大功率CO2激光器脉冲电源研究

２８　《激光杂志》２００２年第２３卷第１期ＬＡＳＥＲ　ＪＯＵＲＮＡＬ（Ｖｄ．２３．Ｎｏ．１．２００２）　大功率ＣＯ２激光器脉冲电源研究　贺昌玉李家熔　（半中科技大学激光加工国家工程研究中心，武汉４３００７４）　提要：本文论述了直流高压与高频脉冲电源相叠加，构成高频、高压脉冲电源，并使其对Ｏ　激光器进行放电实验，研究了不　同条件下的放电参数与效率。　关键词：高功率一Ｏ　激光器．高频高压脉冲电源　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｉｍｐｕｌｓｅ　ｐｏｗｅｒ　０ｆｈｉｇｔｌ　ｐｏｗｅｒ　Ｏ３２　ｌａ．￣ｒ　ＨｅＯｚａｎｇｙａ　ＩＡｌ＿岫ｒｑ嚷　（Ｎａｔｌｃａｌ￣Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒ￣ｅａｒｅｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆａｒ　Ｌａｓｅｒ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ。ＨＵＳＴ。Ｗｔｄａｓｎ　４３Ｏ０７４）　Ａｂｓｔｔ，ａｅｔｌＴｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈａｔｔｈｅ　ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ一’ｄｔａｇｅｉｍｐｕｌｓｅ　ｐ（帆ｒｆｏｒｍｅｄｂｙｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　０｛ＤＣ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔ—　ａｇｅ　ａｎｄ　ｈ，ｇｈ　ｈｅｑ＇】ｅｎｃｙ　ｋｒ￣ｕｈｅ　ｐｃ　ｒ　Ｕｓｉｎｇｔｈｉｓ　ｐｏｗｅｒ￣ｐｐｌｙ，￣，ｏｔｌｌ＠ｄ　ｋＬｒｇｅ田ｍ　盯ａｎｄｅｆｆ￣ｉｅａｅｙａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｏｎｄｌｔｌｏｎ　∞　．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈＩ￣ｏ．ｒｃ　ｕ｜，ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅｉｍｐｕｌｓｅ　ｐｏｗｅ￣ｓｕｐｐ　要使激光器输出功率大，脒应有合理的结构设计　外，还必须在稳定而均匀的辉光放电的前提下尽可能　高的注入电功率“　】。为此我们在原有的２ｋＷ连续　Ｏ９２激光器的基础上，改变其电源结构，使用高频脉冲　电源，并对其影响电功率注入的一些因素如：工作气体　的比例、压力的放电特性及光束输出特性进行了相应　的研究。　出。用直流高压来达到工作点，使气体的电抗特性基　本稳定，这样加入高频脉冲电源后就不会出现因阻抗　特性突然变化而对逆变电源产生相位突变的冲击　直　流高压电源起到调整工作点的作用。加入高频脉冲电　源后注入功率增加。随着注入功率的增加，激光功率　从零持续加大。　ｌ电源构成与电极结构　１＿１本机电源是用开关电源的输出进行全波整　激光器的放电特性与工作气体气压、混合比、气动　性、温度、电极结构及其材料以及放电过程中的物理过　程和化学作用有关　对充Ｏ９２、Ｎ２、Ａｒ的激光器工作气　体的混合比为：∞２：Ｎ２：Ａｔ＝１：８：７，水温为１２＂Ｃ酎，风　流后得到高频单向脉冲，再与直流高压电源叠加得到　高频、高压脉冲电源。电源原理如图１所示。　１．２开关电源采用场效应管为主功率开关器件　构成的它激式全桥并联谐振电路，具有抗干扰能力强、　可靠性高、工作稳定、易于调制、体积小［３．４Ｊ的特点。电　路原理如图２所示，开关电源的工作频率由４０ｋＩ－￣　１００ｋＨｚ连续可调。调制频率为０～３ｋＨｚ。　１．３电极的构成　横流电激励Ｏ９２激光器就其放电结构而言一般分　速为４５ｍ，Ｉｓ。分别对７．５ｋＰａ、８．０ｋＰａ、９．５ｋＰａ的不同气　压进行了放电实验　放电特性如图４所示。从图中可　以看出气压升高，放电电压亦随之升高，在相同电流的　情况下注入功率增加，高频脉冲电源可以在较高的气　压、较大电流下获得稳定的、均匀的辉光放电，从而提　高激光器的输出功率。　３输出特性　在风速为４５ｍ／ｓ、气压为９．５ｋＰａ，采用稳定腔对不　同的气体混合比和不同的气体温度以及不同功率下的　为两种ｌｌ０ｊ：第一种是管板式；第二种是针板式。针板　式是分割阴极的方式，放电单元多且密，能够实现在高　气压下工作。我们采用的是针板式两排针对平板阳极　放电，每排均匀分布１００颗针，每颗针接有一镇流电路　为阻容并联单元，使针上的电流分布均匀，每排的电阻　值不同，以保证每排的电流按一定大小分配。