(diào)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)?11V平滑直流,。第2部分為開關(guān)電源，將311V直流變?yōu)?00kHz脈沖電流,，再經(jīng)電容,、電感濾波后變?yōu)?0V、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(nèi)所示）,。將輸入直流經(jīng)晶振變?yōu)?0MHz，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(diào)制器,。第5部分為匹配網(wǎng)絡(luò)。

　　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(chǎn)生6W,、40MHz正弦振蕩波,，經(jīng)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(guān)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(guān)鍵，因而采用D類電流開關(guān)推挽放大器是一種必然結(jié)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(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，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(guān)推挽放大電路的優(yōu)點,，為此設(shè)計時應(yīng)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(diào)制器控制,。調(diào)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(diào)制器,，屬于數(shù)字信號調(diào)幅的線性調(diào)制器［3］,。連續(xù)工作時，將圖2中S開關(guān)置于OFF關(guān)斷位置,。脈沖工作時,，將S開關(guān)置于ON接通位置。脈沖調(diào)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(diào)制的目的,。由電位器RP4控制調(diào)制頻率,，由RP7控制脈沖寬度。所以,，調(diào)制頻率與調(diào)制脈寬皆可作到連續(xù)可調(diào),。

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）。人為地產(chǎn)生一個或數(shù)個反射波,。使它與原來不匹配負載產(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(shù)。匹配網(wǎng)絡(luò)一般分為兩種,，一種是集總參數(shù)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)的主要缺點是：插入耗損大、噪聲大,、體積大,。另一種是分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，是1/4波長傳輸線,，這就克服了上述集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)的缺點,。它的理論關(guān)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(shù)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(jié)構(gòu)應(yīng)用,，同時可滿足輸出激光30W，60W等激光器的需要,。

　　4結(jié)束語

　　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,，使激光器沿長度上的駐波比大大下降,，失配角小于9°,，理論計算結(jié)果電壓不均勻度小于3％。

　　有關(guān)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,。