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1、CO2 气体激光器的激励技术及其发展趋势李达 11020435摘要:本文要介绍了 CO:气体激光器的各种激励方式及其特点，分析了各自的优缺点，对其各种性能做了对比，并指出从直流到交流、从低频到高频是CO:激光电源发展的总 体过程和趋势。关键词：直流激励交流高频激励射频激励微波激励开关电源1. 前言C02激光器是最币要、用途最广泛的气体激光器之一。按照激励方式C02气体激光器 可分为直流激励、交流高频激励、射频激励和微波激励。在CO2气体激光器发展之初，激 励电源采用工频变压器升压，然后以整流、滤波、电阻限流的直流方式维持气体辉光放电。 随着电子元器件和电子技术的进步，激光器电源也随之快速发展，
2、由直流激励到交流高频激 励，到目前的热点射频激励和微波激励。从70年代末开始，国外进行了高频(HF),射频(RF)、微波(MW)激励工业用CO2激光器 的研究。高频激励或称无声放电(SD)高功率CO2激光器，激励频率为100-200kHz获得了 1-5 kW的激光功率。射频激励恒流CO2激光器己获得1-1OkW的功率输出，最大功率有望 达到100kW。德国90年代发展的8kW的振荡器-放大器系统，使用频率为2.45GHz的微波 激励。2直流激励由于输出功率大、技术简单、成本低等因素,第一代工业用CO2激光器使用直流激励, 现在它仍占据着最大的市场。随着半导体和电子技术的迅猛发展，CO2激光器直
3、流激励电 源也随之由低频工作方式向高频工作方式的方向发展，从简单的串联线性调整电源到可控硅 中频电源，发展到高频高效开关电源。直流激励高频开关电源替代低频电源是激光工业发展 的必然趋势。这是由于频率的提高必然引起电子元件如电感、电容的小型化，使电源的体积 和重量大大减小。2.1串联线性调整电源这类电源的共性是需要单相或三相工频高压变压器，根据初级或次级控制原理不同， 可以分为以下几种形式:单相阻容式、三相电抗变压器式、电子管恒流式、三相可控硅恒流 式。由于其设备笨重、体积大、效率低，己不适应当代激光技术的发展。2. 2 可控硅中频电源中频逆变电源由于工作频率比工频变压器高2个数量级(一般为10
4、 kHz以下)，使变压 器体积明显缩小。可控硅具有允许较大电流的优点，故可用于功率较高的逆变电源。用这种 技术做成的电源与普通阻容式电源相比，镇流电阻只有前者一的1/8-1/15，体积、重量减小 到 1/3-1/4，成本不到 1/3。2.3 PWM式DC-DC高频开关电源DC-DC高频开关电源作为C02气体激光器的直流激励源，不仅体积小、重量轻、效率高、适应性强，而且具有连续和脉冲调制输出，能够实现激光电源的系列化、标准化。典型的PWM变换器式高频开关电源工作形式有:单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式、 全桥式等。这几种开关电源都各有特点:单端激励式和推挽式电路简单、所用元件少，但变 压器
5、利用率低;全桥式和半桥式高压开关晶体管稳态时最高施加电压低，比推挽式低一半;推 挽式和全桥式抗不平衡能力差，半桥式则很强;推挽式和半桥式输出功率大，适和作为中、 大功率气体激光电源。PWM变换器式开关电源的工作频率一般低于50kHz工作频率难以进一步提高，并存在 着开关管易损坏的缺点。其原因是PWM技术的功率开关方式属于硬开关，开关损耗和应力 较大。另外变压器中不可避免地存在漏感，此漏感会引起尖峰电压使集电极瞬时击穿。2.4谐振式开关电源随着激光器件和激光设备对电源要求的进一步提高，现有的线性调整电源和PWM式开 关电源己远不能满足需求。高频谐振变流技术为激光电源的发展开辟了新的途径。谐振开关