激光器　的总放电长度为：ｌｌ０ｃｒａ、极间距离为：３７ｃｍ、阴极针之　间的宽度：２０ｍｍ。为了消除针排与针排之间的影响，　采用针排之间的针依次交替排列，如图３。　光斑变化进行了试验研究。　图５为稳定腔示意图，光腔由全反凹面镜Ｍ１　、输　出镜Ｍｚ和自全反射平面镜Ｍｚ组成（Ｍ１的曲率半径　为１２ｍ，输出窗口为ＧａＡｓ平面镜），组成平凹腔。分别　对不同的气体混合比Ｏ９２：　：Ａｔ，１：６：７，１：８：７，１：１２：　７作了实验研究，电光转换效率与气比的关系如图６所　ｏ　由图６可以看出：　的变化对电光效率的影响很　大，在一定气压下，相应增加　的含量　会大大提高　２放电特性　放电时，直流高压电源使气体击穿并进入辉光放　电区。此时电流很小只有０．４Ａ，电压为２ｋＶ，无激光输　Ｏ９２的激发速率，使电光转换效率增加。但　增加过　裟　；目德目裴　Ｉ馥＊　维普资讯 http://www.cqvip.com

《激光杂志》２００２年第２３卷第１期ＬＡＳＥＲ　ＪＯＵＲＮＡＬ（Ｖｏ；．２３．Ｎｏ　１　２００２）　２９　多会使０　的分子密度减小，从而使电光效率下降。　高频脉冲激励的Ｏ　激光器输出光斑变化比直流　激励激光器明显好转。直流激励激光器光斑在低功率　和高功率时变化极大，这是由放电区的电流、温度变化　使放电区的折射率和透过率变化引起的，而用脉冲调　制以后，在出光时，放电区的脉冲峰值电流、电压相同，　仅调制脉冲的脉宽不同，影响光斑变化的因素被极大　减弱，光斑变化不明显。直流激励的只有在较大功率　输出的情况下才为饱满的圆形光斑，而脉冲激励方式　光斑形状始终为饱满的圆形光斑，与输出功率无关。　脉冲激励激光器电源效率与直流相比提高了５％　左右。（图７）　拳　！　酉。：．　圈１　圈２　囤３　圈４　图５　圈６　图７　由于开关电源本身的效率高，而直流激励电源通　常为可控硅调节后升压获得可控的高压电源，效率较　低。高频脉冲电源的排镇流电阻和针镇流电阻有较大　程度的减少，电阻值仅为直流激励的１／６，同时在针镇　流电阻上并联电容，最大程度降低功耗。在同等电流　下使电阻功耗陴低６倍以上。　③输出光斑随输出功率变化小，光束质量稳定。　高频脉冲放电在同等条件下比直流放电更稳定、均匀　且处于高能态下运转，因此可以获得更好的光束质量。　参考文献　［１］刘东华等．高气压封闭循环针板放电式两千瓦连续Ｏ　激光器．激光杂志，ｌ９８５．６（１）：２８一驺　［２］李再光．气体激光器及其应用论文集．第三卷．１９９２　［３］冯功和等．Ｏ　激光器太功率开关电根的研究．电力电　子技术，１９９８，ｉ：２０—２２　［４　ｗ删Ｘｕｅｔｉ等．Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｕｌｓｅｄ　１　Ｐｃ　ｓｕｐｌ　Ｂａｓｅｄｏｎ　ＩＧＢＴ　Ｃｈｉｎ￣ｅ．ｒｏｕｒｒ￣ｔ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ，１９９５，　（５）：　４０９—４１６　４结论　高频脉冲激励Ｏ　激光器具有以下特点：　①电源效率高［　】。由于采用电阻和电容并联的　方法，电阻仅为ＤＣ激励的１／６，提高了效率。同时脉　冲激融方式可提高放电稳定性，增大电功率的注人以　获得更太的激光功率输出。　②高频脉冲放电易于调制ｎ】，有利于获得脉冲激　光输出。对于脉冲激励激光器，改变激融电源的调制　脉宽和调制频率来达到调整激光输出频率和峰值功率　的目的。　（５］脒义红．高频激励∞２激光器激光技术．１９９２，１６（３）　［６］吴团结等．串联谐振型激光器用开关电源的研制．电子　与自动化，２０００，３：２８—３０　［７］刘斌等ＩＧＢＴ在激光电源中的应用．电焊机，２Ｏ０ｏ，３ｏ　（１１）：２６—２８　・激光医用・　ＣＯ２激光治疗耳廓假囊肿的疗效观察　张炳芬迟秀欣　２６５２００）　（山东省烟台市采阳中心医院，采阳ｌ　临床资料和治疗方法　找科２００１年收治３０例患者，男３６例，占８６．６７％，女４　例，占１３　３３％，年龄１２岁至５５岁之间，病史２到５年，其中５　例曾手术切开　Ｉ流及针管穿刺抽吸囊覆加压包扎治疗后卫复　发　在患耳假性囊肿处以２％利多卡因局麻后，即用∞２激光　任囊肿表面上下灼孔，有利于囊液的排出，再用Ｈｅ—　ｅ激光　９ａ射．功率凋至３０Ｗ，距离为２０公分，照射时间为１Ｏ～１５分　钟，　日汰．７天为一疗程．每次照射结束用Ｏ．５％碘伏棉球　消毒，使局部皮肤清洁干燥，适当加压包扎。　２讨论结果　实践确认激光穿避性强．光纤维插＾囊腔内放射状烧灼治　疗．破坏了囊壁的光滑完整　使囊壁表面做凝固处理．感染机　会少．囊壁外加压包扎有利于囊肿愈台　临床观察３０悄患者　照射一个疗程治愈２４人次．有效率为８０％，照射１０欢后治愈　５人次．有效率为ｌ６．６７％．２铡好转．总有效率９３．３【Ｉ６。经３　个月后随访无一例复发