1引言
自1973年第一臺(tái)射頻（RF）波導(dǎo)激光器問世至今已26年多,。最初是將線圈繞在波導(dǎo)上，實(shí)現(xiàn)了RF激勵(lì)波導(dǎo)激光器的發(fā)光,。它首次顯示了低電壓激勵(lì)的優(yōu)越性,。那時(shí)，還有許多不完善的地方,。存在的主要缺點(diǎn)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(dāng)前它仍處于發(fā)展與改進(jìn)階段,。其總的研制方向是：降低成本,、增長(zhǎng)壽命、提高輸出功率和效率,、減小體積和質(zhì)量,，改進(jìn)可靠性，提高各項(xiàng)性能指標(biāo),，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(dá)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(dǎo)腔——孔徑D=1～3mm；
2）自由空間腔——孔徑D=4～6mm,。
?。?）按激勵(lì)極性分
1）單相；
2）反相,。
?。?）按腔體結(jié)構(gòu)分
1）單腔,；
2）多腔；
?。╝）折疊腔：V型——2折,；Z型——3折；X型——4折,。
?。╞）列陣腔：短肩列陣；交錯(cuò)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(zhǔn)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,。
（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(dòng)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(tái)射頻（RF）波導(dǎo)激光器問世至今已26年多,。最初是將線圈繞在波導(dǎo)上，實(shí)現(xiàn)了RF激勵(lì)波導(dǎo)激光器的發(fā)光,。它首次顯示了低電壓激勵(lì)的優(yōu)越性,。那時(shí)，還有許多不完善的地方,。存在的主要缺點(diǎn)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(dāng)前它仍處于發(fā)展與改進(jìn)階段,。其總的研制方向是：降低成本、增長(zhǎng)壽命,、提高輸出功率和效率,、減小體積和質(zhì)量，改進(jìn)可靠性,，提高各項(xiàng)性能指標(biāo),，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(dá)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(dǎo)腔——孔徑D=1～3mm,；
2）自由空間腔——孔徑D=4～6mm,。
?。?）按激勵(lì)極性分
1）單相,；
2）反相。
?。?）按腔體結(jié)構(gòu)分
1）單腔,；
2）多腔；
?。╝）折疊腔：V型——2折,；Z型——3折；X型——4折,。
?。╞）列陣腔：短肩列陣；交錯(cuò)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(zhǔn)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(dòng)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?dú)夂秃庥欣诜烹姷木鶆蛐?。氙氣?duì)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(zhǎng)度注入的連續(xù)（射頻）激勵(lì)功率限于2～6W/cm,，轉(zhuǎn)換效率為10％～20％，對(duì)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(diǎn)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(dòng)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(gè)晶體管輪流導(dǎo)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(diǎn)可由下述工作過程的分析清楚地看出。
當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),，C極電流的基波分量為最大,，回路中點(diǎn)電壓也等于最大值Umax，在中心點(diǎn)處的電壓平均值等于電源電壓,。因此（當(dāng)UCC≈30V時(shí)）,，
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(diǎn)，為此設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)調(diào)幅的線性調(diào)制器［3］。連續(xù)工作時(shí),，將圖2中S開關(guān)置于OFF關(guān)斷位置,。脈沖工作時(shí)，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(gè)矩形脈沖序列的基帶信號(hào)對(duì)振蕩器晶體管V2的振蕩幅度進(jìn)行控制,。由控制振蕩電路的起振與停振達(dá)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(fù)載阻抗匹配的目的是消除不匹配負(fù)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(gè)或數(shù)個(gè)反射波,。使它與原來不匹配負(fù)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(fù)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(diǎn)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(zhǎng)傳輸線,，這就克服了上述集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。它的理論關(guān)系比較簡(jiǎn)單,。由傳輸線任一點(diǎn)上的電壓和電流方程即可方便地導(dǎo)出下列1/4波長(zhǎng)（或1/4波長(zhǎng)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(shí)可滿足輸出激光30W，60W等激光器的需要,。
4結(jié)束語(yǔ)
最后是關(guān)于激光頭的準(zhǔn)電感諧振技術(shù),。為了使輸入射頻沿激光器長(zhǎng)度，電壓分布均勻,，加入一對(duì)電感并聯(lián)在諧振腔上下電極之間,。這樣，由于電感負(fù)導(dǎo)納的補(bǔ)償作用,，使激光器沿長(zhǎng)度上的駐波比大大下降,，失配角小于9°,，理論計(jì)算結(jié)果電壓不均勻度小于3％,。
有關(guān)過流、過壓、過熱保護(hù)電路,、顯示電路,、安全延時(shí)電路、自診斷等輔助電路,，本文不再一一贅述,。