6、 的目的是要改善半导体器件在功率变换电路内的开关条件，这是以在基本的PWM开关上加 谐振元件的方法来实现的。为了提高工作频率和效率，谐振变流技术由准谐振技术(QRC) 发展到多谐皆振技术(MRC)。谐振技术己经开始在直流激励的高频高效激光电源( DC/DC)中研究和应用，并且工作频 率达到MHz的谐振变流器(DC/AC)将成为交流激励射频激光电源发展的方向。3交流高频激励直流激励激光器虽然应用广泛，但存在着以下缺点：(1) 镇流电阻要消耗1/3 -1/4的能量，光电转换效率低；(2) 放电的不稳定性，限制了注入功率密度的提高；(3) 电源功率因数低，不利于节能；(4) 很难做到连续一脉冲运行转
7、换，无法满足高性能激光加工的要求(5) 放电电压太高，给更高频率的高压电源的研制带来困难。为了改善CO2激光器的性能，克服直流激励存在的缺点，提出了交流高频放电CO2激 光器技术。高频放电频率通常在几十-几百kHz其电路可采用晶体管和高频变压器组成逆变 开关电源。对高频激励CO2激光器电源的研究最初是从较低的频率开始的。1977年，前苏联用 10kHz交流电源作为激励电源获得了激光输出。1988年，日本人研制了方形管状电极结构 的2.5 kW基模CO2激光器，其电源频率为100kHz。实验表明，采用高频放电激励提高了放电的稳定性，在没有任何匹配措施，也没有加 任何镇流电阻的情况下，获得了大面积
8、均匀稳定的辉光放电。而全晶体管化的电源减小了体 积，意味着这种放电激励技术具有提高输出功率的潜力，从而为CO2激光器的小型化研究 提供了新的途径。4射频激励射频激励是CO2气体激光技术发展的新方向，由于具有完全独特的优势，近20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，电能利用率高；放电稳定，可实现大面积均匀放电；注入功率密度高，器件的体积大 为缩小；工作电压低，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，输 出光功率的控制程度高；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。射频激励的频率范围为1MHz到几百
9、MHz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。随着高频电子技术的发展， 射频激励电源技术也不断进步。90年代，日本采用频率为13.56MHz的射频电源做成的5kW 的射频C02激光器，其脉冲输出的最高重复频率达到了 10kHzo一般射频电源核心由 3 部分组成:信号源、调制器和放大器。下面以一小型中小功率射频CO2激光电源为例，简单描述一卜其结构和组成，图1为电源原理框图。图 1 射频电源原理框图4.1输入回路输入电路的目的是把通过电源线传向电网的噪声抑制在允许的电平值以卜，使其不能对 电网造成影响，同时使来自电网的噪声不得串入振荡回路
10、。4.2振荡回路振荡回路主要是给电源提供信号源。CO2激光器对射频电源频率稳定度有一定的要 求，实验证明只要能够达到10 (-2) /h的振荡器都符合要求。LC振荡器和非恒温石英晶 体谐振器频率稳定度都能满足信号源要求。4.3放大回路由振荡回路所产生的原始射频功率很小，必须经过放大回路进行放大。由于目前射频大 功率晶体管单管输出功率有限，要获得足够大的功率增益必须进行功率叠加。解决的方案主 要有功率合成和推挽两种。射频推挽功率放大器输出功率可增加为单管输出功率的2倍，且 谐波抑制性较好，但必须在工作频率较低时才容易实现。功率合成式放大电路是把功率放大 元件按照2的数目经过传输线变压器逐级组合，
