大功率射频CO2激光器激励特性研究

论文摘要

射频激励大功率CO2激光器是目前国际上大功率激光切割或焊接应用的主力光源及重要发展方向。本文系统地理论分析及试验研究了大功率射频激励CO2激光器的激励电源、射频传输、射频气体放电等离子体、气体放电均匀性以及射频功率调制特性。论文主要研究工作如下。（1）分析设计了30kW自激式射频激光电源。选择RS3041CJ电子管组成电容三点式谐振电路,分析了电子管的静态和动态工作参数;计算了屏极谐振槽路和栅极反馈回路的元件参数;建立了电子管振荡放大电路的仿真模型。仿真结果表明,该电源电路可以获得功率为30kW、频率为83MHz的射频功率输出。（2）提出了大面积射频板条放电的二维电压分布理论模型。计算分析了40mm×500mm电极在2kW注入功率下,和200mm×1000mm电极在30kW注入功率下的二维电压分布函数曲线,其二维电压波动最大值分别为25%和65%;提出了一种在纵向采用并联谐振电感、横向采用终端并联电抗元件的理论模型,以解决放电电压二维分布不均匀性。（3）建立了维持气体均匀放电的二维均压理论模型并验证了射频激励气体放电均匀性。当纵向射频馈入为中间馈入、横向分别采用中间馈入和电极侧面馈入时,分别采用电极侧面对称和不对称并联电感,以获得电压分布均匀。对于40mm×500mm电极和200mm×1000mm电极,当采用中间馈入和电极侧面馈入时,前者可分别获得波动小于1.5%的和2%的二维电压分布;后者可分别获得波动小于2.5%和3%二维电压分布。实验研究了气体放电辉光强度随注入功率和气压的变化规律,发现均压电感分布对气体放电均匀性的影响规律与理论模型基本一致。（4）研究了射频电源传输及负载匹配特性。分析计算了40mm×500mm电极和200mm×1000mm电极的放电气体等效阻抗及射频传输匹配网络;采用Π型和L型匹配,利用Smith圆图法,推导出负载变化时匹配网络参数的变化规律,得出了最佳匹配网络类型和元件选择;并通过自适应匹配调节装置,保持驻波比小于1.2。（5）试验研究了射频板条激光器的功率调制与控制特性。分析了激光器的点火、维持、连续、脉冲等调制脉冲参数;开发了DSP脉宽调制器硬件电路及相关软件,获得了符合大功率射频激光器功率控制及脉冲调制特性要求的波形输出。（6）研究了大功率射频注入功率对光腔镜片热变形、激光光束输出畸变的影响关系。利用有限元分析法对光腔反射镜的热变形和温度分布进行仿真,建立了射频注入功率变化与镜片同步加热补偿的关系曲线,获得了反射镜曲率形变小于0.02%的热补偿效果。论文研究工作对于攻克大功率射频激励CO2气体激光器关键技术,促进我国装备制造业急需的大功率激光器的不断发展,具有较为重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 2激光器激励技术的发展'>1.1 CO₂激光器激励技术的发展
• 2激光器的发展现状'>1.2 射频激励CO₂激光器的发展现状
• 2激光器的关键技术'>1.3 射频激励CO₂激光器的关键技术
• 1.4 本文的目的、意义和主要内容
• 2 大功率射频激光电源仿真设计
• 2.1 大功率射频激光电源的电路设计
• 2.2 自激式射频电源仿真分析
• 2.3 本章小结
• 3 大面积射频激励板条气体放电均匀性研究
• 3.1 射频激励气体放电理论模型
• 3.2 大面积射频板条气体放电的电压分布
• 3.3 二维电感均压模型
• 3.4 射频激励气体放电均匀性实验
• 3.5 本章小结
• 4 大功率射频放电气体负载的匹配特性研究
• 4.1 大功率射频传输理论
• 4.2 Smith圆图阻抗匹配原理
• 4.3 Smith圆图法气体放电负载阻抗匹配网络设计
• 4.4 阻抗匹配参数随放电负载的变化
• 4.5 阻抗匹配实验
• 4.6 本章小结
• 5 射频放电的调制特性研究
• 5.1 射频激光器脉冲调制信号的波形设计
• 5.2 脉冲调制电路及软件设计
• 5.3 脉冲调制放电实验
• 5.4 本章小结
• 6 射频注入功率对光腔镜片热变形的影响
• 6.1 光腔镜片热变形仿真分析
• 6.2 光腔镜片的热变形补偿
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间授权和申请的发明专利目录
• 附录3 攻读博士学位期间参与的科研项目