3kW射频板条CO2激光器射频激励技术研究

摘要

大功率射频板条 CO2激光器具有光电效率高，光束质量好，体积小等优点，在中厚板切割焊接领域具有重要应用。本论文系统地研究3kW射频板条CO2激光器的射频电源、板条电极放电、阻抗匹配及射频激励系统调试等内容。论文的主要工作如下：
　　（1）设计了45kW电子管射频电源射频信号产生方案。选择DB958型电子管，分析了电子管的工作特性，提出了振荡放大电路主要元件参数计算方法。实验测试了射频电源的工作参数，测得射频电源中心频率为81.36MHz，偏离中心频率最大值为1.46MHz，分析表明电子管连续工作时的分布参数变化是引起频率漂移的主要原因，可以通过降低电子管内部温度变化率来减小频率波动范围。
　　（2）分析了射频平板放电的工作原理，研究了射频电容放电的等效电路模型，求得240mm*1200mm电极放电等效阻抗与两对240mm*600mm电极并联等效阻抗一致。计算得到240mm*600mm电极沿射频馈入点一侧等距离放置三个等值电感时，长度方向电压不均匀度最小值为5％，沿射频馈入点一侧等距离放置两个逐渐增加的电感时，长度方向电压不均匀度最小值为1.4%。
　　（3）设计了射频电源与激光头之间的阻抗匹配网络。考虑到射频电源工作频率的波动性，设计出由四个无源元件构成的阻抗匹配网络，频率偏移2MHz时反射系数为0.098，约为L型匹配网络的50%。通过调整阻抗匹配网络末端电容的取值，设计了可应用于双板条电极结构的单电源双负载宽带阻抗匹配电路。
　　（4）研究了射频频率变化对激光器输出性能的影响，分析计算了频率变化对放电特性和注入功率的影响。结果表明，对于小范围的射频频率波动，频率变化引起的阻抗失配是导致注入功率下降的主要原因，可以通过调整匹配网络参数来解决频率漂移引起问题的激光功率不稳定问题。
　　在3kW射频板条CO2激光器实验平台上，对于本文设计的射频激励系统的光电特性进行了测试，结果表明本文设计的3kW射频板条CO2激光器射频激励系统可以满足设备实际应用需求。

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1 概论

1.1 射频板条CO2激光器的发展

1.2 CO2激光器放电技术进展

1.3 射频电源发展概况

1.4 论文的研究目的和现实意义

2 45kW电子管射频电源设计

2.1 电源电路设计

2.2 射频电源测试

2.3 本章小结

3 大面积板条电极射频放电分析

3.1 射频放电等效电路

3.2 一维平板放电模型

3.3 本章小结

4 宽带阻抗匹配网络设计

4.1 射频功率传输过程分析

4.2 阻抗匹配网络设计

4.3 阻抗匹配效果验证

4.4 本章小结

5 射频频率对激光器性能的影响

5.1 射频频率对功率注入的影响

5.2 射频板条CO2激光器实验

5.3 本章小结

6 全文总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间参与的科研工作