11、最后输出较大的功率。这种结构的电源可靠 性大大提咼。4.4控制网络脉冲射频CO2激光器的控制器，是电源脉冲电流的开关。主要作用是使电源具有调制 信号输出功能，这样激光器既能进行连续工作又能脉冲输出。对它的设计要求是工作频率和 脉冲宽度连续可调。实际上它就是一个方波脉冲信号发生器，可由不同功能的集成电路组成， 如函数发生器ICL8038,单运放LM318,时基电路NE555和开关电源控制器XR3524等。4.5匹配网络阻抗匹配网络的主要目的是消除不匹配负载的反射，同时具有滤波的功能。阻抗匹配网 络可分为:分布参数匹配网络，主要是由1/4波长传输线组成;集总参数匹配网络，主要是由 电抗元件LC组成
12、L型、T型,pi型网络。由这些插入元件人为地产生一个或数个反射波相互 抵消而达到匹配，即使激光头的输入阻抗与射频电源的内阻互为共扼复数。一般说来，在 400MH z以下的甚高频(VHF)段，通常采用集中参数匹配网络;而在400MHz以上的超高频 (UHF)段，则需要分布参数的微带线组成匹配网络。虽然射频激励CO:激光器具有许多独特的优势，但也存在着不少的缺点:价格昂贵，电 路复杂;同时射频源存在辐射污染，匹配网络互换性差。随着电子技术的发展，这些问题会 逐步得到解决。5 微波激励目前，射频激励 CO2 激光器最大的不足是需要十分昂贵的射频功率发生器，而且运行 花费高，这大大影响了它的广泛使用。
13、为此，人们尝试其它新的激励方式。现在，这种研究 在实验室己初步获得成功，即采用微波(MW)放电方式激励激光器。微波激励CO:激光器通 常是将激光放电管置于微波波导或谐振腔中，通过微波行波场或驻波场使CO2气体产生激 发而获得激光输出。微波激励频率在1GHz以上，其放电电极形式多为螺旋型平行电极结构， 采用磁控管微波发生器作电源，电能用波导管传输。 80年代末90年代初，德国和日本的科学家在这方面进行了颇有成效的研究。采用微波激励既能减小射频电源昂贵的花费又能克服DC放电存在的不足，这正是近年 来国外竟相研发MW激励C02激光器的主要原因。与其它激光器相比，采用MW激励还 具有如下明显的优点:放
14、电管无电极，镜片和气体无污染;微波波导表面为基电位，没有高压 危险;微波源很低廉（普通微波炉的磁控管即可）。利用微波激励的这种特性制成的激光器清 洁、紧凑、高效、安全。因此，研制开发这种激光器具有十分诱人的前景。但目前，利用微 波激励的 CO2 气体激光器还有不少物理和工程的问题有待解决，离商业化的使用还有一段 距离，国内外正对其展开积极的探索和研究。6结束语CO2激光器激励电源的发展过程和总体趋势为:从直流到交流，由低频到高频，再到射 频和微波，电源频率不断提高。相对十直流激励，交流激励激光器体积小、重量轻、稳定性 好、高效节能，且放电电压低，可以脉冲输出。各种激励方式的性能比较见表1。以现
15、有的技术，射频激励具有最佳综合性能，高频激励次之，微波激励是一种很有希 一望的技术，直流激励将慢慢被淘汰。今后，高频激励技术的发展方向是增大功率输出和减 小体积。射频激励的主要目标是降低电源价格，控制辐射污染，大力发展扩散型冷却波导激 光技术。而经过激光科研土作者的不懈努力，相信不久的末来，性能高、价格低、安全环保 的微波激。励CO2激光器将在激光市场中占据一席之地。衷IW种激揃方式的性能比较电iH浪唯ir孔%:厂 i50kHz|UdMIlz皿12-D4-+址应軒吃帮0十+0十+器+T石伯+44-+4-fl：礼勒聿嘯-F+F+Mt功宰+十0+岸冲输出十4-+十卄+U|木十十十+乜flit 一一 鼻圧，一机.Q丸 Hi, 刊奸，申里奸.参考文献1 周炳琨 高以智等：激光原理（第四版），国防工业出版社， 20002王吉、林辉：气体激光器的激励技术2005第8期中国仪器仪表3徐容甫、刘敬海：激光器件与技术北京理工大学出版社，1995等
